未來(lái)5年,復(fù)合材料儲(chǔ)氫瓶市場(chǎng)或迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)
更新時(shí)間:2021-07-29 09:17:48
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STELIA航宇復(fù)合材料公司在設(shè)計(jì)、認(rèn)證和制造具備工業(yè)長(zhǎng)絲纏繞能力的復(fù)合材料壓力容器上,已經(jīng)有足足35年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)。STELIA航宇復(fù)合材料公司成立于1984年,目前是法國(guó)宇航公司的一部分。公司位于波爾多郊外。坐擁4公頃面積的廠房和綜合測(cè)試實(shí)驗(yàn)室,雇員330名。STELIA航宇復(fù)合材料公司旗下有三個(gè)核心業(yè)務(wù)部門:飛機(jī)結(jié)構(gòu)部,飛機(jī)客艙部件部,還有長(zhǎng)絲纏繞儲(chǔ)氣系統(tǒng)部。其中,儲(chǔ)氣系統(tǒng)部成為核心業(yè)務(wù)部已超過(guò)35年,有著完善的儲(chǔ)氫、儲(chǔ)氧還有儲(chǔ)氮的解決方案。自1985年以來(lái),已生產(chǎn)了超過(guò)70000個(gè)復(fù)合材料覆蓋(II型、III型和IV型,詳見下圖)高壓瓶,用于各種應(yīng)用。

高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫容器主要分為純鋼制金屬瓶(I型)、鋼制內(nèi)膽纖維纏繞瓶(II型)、鋁內(nèi)膽纖維纏繞瓶(III型)及塑料內(nèi)膽纖維纏繞瓶(IV型)4個(gè)類型,及其相關(guān)性能指標(biāo)
公司從1998年就開始研究氫氣儲(chǔ)存,并為法國(guó)替代能源和原子能委員會(huì)研制出了9升可承受700巴壓力的氣瓶。除此之外,STELIA航宇復(fù)合材料公司也和法國(guó)汽車制造商Groupe PSA,全球工業(yè)天然氣公司Air Liquide,及汽車一級(jí)供應(yīng)商福雷西亞合作過(guò)。STELIA航宇復(fù)合材料公司首席技術(shù)官克里斯托弗·布洛伊斯說(shuō):“我們?cè)诩訅簝?chǔ)氣領(lǐng)域有著很高的知名度。隨著最近各種各樣的綠色飛行器的公布,還有法國(guó)和歐盟對(duì)零排放經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的愈發(fā)支持,有越來(lái)越多的公司聯(lián)系我們。”
航天級(jí)儲(chǔ)氫瓶的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)
作為STELIA航宇公司的子公司,STELIA航宇復(fù)合材料公司大部分壓力容器制造經(jīng)驗(yàn)一直尋求在航空航天和國(guó)防方面的應(yīng)用。布洛伊斯說(shuō):"我們有制造容量達(dá)5000升氣瓶的工業(yè)纏繞成型工藝,但我們對(duì)氣瓶的完整設(shè)計(jì)更加專業(yè),為了滿足客戶的技術(shù)需求而量身定做。這包括尺寸選擇,材料測(cè)試和選擇,有限元分析建模,以及合格檢測(cè)(如壓力循環(huán)和爆裂測(cè)試)。最后還包括各行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)的認(rèn)證服務(wù)。”他指出,在不到18個(gè)月的時(shí)間里,STELIA航宇復(fù)合材料公司完成了一項(xiàng)關(guān)鍵的衛(wèi)星儲(chǔ)氫瓶應(yīng)用設(shè)計(jì)。該儲(chǔ)氫瓶符合航天工業(yè)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),并充分降低了生產(chǎn)成本。“我們確保其質(zhì)量過(guò)關(guān),符合工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)在我們?cè)诋a(chǎn)的還有四個(gè)。”
推進(jìn)汽車儲(chǔ)氫瓶研發(fā)
STELIA航宇復(fù)合材料公司生產(chǎn)的儲(chǔ)氫瓶,涵蓋了容積2.4到143升、壓力100到700巴的不同組合。布洛伊斯說(shuō):“我們是儲(chǔ)氫瓶設(shè)計(jì)的領(lǐng)導(dǎo)者,有著龐大的生態(tài)系統(tǒng)。”2016年11月,STELIA航宇復(fù)合材料公司宣布成功研發(fā)了140升的新型碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料儲(chǔ)氫瓶,旨在提高燃料電池電動(dòng)汽車的續(xù)航能力。這與2021年豐田未來(lái)和本田Clarity燃料電池電動(dòng)車中儲(chǔ)存的氫氣量大致相同,如圖1中所示。但是,只有Clarity使用的單儲(chǔ)氫瓶,同期另外兩種在產(chǎn)電動(dòng)車——豐田未來(lái)和現(xiàn)代Nexo,均是三儲(chǔ)氫瓶。
黃色文本顯示了STELIA航宇復(fù)合材料公司將相關(guān)技術(shù)轉(zhuǎn)移給福雷西亞,用于其生產(chǎn)燃料電池電動(dòng)車儲(chǔ)氫瓶。福雷西亞生產(chǎn)的儲(chǔ)氫瓶最終達(dá)到7.3%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(儲(chǔ)存效率)。質(zhì)量分?jǐn)?shù)是氫氣質(zhì)量與儲(chǔ)氫瓶系統(tǒng)質(zhì)量之比,又稱儲(chǔ)存效率。福雷西亞在2017年5月的新聞稿中宣布,它已獲得STELIA航宇復(fù)合材料公司有關(guān)復(fù)合材料氫氣瓶的知識(shí)產(chǎn)權(quán)和工藝的獨(dú)家許可。2018年4月,兩家公司在巴黎Hyvolution活動(dòng)上共同展示了一個(gè)尖端的儲(chǔ)氫瓶原型。福雷西亞的目標(biāo)是成為燃料電池技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者,其預(yù)測(cè)有500萬(wàn)輛燃料電池電動(dòng)車將在2035年前投入運(yùn)營(yíng)。壓縮儲(chǔ)氫瓶的主要問(wèn)題在于如何應(yīng)對(duì)氫氣的低體積密度。即使在700巴的壓力下,壓縮氣體儲(chǔ)瓶大小也要大于液態(tài)氫儲(chǔ)瓶。舉例來(lái)說(shuō),5公斤氫氣在700巴壓力和常溫狀態(tài)下,需儲(chǔ)存在125升的儲(chǔ)氫瓶中,而5公斤液態(tài)氫在常壓和-252.87°C的低溫下,75升容量的儲(chǔ)瓶就可以滿足。這就是為什么航空業(yè)把關(guān)注點(diǎn)給了液氫燃料飛機(jī),還有汽車制造商在為解決氫氣體積和質(zhì)量問(wèn)題而頭痛。據(jù)悉,很多汽車和卡車制造商為了滿足車輛所需的更高壓力和更大尺寸,增加了所需碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料用量,卻大幅增加了儲(chǔ)氫瓶的成本。從圖表中也可以看出,福雷西亞開發(fā)的 69 升油箱的重量比目前生產(chǎn)的三款燃料電池電動(dòng)車汽車都要高。唯一有記錄的儲(chǔ)存效率高于福雷西亞儲(chǔ)氫瓶的報(bào)告,是來(lái)自寶馬公司2012-2015年報(bào)告的低溫壓縮氫氣(CcH2)/壓縮氫氣(CGH2)混合儲(chǔ)氫瓶原型。但該系統(tǒng)沒(méi)有投放到量產(chǎn)車輛中。寶馬聲稱,通過(guò)同時(shí)控制溫度(例如,233°C至-193°C的低溫)和壓力(如350巴),可以消除傳統(tǒng)液態(tài)氫儲(chǔ)氫瓶中的沸騰問(wèn)題,同時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于壓縮氫氣甚至液態(tài)氫系統(tǒng)的儲(chǔ)存效率。
未來(lái)儲(chǔ)氫瓶發(fā)展的討論
STELIA航宇復(fù)合材料公司的首席技術(shù)官布洛伊斯已經(jīng)在公司工作了30年。在被問(wèn)及關(guān)于這次和Air Liquide的合作,后者是否認(rèn)真考慮過(guò)開發(fā)復(fù)合材料儲(chǔ)氫瓶的事宜。布洛伊斯表示:“他們對(duì)復(fù)合材料儲(chǔ)氫瓶的開發(fā)很感興趣,我們之前也合作過(guò)。但復(fù)合材料一般只用于移動(dòng)儲(chǔ)氣系統(tǒng),因?yàn)檐囕v的續(xù)航能力直接取決于儲(chǔ)氫量,而復(fù)合材料恰好能通過(guò)減輕重量來(lái)變相提高其續(xù)航。對(duì)于固定儲(chǔ)氫系統(tǒng),就沒(méi)有什么興趣了。布洛伊斯還指出,大多固定儲(chǔ)氫應(yīng)用都是在低壓條件下操作。“如果在700巴的壓力環(huán)境下,復(fù)合材料才有用武之地,200巴則完全沒(méi)有必要,因?yàn)槟阃耆梢杂媒饘俨馁|(zhì)的儲(chǔ)氫瓶。
STELIA航宇復(fù)合材料公司專業(yè)從事航空航天,工業(yè),軍事國(guó)防領(lǐng)域的儲(chǔ)氫瓶制造。左圖:長(zhǎng)度3200毫米,外直徑1500毫米,容積4800升,壓力30巴。右圖:長(zhǎng)度7000毫米,外直徑473毫米。圖片來(lái)源STELIA航宇復(fù)合材料公司。
大型儲(chǔ)氫瓶可以實(shí)現(xiàn)大于700巴的壓力么?布洛伊斯:最高可以實(shí)現(xiàn)1000巴的壓力,復(fù)合材料瓶壁的厚度和儲(chǔ)氫瓶的壓力承受能力直接有關(guān),同時(shí)也決定了儲(chǔ)氫瓶的直徑。目前的限制在于,儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)外壁超過(guò)一定的厚度,復(fù)合材料的性能表現(xiàn)就會(huì)隨著厚度的增加而變差。壓縮氣體氫氣和液態(tài)氫在航空上的應(yīng)用如何?布洛伊斯:由于飛機(jī)需要大量的氫氣,高密度的低溫氣體比常規(guī)壓縮氣體更有吸引力。但是,氣體在儲(chǔ)氫瓶中很難長(zhǎng)時(shí)間保持在-233°C至-193°C的溫度范圍內(nèi)。所以仍然有必要研制技術(shù)解決方案。是否有機(jī)會(huì)在儲(chǔ)氫瓶中使用熱塑性復(fù)合材料?布洛伊斯:未來(lái)船只的儲(chǔ)氫瓶有應(yīng)用可能,但現(xiàn)在還不是時(shí)候,對(duì)于當(dāng)今普遍的700巴船只儲(chǔ)氫瓶,使用熱塑性復(fù)合材料顯得有些大材小用了。然而,熱塑性襯里(應(yīng)用于IV型儲(chǔ)氫瓶)的技術(shù)確實(shí)是提升儲(chǔ)氫瓶性能的關(guān)鍵,在未來(lái),全球熱塑性儲(chǔ)氫瓶的大范圍應(yīng)用,有望提高可回收性和可持續(xù)性。<section data-darkmode-bgcolor-16275189099639="rgb(25, 25, 25)" data-darkmode-original-bgcolor-16275189099639="#fff|rgb(255,255,255)" data-style="background: white; margin-bottom: 10px;" class="js_darkmode__98" styl