四川星浩宇复合材料有限公司
SICHUAN XINGHAOYU COMPOSITE MATERIALS CO., LTD
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高压气体储存容器是先进复合材料，特别是碳纤维缠绕复合材料的最大和增长最快的市场之一。它的主要终端市场用于储存液化丙烷气（LPG）、压缩天然气（CNG）、可再生天然气（RNG）和氢气（H2）。尽管液化石油气罐可用于汽车，但在发展中国家，烹饪和取暖市场也在不断扩大。 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），以供应加气站或工业场地。在车辆中，这些燃料储罐是减少或零排放动力系统的关键部件，是汽油、柴油和喷气燃料的清洁替代品。这些动力系统还为电池驱动车辆提供了一种无需充电的替代方案，该加气基础设施和加注时间与化石燃料类似。按照结构原料，压力容器主要分为以下五种类型：I型：全金属结构，一般为钢结构；II型：主要是金属结构，并在环向包覆一定玻璃纤维复合材料，其中金属主要是钢或铝，而金属容器和复合材料分担的结构载荷大致相等。III型：金属衬里带有完整的复合材料外包装，通常是铝，带有碳纤维复合材料；其中碳纤维复合材料承受结构载荷。IV型：全复合结构聚合物（通常为高密度聚乙烯或HDPE）衬里，碳纤维或碳/玻璃纤维混合复合材料；复合材料承担所有结构载荷。V型：无衬里，全复合材料结构。从历史上看，I型瓶占据了90%以上的市场份额。然而，随着使用复合材料减轻重量并提高压缩气体储存效率的III型和IV型容器的销售增加，这种情况开始发生变化。V型仍处于起步阶段，主要用于空间应用，但随着新空间产业的发展，V型是一个值得关注的领域。如2020年4月，美国Infinite Composites Technologies（ICT）公司开发了一个球形V型低温罐，用于在火箭驱动的空间运载火箭上储存低温液体推进剂。无衬里碳纤维/环氧树脂 Cryosphere 是通过纤维缠绕和工业烘箱固化制造的。市场驱动因素和增长压力容器市场的主要驱动力是全球越来越多地致力于减少气候变化的影响，从化石燃料转向可再生、减排燃料（如CNG、RNG和H2），目标是到2050年实现零排放。据国际能源机构称：根据新的报告，各国政府迄今为止做出的气候承诺即使完全实现，也将远远低于到2050年使全球与能源有关的二氧化碳（CO2）排放量降至零的要求，并使世界有机会将全球温升限制在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承诺到2050年不再生产新的化石燃料乘用车，这些州以及加利福尼亚州、科罗拉多州、夏威夷州、缅因州、北卡罗来纳州、俄勒冈州、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板块是储氢。疫情过后，北美、欧洲和中国在减少交通应用中的碳排放方面重新燃起了监管兴趣。在美国，大部分脱碳工作都是由加利福尼亚州推动的，该州已制定了相关政策，计划到2035年禁止销售燃气汽车。这一举措和其他努力导致汽车和卡车制造商公开地推出新的电池电动汽车（BEV）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公共基础设施。后者将在拜登政府的《基础设施投资和就业法案》(Infrastructure Investment and Jobs Act)中得到部分解决，该法案在未来十年提供1万亿美元的公共基础设施投资。电池充电技术正在快速发展，而且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，运输行业的一些部门已经转向氢燃料电池（HFC）系统，将其作为更可持续的替代方案。氢氟碳化合物有几个优点，首先，它们可以在加氢站（HFS）使用，加氢站的泵和喷嘴技术与加油站的非常相似；第二，HFC工艺的唯一排放物是水；第三，最终可以使用最小化碳化的方法生产氢，即“绿色”氢。虽然绿色氢技术仍在开发中，但其可行性正在帮助氢氟碳化合物经济的快速发展，特别是在轻型、中型和重型卡车、公共汽车、火车、船舶，以及一些客运车辆；航空航天也有望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辆上完成，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，需要的压力容器越多。氢气的分配主要通过在牵引车拖车上的多个复合压力容器中运输来实现。 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，情况正好相反，汽油的能量密度是氢气的四倍。因此，氢气最好以液体形式储存，以使其能量密度最大化。但将氢作为液体储存需要低温，这并不容易实现，也不便宜。因此，目前，氢气以气体的形式储存是最有效的，通常在350-700巴范围内压缩使用。氢燃料电池汽车（HFCV）的续航里程取决于它能储存氢气的总质量，而质量容量则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IV型储罐，每个储罐的最大压力额定值为700巴，氢气质量容量为5.6千克。每辆车的总氢气容量为16.8千克，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，储罐数量也更大氢气通常通过多元气体容器（MEGC）运输，该容器由多个碳纤维复合材料压力容器组成，这些压力容器组合在金属笼中并装载到卡车上，最大的MEGC有多达81个储罐压力容器经济性碳纤维/环氧树脂压力容器采用湿法或预浸纤维缠绕制造。好消息是，纤维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，氢压力容器所需的碳纤维类型相对昂贵，目前还没有适合需求的批量生产。氢压力容器选用的碳纤维是美国东丽复合材料公司（(Toray Composite Materials America）的T700S，这是一种标准模量（SM）纤维，所有主要碳纤维制造商都提供类似的碳纤维，包括美国Hexcel、日本三菱Mitsubishi Group、日本帝人Teijin、德国SGL Carbon等。每个储罐的碳纤维使用量取决于储罐的容量和额定压力，但一个很好的经验法则是，在700巴的条件下，每储存1公斤氢气需要10公斤碳纤维。因此，一个能在700巴压强下容纳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。目前有九家主要的碳纤维储氢压力容器制造商：Faurecia、Hanwha Cimmaron、Hexagon Composites、Hexagon-Purus、Iljin Hysolus、NPROXX、Plastic Omnium、Toyota和Toyoda Gosei。所有公司都计划在未来五年内不同程度地扩大储罐生产。据估计，到2025年，氢气储氢总市场可能接近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极其昂贵的，一条碳纤维生产线需要大约1亿美元的投资和两年的建设时间。正因为如此，碳纤维生产商在没有令人信服的商业理由的情况下，不愿投资新的产能。在某些情况下，当需求较高时，碳纤维客户需要作出合同承诺来证明碳纤维生产企业的成本是合理的。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仍有待观察。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。
