先进碳纤维压力容器：优化氢储存助力可持续未来

氢气作为无CO₂化石燃料替代品已展望数十年，碳纤维增强塑料（CFRP）压力容器用于氢储存的增长确实持续上升。但2020年氢能成为强制指令，欧盟委员会（EC）将其列为实现欧洲绿色协议、到2050年实现可持续经济和气候中性欧盟的关键优先事项。航空氢能关键事件包括：

• 2020年5月 — Clean Sky 2与燃料电池和氢能联合事业（FCH JU）发布《氢动力航空》，详述短程（85-165座）氢动力飞机如何在2030-2035年实现服役入役（EIS）。
• 2020年6月 — 法国170亿欧元疫情救助计划挂钩《氢动力航空》报告目标；法航承诺2024年前国内航班CO₂排放减半。
• 2020年7月 — EC发布《面向气候中性欧洲的氢能战略》，呼吁投资650亿欧元用于氢运输、分配、储存和加氢站，列出支持政策和融资机制，包括清洁氢伙伴关系和ETS创新基金（2020-2030年100亿欧元）。
• 2020年7月 — 空客CEO Guillaume Faury在接受《Aviation Week》编辑Graham Warwick采访时承诺首款脱碳飞机2035年服役入役；预测2027-28年启动项目，2025年成熟必要技术。
• 2020年7月 — ZeroAvia（美国加州Hollister）完成单发六座Piper飞机改装压缩氢（H₂）气体试飞，并按路线图揭晓美国境内针对类似改装双涡桨19座Dornier Do 228的飞行测试，目标2023年认证20座、H₂动力、航程500英里飞机。
• 2020年8月 — Universal Hydrogen（美国加州洛杉矶）宣布50座飞机双罐模块，加氢物流和基础设施面向支线航空公司/运营商，目标2024年商业化。

无论哪个行业，氢作为燃料的可行性取决于多种运输、交付和储存技术的快速发展，这些技术虽年轻但演进迅速。商业化并不简单，但正在推进。以下总结部分工作。

Universal Hydrogen

Universal Hydrogen由Paul Eremenko于2020年共同创立，他曾任空客SE（荷兰莱顿）和联合技术公司（美国康涅狄格州Farmington）CTO。其目标是通过提供氢燃料基础设施助力向氢动力航空过渡。关键组件之一是燃料模块，包含碳纤维增强聚合物（CFRP）框架内的双H₂储罐。“我们将按需向现场供应模块，无需氢储存基础设施，”Universal Hydrogen首席技术官J.P. Clarke解释。“模块像电池或厨房物资一样直接装进飞机。”

图片来源：Universal Hydrogen

模块首先为50座Dash 8和ATR涡桨支线飞机开发。模块采用长7英尺、直径3英尺罐体，使用碳纤维在850 bar储存H₂气体达50 kg/m³密度，或用绝缘金属罐在标准压温下储存液氢（LH₂）达71 kg/m³密度。尽管LH₂罐体积效率更高，但绝缘非冷却罐必须在42小时内用完，因LH₂若不保持-253°C会汽化。“两种罐体均置于轻量化、结构优化的复合材料框架内，还提供抗冲击和一定承载能力，”Clarke说。

H₂气体罐包含不渗透聚合物内衬，外缠干碳纤维编织层和芳纶凯夫拉纤维保护外层。“无需树脂，”Clarke解释。“内衬解决渗透性，碳纤维承担环向和轴向载荷，外层加框架防损伤；从而减轻重量和厚度。这种集成罐架设计，结合功能映射到各罐层，使我们在质量分数上获得显著改进。”

质量分数=储存氢质量/整个模块质量，分数越大越好。“我们在Dash 8和ATR背景下对质量分数和体积效率做了非常广泛的权衡研究，”Clarke指出。“涉及燃料体积重量与飞机可容纳空间、可达航程和最大起飞重量、重量分布等。850 bar气态H₂可飞约400海里（含45分钟储备），LH₂罐约550海里。但涡桨任务平均航段约300海里，绝大多数航班可用CFRP罐气态H₂系统完成。”

Universal Hydrogen会与复合罐制造商合作吗？“我们的策略是合理处合作，专注核心业务，”Clarke说。他重申重点：“我们要做燃料和基础设施提供商。提供模块，送达所需地点，让合作伙伴专注飞机其余设计和运营。目标是成为氢动力航空的赋能者。”

SpaceTech4Sea

航运业也面临减少CO₂及其他温室气体（GHG）排放法规。2018年1月起，在欧洲经济区（EEA）港口装卸货物或旅客的5000总吨以上船舶必须监测报告CO₂排放。更进一步，作为MARPOL公约减少船舶污染一部分，国际海事组织（IMO）强制2020年1月起燃油硫含量从3.50% m/m降至0.50%。IMO还承诺初步GHG战略，追求2050年较2008年减排50%。

“最初合规的最佳可能性是转向液化天然气（LNG），”Ocean Finance（希腊雅典）董事总经理、推动海洋可持续发展的咨询公司、EC项目SuperGreen和SpaceTech4Sea协调员Dr. Panayotis Zacharioudakis说。SuperGreen将在希腊建立可持续绿色运输系统，含电动通勤船和两艘混合LNG/电动双体船，连接比雷埃夫斯港与东地中海网络其他港口。“该项目我们在建CFRP高速渡轮，”Zacharioudakis解释。“若用最先进金属LNG罐，重达七公吨，相当于70多名乘客（含行李按100公斤/人）。乘客容量得减70。”

为何额外重量？“相比柴油，LNG必须在-163°C极低温储存，金属罐须用满足IMO气体燃料要求（IGF规范）的材料、结构、绝缘和操作系统，”Zacharioudakis说。Ocean Finance无法接受额外重量，开始研究解决方案，发现Cimarron Composites（美国阿拉巴马Huntsville）与NASA合作开发的低温罐报告。

“这时我们启动EASME（欧洲中小企业局）SpaceTech4Sea项目，”Zacharioudakis说。“思路是改造航天技术用于海洋应用。”第三合作伙伴是船级社美国船级社（ABS，美国德州休斯顿），负责验证认证技术。2019年9月，ABS原则批准（AIP）Cimarron超轻低温复合LNG罐概念设计。此后建造测试亚全尺和全尺寸罐体认证。“刚刚完成最后测试，”Zacharioudakis说。“再过两个多月，我们将获得海洋市场复合LNG罐全认证。该罐较常规金属罐减重超85%。”

罐体大多细节专有，Cimarron Composites创始人兼总裁Tom DeLay称其采用碳纤维和先进热固性树脂，用部分树脂注射和湿法缠绕。“测试过25英寸和40英寸直径罐，正与SuperGreen的CFRP渡轮建造商商谈5立方米[5000升]容量罐，可用直径2米、长2.5米罐实现。”Ocean Finance看到千罐以上市场，将与Cimarron建立自动化生产，可能在希腊。

氢能如何？“即使完成LNG项目，我们也开始看氢，”Zacharioudakis指出。“欧洲有如此多兴趣、活动和资金。但海规要求罐体提供长达15天LNG保持时间，LH₂同理。”DeLay承认开发LH₂（-253°C）低温罐比LNG（-196°C）难得多；挑战包括找到抗脆化开裂材料。他正与Ocean Finance完成权衡研究，考察液态与气态H₂用于海洋船舶的技术经济因素。

用于H₂气体的Neptune罐

值得注意的是，Cimarron Composites已开发IV型CFRP罐用于氢气等高压储存。“我们最初的Jupiter罐为大多数工业气体（含氢）运输开发，压力4350 psi[300 bar]，”DeLay说。“氢在更高压力下运输更有效，因此开发7500 psi[517 bar] Neptune罐。”

Jupiter和Neptune罐均通过UN ISO 11515诸多测试，提供多种直径和长达26英尺规格。“这些罐为卡车、铁路或船舶标准模块运输开发，”Delay注。“我们发现30英寸直径装箱效率理想，能比大直径钢瓶运更多氢。19英尺长可装9罐进标准20英尺集装箱。每罐67公斤氢气，20英尺箱运600公斤，标准40英尺箱运1200公斤。”

“我们从所有主流供应商采购碳纤维，包括Toray（日本东京）、Mitsubishi Rayon（东京）、Teijin（美国田纳西Rockwood）和Hyosung（韩国首尔），”DeLay补充，“但Neptune罐我们同时认证了三家不同供应商。我们用商业产品自行配制树脂，极严格控制纤维树脂含量、缠绕张力和烘箱固化周期以防热应力。所有这些提升罐体力学性能。”

无论需求是低温液态储存还是高压气态储存，DeLay看好机会增长。“开发专业知识耗费数年，”他说，“从火箭燃料罐起步，到现在开发生产的大型储运罐。一年前我对氢持怀疑，以为仅是政府推动。但现在收到大量订单和各类询价。全球广泛行业正认真投资氢能，政府支持发展。看来我们在正确时间拥有正确产品。”