2024年复合材料压力容器发展概述

图 第六次评估报告 (AR6)

可再生天然气和氢气被视为实现交通脱碳和零排放目标所需的能源组合的关键部分。这两种燃料最成熟和最主要的储存系统包括 III 型和 IV 型压力容器，分别由碳纤维增强环氧树脂复合材料包裹在铝内胆，和塑料内胆上，采用纤维缠绕工艺成型。

此前，协会专题《无内衬（V 型）压力容器研究进展分析解析》中，揭示了其在航天应用中，显著降低运载火箭的成本，增加有效载荷的运载能力的潜力，本文讲进一步探讨除V型容器之外，各式复合材料压力容器的未来市场展望。

压力容器及压力容器用碳纤维的产量双增长

图 压力容器对碳纤维的需求不断增长

东丽公司的 T700 标准模量碳纤维已成为在 350 和 700 巴标准压力下储存氢气以及在 250 巴压力下储存压缩天然气或可再生天然气的 IV 型压力容器的基准。据东丽的一份战略文件预计，压力容器用碳纤维的年需求量将增长 42%，到 2025 年将达到近4万吨/年。2023 年 7 月，东丽还宣布将把其位于南卡罗来纳州斯帕坦堡和韩国龟尾的工厂的碳纤维产量提高 20% 以上，到 2025 年达到 35000 吨/年。该公司指出，这是为了应对压力容器需求的增长。

此外，晓星公司（Hyosung）也是压力容器用碳纤维的供应商，2023 年的产能为 9000 吨/年。2022 年，Hyosung 宣布将扩大产能，到 2028 年达到 2.4 万吨/年。据韩国媒体 2023 年报道，2024 年 Hyosung 的产能将达到 16500 吨，2025 年将达到 21500 吨。该公司还将在越南南部建立一个新的碳纤维生产实体，即 Hyosung Vina Core Materials Co. 建设将于 2025 年完成，年产能为 4,800 吨，到 2029 年将扩大到 12,000 吨，到 2032 年将扩大到 21,600 吨。

回到压力容器市场。去年，包括 Hexagon Purus、Forvia、Plastic Omnium（现为 OPmobility）和 Luxfer Gas Cyliders在内的制造商也宣布增加压力容器产量。

普拉斯蒂克·奥姆尼姆和浙江瑞恩之间的合资公司- PO-Rein，计划于2026年投入运营，每年为中国商用车市场生产多达60,000个氢气容器和高压氢气储存系统。（参考国际动态《普拉斯蒂克·奥姆尼姆开始在中国建设氢气压力容器巨型工厂》）

V型无内胆压力容器

随着 IV 型储罐市场的增长，制造商继续开发无内胆的全CFRP V 型储罐。据估计，与 IV 型储罐相比，去掉内胆可减轻 10-30% 的重量，并可多出 10% 的内部容积用于储存 氢气。但是，容器的缠绕仍然需要某种类型的芯轴，而且如果没有内胆，罐内的气体或液体会渗透复合材料缠绕壁。要长期使用，特别是在承受压力、温度和外部负荷的反复循环时，必须克服这一问题。但如果能克服这个问题，V 型储罐应该更适合目前正在寻求的可适应的非圆柱形几何形状，以便更好地安装在汽车、飞机和其他车辆上（见下文 "可适形氢气储罐"）。V 型罐最初用于太空工业，储存液氧 (LOX)、液氢 (LH2) 和其他低温燃料，现在正开发用于地球上的运输应用。

储氢市场需要多种解决方案，以满足对储存和加气的各种要求。液氢具有更高的容积密度，在 700 巴的 IV 型储气罐中比压缩氢气多存储 40% 的燃料。因此，轻质液氢储罐被认为是至关重要的。在没有足够空间容纳所需的大型 IV 型压缩氢气储罐的情况下，轻质液氢储罐可为零排放航空的长航程飞机脱碳。

图 与压缩氢气和液氢相比，低温压缩氢气的存储密度更高

第三种方案提供了一种介于液氢和压缩氢气储存之间的混合解决方案。低温压缩氢气利用低温（40-80K/-233°C至-193°C）和中压（如350巴）来消除液氢的沸腾问题，并实现比压缩氢气和液氢更高的存储密度。该技术分别于 2003-2013 年在宝马公司开发，1997 年底至 2020 年在劳伦斯利弗莫尔国家实验室开发。目前，两家公司目前正在加速将低温压缩氢气系统商业化。

据报道，低温压缩氢气储罐有如下优点：

• 重型卡车的续航里程延长至 1,000 至 1,300 公里，而容积相似、压力为 700 巴的压缩氢气罐的续航里程仅为 724 公里。

• 氢气以冷气而非液体形式储存，消除了沸腾问题，降低了隔热要求和成本。

• 与 IV 型储气罐相比，低温压缩氢气储罐使用的碳纤维减少了 60-80%，从而降低了大量成本并解决了供应问题。

• 带低温压缩氢气储罐的车辆可在现有的 350 巴压缩氢气压力下加油（如果低温压缩氢气最大工作压力大于 440 巴，以符合最大压缩氢气加油压力）。如果低温压缩氢气的最大工作压力大于 440 巴，以符合压缩氢气的最大加油压力）或低温压缩站中的液氢。

• 低温压缩氢气系统可在 5-15 巴的压力下为燃料电池供气，在 10-50 巴的压力下为内燃机供气。

IV 型压缩氢气储罐是圆柱形的，因为它是仅次于球形的最有效的抗高压结构形状。但是，它们不容易装入车辆。开发与电动汽车电池组相同扁平空间的适形氢气储罐，成为一个日益增长的趋势。可适形氢气储罐也可以更好地安装在小型飞机的机翼或机身内。