高压储氢的广泛市场应用

多年来，碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料通过使用碳纤维和环氧树脂包裹的塑料内衬组成的IV型储罐，为零排放燃料电池汽车提供了压缩氢气（H2）的轻质存储。虽然长期以来H2被视为一种可持续的清洁能源，但直到最近，其相关进展仍然缓慢。在composites world（CW）2020年10月的专题《氢气压力容器中的碳纤维》中，人们仍然严重怀疑期待已久的氢气经济是否会真正实现。

一年后，这种怀疑正在迅速消退。例如，2020年文章中重点介绍的Universal Hydrogen（美国加利福尼亚州洛杉矶）已与三家地区航空公司签署了意向书，以使用H2动力推进系统改造现有的涡轮螺旋桨飞机。同样值得一提的是，Cimmaron Composites（美国阿拉巴马州亨茨维尔）现已被韩华解决方案（韩国首尔）收购，并宣布在阿拉巴马州欧佩利卡新建一个1.3亿美元的生产设施。另一家复合材料罐制造商NPROXX（荷兰海尔伦），现在是与康明斯（美国印第安纳州哥伦布）的一家50/50 合资企业，康明斯公司年产1.3亿台内燃机，现已投资生产氢气的电解槽、氢气发动机、燃料电池和储罐。

根据预测IV型储罐的市场增长极其巨大。例如，IV型储罐生产的领导者Hexagon Composites（挪威阿勒松）在一月份剥离了Hexagon Purus，专注于零排放H2和电池电力系统以及存储。据估计，从2025年到2030年，储罐收入将增长630%。

然而，IV型储罐也面临着严重的问题。最值得注意的是，碳纤维的成本使这些储罐非常昂贵。另一个关键问题是存储密度。尽管压缩H2提供的能量是每质量汽油的三倍，但其每体积能量非常低，需要大型气缸来容纳储存足够燃料所需的高压。对于移动应用，与金属替代品相比，CFRP IV型储罐提供的轻质推动了它们的使用。但在固定应用中，包括加氢站，重量不是主要驱动因素。

实际上，氢气作为低温液体在-253°C下储存时具有更高的密度，当储存在-230°C和300 bar的低温压缩（CCH2）罐中时，其密度最高。据报道，与700 bar的IV型罐相比，H2增加了50%。低温罐通常是金属的，使用大量复合材料的替代品尚未得到验证，而具有IV型压缩气体罐的性能和疲劳寿命已经得到验证。Cryomotive（德国格拉斯布伦）由Tobias Brunner博士于2020年创立，目前正在根据他之前在宝马的工作开发金属CCH2储罐。

本文将探讨重型卡车和汽车用IV型储罐的开发与发展，讨论铁路和海上应用中快速发展的储罐市场，以及探讨H2加油站（H2 refueling stations，HRS）和用于配送的管式拖车的其他市场应用。

重型运输用氢气

康明斯正在与长期客户和卡车制造商Navistar（美国伊利诺伊州里斯尔）合作开发一款燃料电池驱动的Class 8车。该卡车将集成到Werner Enterprises（美国内布拉斯加州奥马哈市）7700辆的车队中，在加利福尼亚州丰塔纳的当地和地区服务中进行为期一年的试验。康明斯还开始测试氢动力内燃机（即直接燃烧氢气），并将在各种公路上和非公路应用中进行评估。在2021年6月的一次采访中，康明斯负责新动力工程的副总裁乔纳森·伍德表示，到本十年末，这些产品将接近柴油发动机的总拥有成本（TCO）。随着各国寻求实现零排放目标，未来的重型运输将由氢、燃料电池或电池供电，而不是柴油。

“在欧洲，有立法规定到2030年，卡车原始设备制造商的生产车队的二氧化碳排放量必须比2019年平均减少30%。”储罐制造商NPROXX的常务董事兼销售主管Michael Himmen说。因此，欧洲卡车生产的一部分将是氢动力驱动，并可能高达5%，未来需求可高达15000~20000辆/年。它将在2026~2027年以2000辆/年的速度开始，并稳步增长。每辆车有五到七辆IV型储罐，重型卡车可以在十年内，每年需要100000个储罐，大概需要6000吨碳纤维。这将是东丽公司目前在日本、韩国、法国和美国工厂碳纤维总产量的25%，以及韩国Hyosung2028年10条生产线计划产能的25%。

Hexagon Purus 的销售和营销总监J?rn Helge Dahl表示：“重型运输行业的速度正在加快发展。”他解释说，对于大型车辆而言，H2比电池更实用，因为电池的尺寸、重量和充电时间的增加可满足有效载荷和航程要求，但是不经济。Hexagon Purus 估计，2025年和2030年IV型储氢罐的收入分别为11亿美元和70亿美元，预计重型汽车将占最大部分（≈30%）。

轻型交通、汽车和亚洲市场

法国汽车一级供应商Faurecia（Nanterre）和Plastic Omnium（Lavallois）是IV型储罐市场的新进入者，两者的目标都是占据25~30%的市场份额。他们预测到2030年，氢动力汽车的年产量将达到200万辆，其中150万辆为轻型和乘用车（LDV和PV）。Plastic Omnium表示，H2汽车销量将在2027~2028年开始回升，但Faurecia称，其与欧洲和北美五家LDV/PV原始设备制造商的合作已经为2022年创造了销量，并初步生产了80000套氢汽车系统。Faurecia、Hexagon Purus、NPROXX和塑料Omnium都提供完整的氢燃料电池系统，包括燃料电池堆、储罐和辅助设备。Faurecia声称，燃料电池系统价值的40%在H2储罐，70%在储罐与阀门和其他部件之间（称为设备平衡，BOP）。

Plastic Omnium 指出，预计亚洲将在氢燃料电池汽车 (FCV) 销售方面处于领先地位，占据75%的市场份额，其次是欧洲的20%和北美的5%。事实上，中国和日本已经宣布了到2030年分别实现100万辆和80万辆 FCV的运行目标，而韩国则表示到 2025年将所有商用车都转换为氢燃料，目标是到2040年生产620万辆FCV。值得注意的是，这些国家都有大量的碳纤维生产。

因此，当Plastic Omnium于2019年成立其Δ-Deltatech（比利时布鲁塞尔）燃料电池和氢气储存研发中心时，它同时成立了ω-Omegatech（中国武汉）研发中心，并配备了CFRP纤维缠绕试验线和燃料系统测试实验室。武汉已被定为中国第一个“氢城市”，拥有30~100个氢燃料加气站，3~5家世界领先的氢企业，以及一个拥有100多家燃料电池汽车制造商及相关企业的氢能产业园。

与此同时，Hexagon Purus于2021年3月宣布与中集Enric（中国深圳）成立合资企业，该合资企业将首先扩大现有的III型压力容器生产，同时安装IV型储罐生产。新的IV型设施生产和建设将于2021年开始，到2025年产能将达到100000罐/年。

Iljin Composites因其2021年9月3日在韩国证券交易所KOSPI指数上的公开发行而更名为Iljin Hysolus（韩国Bongdong eup），被称为韩国唯一的复合材料储罐生产商和现代Nexo汽车的唯一供应商。据报道，Iljin还为韩国警察、地区和公交系统提供储罐，并拥有两个生产基地，一个在全北省，一个在万州。

在其他值得注意的活动中，Toyoda Gosei（日本 Inabi）为2021年的Toyota Mirai生产第三个储罐，产能为每年30000个储罐（丰田为Mirai内部生产前两辆储罐）。2021年在法国，Faurecia完成了对中国领先的储罐制造商CLD的收购，该公司在辽宁的两家工厂每年可生产30000个储罐。

根据分析公司Integral Co. 2020年12月的“中国储氢技术概述”，中国更喜欢I型和III型储罐，制造III型的公司很少。然而，需求正在增加。报告作者斯蒂芬妮·奥 (Stephanie Ao) 指出，直到最近，中国才实际上禁止了IV型坦克。可以理解的是，III型储罐仍然在中国H2车辆市场占据主导地位，尤其是对于需要35 MPa/350 bar的应用。但是，她指出70 MPa/700 bar III型储罐正处于测试验证的最终过程中。III型储罐的顶级供应商包括CLD（现为佛吉亚所有）以及Beijin Chinatank Industry、Furuise和天海工业。

铁路和公共汽车系统

康明斯在2020年与NPROXX成立50/50合资企业之前，于2019年收购了燃料电池开发商Hydrogenics（加拿大安大略省密西沙加市），据报道，Hydrogenics是机车规模燃料电池的先行者。康明斯随后于2020年宣布在德国Herten建立一家新工厂，为阿尔斯通（法国巴黎）的H2动力Coradia iLinet列车制造燃料电池系统，该列车已在德国投入使用（下萨克森州的14台机组今年开始运营，莱茵河主要地区的27台机组将于2022年投入使用）。iLint也正在奥地利和荷兰进行测试。

iLint的续航里程为1000公里，最高时速为140公里/小时，与当前的区域列车性能相匹配。它的两辆车单元使用24个IV型储罐，这些储罐安装在每辆车顶部的屋顶隔间中，该隔间内还装有燃料电池。Hexagon Composites为其原型列车提供了H2储罐，该储罐基于其416毫米直径、3128毫米长的重型储罐，在350 bar下可容纳300升/9公斤氢气。现在iLint配备了来自 NPROXX 的350 bar、500毫米直径、2200毫米长的储罐。

康明斯还与西门子（德国慕尼黑）合作，西门子在2023~2024年期间在德国多条区域线路上测试其两辆和三辆Mireo Plus H列车。与此同时，Hexagon Purus正在为Talgo（西班牙马德里）的Vittal One列车提供IV型H2储罐，该列车计划于2023年开始测试。Hexagon Purus还将向Stadler Rail（瑞士Bussnang）提供储罐，用于其在瑞士建造和测试的第一列FLIRT列车，然后在2024年转移到加利福尼亚州的圣伯纳迪诺投入使用。

在日本，丰田与日立（东京）和东日本铁路公司（东京）合作开发了一种两节车厢列车，续航里程为140公里，最高时速为100公里/小时，H2存储容量为5个700 bar，四个储物格中的每个储物格中都有51升/2公斤的储罐，总共有40公斤的H2。它将于2022年在东京郊区服务中进行测试。中国也在测试用于城市短途服务的燃料电池有轨电车。这条位于广东省佛山的示范线由中国南铁子公司四方（山东青岛）与燃料电池供应商巴拉德电力系统（加拿大本那比）合作开发，使用五辆电车，每辆电车由三辆长125公里的长途汽车组成范围和最高时速70公里/小时。每辆电车使用六个350 bar的储罐来储存104升/4公斤的压缩H2气体。

在货运列车市场，Sierra Northern Railway（美国加利福尼亚州萨克拉门托市）将在西萨克拉门托港用氢燃料电池机车取代柴油机车，该机车配备巴拉德动力系统的燃料电池和225公斤的储氢罐。该机车将于2023年开始使用，并在荷兰皇家壳牌公司（荷兰海牙）建造的新氢站加油。

巴拉德还为加拿大太平洋（卡尔加里，阿尔伯塔省）改装了一台现有的柴油电力长途货运机车，该机车将于2022年投入使用，这是其hydrail项目的第一步。改装机车的使用寿命超过50年，被视为专用液压火车的可行且经济高效的替代方案。

氢动力铁路（客运或货运）的一个显著优点是不需要对现有轨道进行改造。相比之下，英国传统电气列车的轨道（例如，悬链线和第三轨）的充电成本从每公里96.5万美元到130万美元不等。Caltrain（美国加利福尼亚州Can Carlos）2017年的一份报告指出，旧金山至圣何塞通勤线路的电气化使用22列燃料电池列车，包括建造氢气加油站（HRS）将耗资13亿美元，而22列采用架空接触网（OCS）的传统列车耗资31亿美元，节省18亿美元。

加氢站HRS

氢动力汽车和卡车的宏伟路线图将需要建造大量的HRS。由H2 stations.org于2021年2月发布的一份报告指出，2020年投入运营的HRS加氢站达到107个，是迄今为止最高的一年。2021年1月又增加了7个，目前全球运营HRS已经达到560个，并计划再增加225个。氢能委员会2021年2月相关报告估计，到2030年，需要10300个HRS才能满足燃料电池车的需求。

HRS中正在使用CFRP储罐。例如，Hexagon Composites公司（挪威阿勒松）在海牙向Resato公司（荷兰阿森公司）大型储氢站提供了储罐，而NPROXX公司则向区域公共汽车运营商RVK公司（德国科隆公司）的两个HRS提供了储罐。

氢气通过管式拖车、液罐车或管道供应至HRS，也可以使用蒸汽甲烷重整器（SMR）或电解装置在现场生成。IV型碳纤维增强塑料罐可用于管道拖车输送氢气，也可用于现场缓冲储存。

加氢站 (HRS) 组成示意图，IV型CFRP压力容器可用于管式拖车以将H2输送到站点/或用于现场缓冲储存的级联储罐

在2021年5月的CW Tech Days活动中，PowerTap Hydrogen（美国加利福尼亚州欧文市）首席运营官Kelley Owen解释说，每个PowerTap HRS将使用SMR装置从天然气中每天产生1250千克H2，以重新加注配有350 bar和700 bar储罐的FCV。PowerTap与Andretti Group合作，将在加利福尼亚州选定的Andretti Group加油站和柴油站安装HRS。

这些HRS装置必须符合当前电站的占地面积，已被汽油泵和柴油泵、便利店等占用。Owen说，PowerTap的缓冲存储器将包括两套储罐：24个中压（500 bar，20英寸直径，34英尺长）和30个高压（900 bar，16英寸直径，35英尺长），需要大约25×35英尺存储空间的轧制钢管筒。Owen解释说，之所以选择 I 型钢管，是因为IV型复合材料储罐的成本高出30~35%，将储罐成本从120万美元增加到160万美元，这将消耗每个HRS的300万美元预算的一半以上。

现场存储空间