STELIA Aerospace Composites 推进氢存储

连续波 读者将通过我们在 ARCHES TP 项目中对其热塑性复合材料机身演示器的报道以及我在 2019 年参观 Méaulte 工厂了解 STELIA Aerospace（法国图卢兹）。然而，该公司拥有深厚的复合材料专业知识库，涵盖多个领域位置、零件和工艺。 STELIA Aerospace Composites (Salaunes, France) 位于波尔多郊外。该工厂拥有 330 名员工，拥有 40,000 平方米的厂房和自己的综合测试实验室。它还包括三个核心业务部门：飞机结构、飞机客舱部件和纤维缠绕储气系统。后者可用于从氧气到氮气到氢气的任何事物，并且已成为核心业务部门超过 35 年。

STELIA Aerospace Composites 成立于 1984 年，是 Aerospatiale 的一部分。自 1985 年以来，这家位于 Salaunes 的工厂已经为各种应用生产了 70,000 多个复合材料外包装（II、III 和 IV 型）高压罐。该公司的储氢工作始于 1998 年，当时为法国替代能源和原子能委员会（CEA，巴黎）开发了 9 升/700 巴的储氢罐。 STELIA Aerospace Composites 还与法国汽车制造商 Groupe PSA（巴黎）——现在与菲亚特克莱斯勒合并成立 Stellantis——以及全球工业气体公司 Air Liquide（法国巴黎）合作。它还与汽车一级供应商佛吉亚（法国南泰尔）合作，该供应商旨在成为燃料电池汽车系统的领导者。

“STELIA Aerospace Composites 在加压气体存储领域享有盛誉，”STELIA Aerospace Composites 首席技术官 Christophe Blois 说。 “但是现在，随着所有不同的绿色飞机公告以及法国和欧盟政府支持向零排放经济的过渡，我们有越来越多的公司与我们联系。”

在航空坦克方面的经验

作为 STELIA Aerospace 的子公司，STELIA Aerospace Composites 的大部分制造经验都与用于航空航天和国防应用的压力容器有关。 Blois 说：“我们拥有可容纳高达 5,000 升罐的工业纤维缠绕能力，并且专注于罐的完整设计，以满足客户的技术需求。这包括尺寸、材料测试和选择以及有限元分析 (FEA) 建模，以及资格测试（例如压力循环和爆破）和认证活动的监控，以满足各种行业标准和法规。”

他指出，在不到 18 个月的时间里，STELIA Aerospace Composites 就完成了一项重要的卫星坦克应用的设计，符合航天工业的资质标准，并充分优化了生产成本。 “我们对其进行了认证、工业化，现在我们正在完成四个制造系列。”

推进氢气罐

STELIA Aerospace Composites 已生产用于储氢的复合罐，其储氢量范围为 2.4 至 143 升，压力为 100 至 700 巴。 “我们是坦克设计的领导者，我们有一个非常大的生态系统与之合作，”Blois 说。

2016 年 11 月，STELIA Aerospace Composites 宣布已开发出一种新的 140 升碳纤维/环氧树脂复合材料储氢罐，旨在提高燃料电池电动汽车 (FCEV) 的续航里程。这与 2021 年丰田 Mirai 中储存的氢气量大致相同 和本田Clarity FCEVs，如图 1 中的表格所示。然而，只有 Clarity 使用单个水箱。目前正在生产的另外两款 FCEV - Mirai 和现代 Nexo — 都使用三个坦克。

佛吉亚在 2017 年 5 月的新闻稿中宣布，它已从 STELIA Aerospace Composites 获得有关复合氢罐的知识产权和工艺技术的独家许可。 2018年4月，两家公司在巴黎Hyvolution活动上共同展示了一款尖端的储氢罐原型。佛吉亚解释说，它的目标是成为燃料电池技术的领导者，预计到 2035 年将有 500 万辆 FCEV 投入运营。

正如我在 2021 年 SAMPE 论文“氢动力汽车中碳纤维使用的预计增长率”中与合著者 Mike Favaloro 所解释的那样，压缩气罐的主要问题是氢气的低体积密度。即使在 700 巴的压力下，压缩气体 (CGH2) 储罐也必须大于液态氢 (LH2) 储罐。例如，5公斤氢气gas 可以在 700 bar 和环境温度下储存在 125 升的罐中，同时 5 公斤的液体 氢气可以在环境压力和 -252.87°C 的低温条件下储存在 75 升的罐中（来源：Air Liquide 的“氢气是如何储存的？”）。这就是为什么航空业将 LH2 用于飞机，以及为什么汽车制造商正在寻求解决 CGH2 储罐的空间和重量问题的原因。此外，不同汽车和卡车制造商需要更高的压力和更大的尺寸来满足所需的车辆范围，增加了所需的碳纤维增强复合材料的数量，从而增加了油箱成本。

查看上图和表格，佛吉亚开发的 69 升油箱的质量分数高于目前生产的三款 2021 FCEV 汽车。注意：质量分数 是氢气质量与储罐系统质量的比值，也称为存储效率。唯一比佛吉亚报告的存储效率更高的系统是由 BMW 开发并于 2012 年至 2015 年报告的原型低温压缩 (CcH2) 储罐/CGH2 储罐组合。那个系统——目前不是 可用于生产车辆——是 LH2 和 CGH2 系统之间的混合体。通过使用低温（例如，233°C 至 -193°C）和压力（例如，350 bar），宝马声称可以消除传统 LH2 罐中的蒸发问题，同时实现远高于 CGH2 的存储密度和甚至 LH2 系统。

对未来氢气罐发展的讨论

作为 STELIA Aerospace Composites 的首席技术官，Blois 已经在公司工作了 30 年。我向他询问了他的公司与液化空气集团的合作情况，以及这家全球工业气体公司是否会认真开发复合材料储罐。 “他们对氢气的复合材料罐很感兴趣，我们已经与他们合作过，”他说。 “总的来说，复合材料实际上仅用于移动系统，因为车辆行驶里程需要大量氢气，并且需要通过减轻重量来扩大行驶里程。对于固定应用，复合材料解决方案没有太大兴趣。” Blois 还指出，大多数固定式储氢应用在较低压力下运行。 “如果您在 700 bar 的压力下工作，复合罐是有意义的，但如果您在高达 200 bar 的压力下工作，则没有意义。为此，您可以使用金属罐。”

大型储罐可以使用大于 700 巴的压力吗？ “可以考虑高达 1,000 bar 的压力，”Blois 说。 “储罐中复合壁的厚度与使用压力和储罐直径直接相关。目前，罐壁厚度存在限制，超过该限制，复合材料的性能就会下降。”

在航空中使用液态氢还是压缩气态氢呢？ “由于飞机需要大量氢气，因此密度更高的低温气体比压缩气体更有趣，”布卢瓦说。 “但是，很难在储罐中长时间保持 40°K 至 80°K [-233°C 至 -193°C] 的温度。技术解决方案还需要继续努力。”

是否有机会在氢气罐中使用热塑性复合材料？ “对于未来坦克中的船只结构，但不适用于今天，”布卢瓦说。 “对于当今大规模的 700 bar 储罐，使用热塑性复合材料并在储罐中实现性能效率不高。然而，热塑性内衬技术（用于 IV 型储罐）确实是储罐性能的关键，未来，全球热塑性储罐可能能够提高可回收性和可持续性。”

您认为未来五到十年复合储氢罐的市场在哪里？ “在前五年，我们认为氢气储罐的工作将继续进行，我们还有很多功课要做，”布卢瓦说。 “知道现在正在使用氢气存储在飞机上进行第一次测试，需要一些时间来开发必要的技术并在液态氢存储方面达到​​成熟，但这应该可以在几年内实现。”

STELIA Aerospace Composites 将在哪些方面继续努力推进储氢？ “我们的重点是航空和航天，”布洛瓦说，“但我们愿意讨论，我们感到非常有责任帮助向零排放过渡。我们还能够开始高压（700 巴）罐的中期批量生产，并继续评估所有机会。”