STELIA Aerospace Composites创新氢储存技术

CW读者熟悉STELIA Aerospace（法国图卢兹），源于我们对其ARCHES TP项目热塑性复合材料机身演示件的报道，及我2019年对Méaulte工厂的参观。然而公司拥有跨多地点、多部件、多工艺的深厚复合材料专长。STELIA Aerospace Composites（法国萨洛内）位于波尔多郊外。该基地雇员330人，拥有4万平方米车间及自有集成测试实验室。其包含三大核心业务板块：航空结构、飞机客舱部件和绕丝气体储存系统。后者可用于氧气、氮气到氢气，为核心业务超35年。

STELIA Aerospace Composites成立于1984年，隶属Aerospatiale。自1985年起，萨洛内工厂已生产7万余个复合材料缠绕（II、III、IV型）高压罐，用于多种应用。公司氢储存工作始于1998年，为法国替代能源与原子能委员会（CEA，巴黎）开发9升/700 bar罐体。STELIA Aerospace Composites还与法国车企Groupe PSA（巴黎）——现与菲亚特克莱斯勒合并为Stellantis——及全球工业气体公司Air Liquide（法国巴黎）合作。也与汽车一级供应商Faurecia（法国南特尔）合作，后者致力成为燃料电池车辆系统领导者。

"STELIA Aerospace Composites在加压气体储存领域享誉业内，"STELIA Aerospace Composites首席技术官Christophe Blois表示。"但现在，随着各类绿色飞机宣布及法、欧政府支持零排放经济转型，联系我们的公司越来越多。"

航空航天罐体经验

作为STELIA Aerospace子公司，STELIA Aerospace Composites大多制造经验来自航空航天和国防应用的压力容器。"我们拥高达5000升罐体的工业绕丝产能，"Blois说，"专精于针对客户技术需求的完整罐体设计。这包括尺寸确定、材料测试选择、有限元分析（FEA）建模，以及资格测试（如压力循环和爆破）和认证活动监控，满足各行业标准法规。"

他指出，18个月内，STELIA Aerospace Composites完成重要卫星罐体应用设计，符合航天工业资格标准并全面优化生产成本。"我们完成资格认证、实现产业化，现正完成四个制造系列。"

推进氢罐发展

STELIA Aerospace Composites生产的氢储存复合罐体积范围2.4-143升，压力100-700 bar。"我们是罐体设计领导者，拥有庞大合作生态系统，"Blois说。

2016年11月，STELIA Aerospace Composites宣布开发新型140升碳纤维/环氧复合储氢罐，旨在提升燃料电池电动车（FCEV）续航。这大致相当于2021款丰田Mirai和本田Clarity FCEV的储氢量，如图1表所示。但仅Clarity使用单罐。另外两款量产FCEV——Mirai和现代Nexo——均采用三罐。

Faurecia于2017年5月新闻稿宣布，已从STELIA Aerospace Composites独家获得复合氢储罐知识产权和工艺诀窍许可。2018年4月，双方在巴黎Hyvolution活动联合展示前沿氢储罐原型。Faurecia称旨成燃料电池技术领导者，预测2035年将有500万FCEV运行。

正如我与合著者Mike Favaloro在2021年SAMPE论文"氢动力汽车碳纤维用量预测增长率"中所述，压缩气体罐主要问题在于氢气体积密度低。即使700 bar，压缩气态氢（CGH₂)罐仍须大于液态氢（LH₂)罐。例如，5公斤氢气需125升罐在700 bar常温储存，而5公斤液态氢仅需75升罐在常压-252.87°C储存（来源：Air Liquide"氢如何储存？"）。这也是航空业关注LH₂用于飞机、车企寻求解决CGH₂罐空间重量问题的原因。更高压力和大尺寸满足不同车企续航需求，增加碳纤维增强复合材料用量，推高罐体成本。

观察上述图表，Faurecia开发的69升罐实现比三款2021量产FCEV更高质量分数。注：质量分数为氢气质量与罐体系统质量之比，亦称储存效率。唯一报告储存效率高于Faurecia的是BMW 2012-2015年报道的原型低温压缩（CcH₂）/CGH₂罐组合系统。该系统——目前不用于量产车——是LH₂和CGH₂系统的混合体。利用低温（如-233°C至-193°C）加压力（如350 bar），BMW声称可消除传统LH₂罐沸腾问题，实现远超CGH₂甚至LH₂系统的储存密度。

未来H₂罐发展讨论

作为STELIA Aerospace Composites首席技术官，Blois在公司30年。我询问其与Air Liquide合作情况，全球工业气体巨头是否认真开发复合储罐。"他们对复合氢罐感兴趣，我们合作过，"他表示。"总体而言，复合材料主要用于移动系统，因车辆续航需大量氢气且推动减重延长续航。固定应用鲜有复合解决方案兴趣。"Blois也指出大多固定氢储存应用工作压力较低。"复合罐适合700 bar，但不适合200 bar以内压力。那种压力可用金属罐。"

大型罐能否用超700 bar压力？ "可考虑高达1000 bar，"Blois说。"罐体复合壁厚度直接关联服役压力和罐径。目前罐壁厚度有极限，超出则复合材料性能下降。"

航空用液氢还是压缩气态氢？ "因飞机需氢量巨大，低温气体高密度比压缩气体更有吸引力，"Blois说。"但长时间在罐内维持40-80K [-233°C至-193°C]极具挑战，仍需技术攻关。"

氢罐有机会用热塑性复合材料？ "未来罐体结构可用，但目前不行，"Blois说。"大规模700 bar罐体今用热塑性复合材料难高效达标。但热塑性内衬（IV型罐）技术确实是罐体性能关键，未来全热塑性罐或可提升可回收性和可持续性。"

未来5-10年复合氢储罐市场前景？ "前五年将继续研发氢气储罐，我们仍有大量功课，"Blois说。"知悉飞机氢气储存首测正进行，液氢储存技术成熟还需数年。"

STELIA Aerospace Composites将在哪些领域持续推进氢储存？ "核心聚焦航空航天，"Blois说，"但我们开放合作，对零排放转型深感责任。我们也具备中批量700 bar高压罐生产能力，持续评估所有机遇。"