复合材料压力容器市场正在快速增长，目前主要由储氢需求主导。
高压储气罐是先进复合材料的最大和增长最快的市场之一，尤其是缠绕碳纤维复合材料。主要终端市场是储存液态丙烷气（LPG- liquid propane gas ）、压缩天然气（CNG- compressed natural gas）、可再生天然气（RNG- renewable natural gas）和氢气（H2）。虽然液化石油气储罐可以用于车辆，但发展中国家的烹饪和供暖市场也在不断增长。 CNG、RNG 和 H2 燃料系统越来越多地用于乘用车、公共汽车、卡车和其他车辆，或用于散装运输/配送（也称为移动管道），以供应加油站或工业场地。在汽车中，这些燃料储罐是汽油、柴油和喷气燃料的清洁替代品的减少或零排放动力系统的关键部件。这些动力系统还为电池驱动的车辆提供了一种无充电的替代方案，其加油基础设施和加油时间与化石燃料类似。
压力容器分为五种类型：
I型：全金属结构，一般为钢结构。
II型：主要是金属，在环向上有一些纤维外包装，主要是钢或铝，带有玻璃纤维复合材料；金属容器和复合材料共享大约相等的结构载荷。
III型：金属内衬，带全复合材料外包装，通常为铝，带碳纤维复合材料；复合材料承载结构载荷。
IV型：全复合结构，聚合物——通常是聚酰胺（PA）或高密度聚乙烯（HDPE）内衬，带有碳纤维或碳/玻璃纤维复合材料；复合材料承载所有的结构载荷。
V型：无衬里，全复合结构。
从历史上看，I 型储罐占据了 90%以上的市场份额。然而，随着使用复合材料减轻重量和提高压缩气体储存效率的 III 型和 IV 型容器的销量增加，这种情况开始发生变化。V 型仍处于萌芽阶段，主要用于太空应用，但随着新太空产业的发展，它是一个值得关注的领域。
市场驱动因素和增长
该市场的主要驱动力是，全球越来越致力于通过从化石燃料转向可再生、低排放燃料（如 CNG、RNG 和 H2）来减少气候变化的影响，目标是到 2050 年实现零排放。根据国际能源署的说法：“根据新的报告《到 2050 年实现净零排放：全球能源部门路线图》，各国政府迄今为止的气候承诺——即使完全实现——也远远达不到到到 2050 年将全球能源相关二氧化碳（CO2）排放量降至净零的要求，并使世界有机会将全球气温上升限制在 1.5°C。”
请注意，除上述承诺外，美国康涅狄格州、马里兰州、马萨诸塞州、新泽西州、纽约州、俄勒冈州、罗德岛州、佛蒙特州和华盛顿州已承诺到 2050 年不再生产新的化石燃料乘用车，这些州加上加利福尼亚州、科罗拉多州、夏威夷州、缅因州、北卡罗来纳州、宾夕法尼亚州和哥伦比亚特区将从 2050 年起禁止新的化石燃料中型和重型汽车销售。
新兴氢经济
压力容器市场发展最快的领域是储氢。疫情过后，北美、欧洲和中国对减少移动应用中的碳排放重新产生了浓厚的监管兴趣。在美国，大部分脱碳工作都是由加利福尼亚州推动的，该州制定了到 2035 年禁止销售燃气汽车的政策。这一努力和其他努力导致汽车和卡车制造商公开努力推出新的电池电动汽车（BEV- battery-electric vehicles ）系列。
然而，纯电动汽车也面临着自身的挑战，即难以获得电池所需的一些稀土金属、电池充电时间长以及缺乏加油基础设施。拜登政府的《基础设施投资和就业法案》将在一定程度上解决后者的问题，该法案在未来十年提供 1 万亿美元的公共基础设施投资。
电池充电技术发展迅速，只会变得越来越容易和更快，但金属资源的挑战并不容易解决。正因为如此，运输业的一些部门已经转向氢燃料电池（HFC-hydrogen fuel cell）系统，将其作为一种更可持续的替代方案。
氢燃料电池（HFC）有几个优点。首先，它们可以在加氢站（HFS- refueled at hydrogen refueling stations）使用与加油站非常相似的泵和喷嘴技术进行加油。其次，氢燃料电池（HFC）工艺的唯一排放物是水。第三，氢气最终可以使用被称为“绿色”氢气的尽量减少碳化的方法来生产。
尽管绿色氢技术仍在开发中，但其可行性有助于氢燃料电池（HFC）经济的快速扩张，特别是在轻型、中型和重型卡车中；车队车辆；公共汽车；列车；船舶；以及一些乘用车。预计航空航天也将采用氢气作为燃烧燃料。
这种市场扩张增加了对氢气储存和分配的需求。与汽油一样，氢气的储存主要在车上进行，并通过一系列碳纤维/环氧树脂外包装的压力容器实现。车辆越大，需要的压力容器就越多。分配主要通过在牵引拖车上的多个复合压力容器中运输氢气来实现。
氢的能量密度，以质量为基础，几乎是汽油的三倍。然而，在体积基础上，情况发生了逆转——汽油的能量密度是氢气的四倍。因此，氢最好以液体形式储存，以最大限度地提高其能量密度。但是，将氢气作为液体储存需要低温，这并不容易或廉价实现。因此，就目前而言，氢气作为气体最有效地储存，通常在 350-700 巴的范围内压缩。
氢燃料电池汽车（HFCV-hydrogen fuel cell vehicle ）的续航里程取决于它可以储存的氢气的总质量，质量容量取决于压力容器的大小和气体的压力。例如，2022 款丰田 Mirai HFCV 有三个 142 升的 IV 型油箱，每个油箱的最大额定压力为 700 巴，氢气质量容量为 5.6 公斤。每辆车的总氢容量为 16.8 公斤，续航里程为 360英里。卡车、公共汽车和其他大型车辆上的储氢罐更大，储氢罐的数量也更大。
压力容器经济性
碳纤维/环氧树脂压力容器采用湿法或丝束预浸纤维缠绕制造。这里的好消息是，细丝缠绕可以相对容易地实现自动化，因此提高生产能力将是非常容易的。坏消息是，氢气压力容器所需的碳纤维类型相对昂贵，目前生产量不适合需求。
氢压力容器的碳纤维选择是 Toray Composite Materials America（美国华盛顿州塔科马市）的 T700S，这是一种标准模量（SM）纤维，具有特别高的平移性能。所有主要的碳纤维制造商都提供类似的碳纤维，包括 Hexcel（美国康涅狄格州斯坦福德市）、三菱集团（日本东京）、帝人（日本东京市）、SGL carbon（德国威斯巴登）等。
每个储罐的碳纤维使用量取决于储罐的容量及其额定压力，但一个好的经验法则是，在 700 巴下储存的每 1 公斤氢气需要 10 公斤碳纤维。因此，一个在700 巴下容纳 5 公斤氢气的储罐需要 50 公斤碳纤维。
这个市场的最终挑战可能是可靠的碳纤维供应。目前有九家主要的储氢碳纤维压力容器制造商：Faurecia、韩华 Cimmaron、Hexagon Composites、HexagonPurus、 Iljin Hysolus、NPROXX、Plastic Omnium、Toyota 和 Toyoda Gosei。所有项目都在未来五年内进行不同程度的储罐生产扩张。据估计，到 2025 年，储氢市场的总市场可能接近 50 万个碳纤维复合材料储罐。满足这个市场的需求可能是一个挑战。
碳纤维制造是资本密集型且昂贵的，一条碳纤维生产线需要投资约 1 亿美元，建设时间为两年。正因为如此，碳纤维生产商不愿在没有令人信服的商业理由的情况下投资新产能。在某些情况下，在需求高的情况下，碳纤维客户需要做出合同承诺，以证明碳纤维生产企业的成本合理。
氢气市场正处于快速成熟的早期阶段，因此碳纤维制造商将如何应对储罐生产商发出的需求信号还有待观察。当然，碳纤维制造商还有其他市场需要监 控，包括风能、航空航天和汽车，所有这些都在施加自己的需求压力。
注：原文见《 Composites end markets: Pressure vessels (2023) 》2023.1.11.
杨超凡 2023.8.30
本文经译者同意发布
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