綠色氫燃料開辟新技術(shù)和新市場

當今，世界正在努力采取行動以克服氣候危機。低排放、更環(huán)保的能源正變得越來越重要。由越來越大的風力渦輪機和更高效的太陽能電池板產(chǎn)生可再生電力的前景越來越光明。緊跟其后，另一項技術(shù)也在興起：用清潔燃燒、無排放的綠色氫應(yīng)對未來的能源需求?！熬G色氫”是指在大型電解槽中通過電解（利用可再生電力將水分離成氫和氧）產(chǎn)生的氫。在生產(chǎn)綠氫的過程中，完全沒有碳排放。

現(xiàn)在，綠氫的生產(chǎn)還處于初期階段——目前生產(chǎn)的大多數(shù)氫或者是灰氫，通過甲烷的蒸汽重整產(chǎn)生；或者是棕氫，通過煤炭的氣化產(chǎn)生?；覛浜妥貧涠疾皇橇闾嫉?。一種更新的中間技術(shù)是藍氫，它將甲烷的蒸汽重整與碳捕獲、利用和封存（CCUS）技術(shù)結(jié)合起來，極大地減少（但不是消除）碳足跡。而綠氫是純正的綠色新能源，在全球能源轉(zhuǎn)型中扮演著重要角色。

氫正在成為一種可以幫助世界實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標的燃料。氫能的興起引起了很多行業(yè)的變革，包括玻璃行業(yè)和復(fù)合材料行業(yè)。

減少玻璃熔制過程的碳排放

把氫用作玻璃熔窯燃料的技術(shù)趨勢已有很多報道。2021年6月15～16日，英國《玻璃國際》雜志舉辦了一個主題為《氫用于玻璃熔制》的線上會議。該雜志稱：近年來，氫氣及其在玻璃制造過程中的潛在應(yīng)用已成為該行業(yè)的一個主要話題。為期兩天的數(shù)字會議擬討論圍繞氫的一些問題，并強調(diào)氫在棘手行業(yè)中的優(yōu)勢。以下是該雜志引用的幾例會議發(fā)言摘要：

“玻璃行業(yè)在脫碳加熱過程中面臨巨大挑戰(zhàn)。減少這些過程中碳強度的一個快速且可持續(xù)的途徑是用氫氣替代天然氣?！?/p>

“此發(fā)言述及氫氣或氫氣/天然氣燃燒以及燃燒器性能的最新知識，以便在玻璃行業(yè)內(nèi)逐步從天然氣過渡到氫氣?！?/p>

“此報告將簡要陳述氫氣/天然氣燃燒的模型建立?！?/p>

另據(jù)2021年7月20日消息，在意大利，一個名為Divina的項目正在開展，旨在利用氫氣減少玻璃行業(yè)的排放物。

相關(guān)人員說：“繼我們在5月首次進行了把天然氣和30%氫氣混合用于鋼鐵加工的試驗之后，我們的專業(yè)知識和實驗室也被用于Divina項目，這是意大利另一個重要行業(yè)脫碳的重要里程碑。”

如今，意大利玻璃廠使用的主要能源是天然氣，二氧化碳排放量約為每年150萬 t。在全國范圍內(nèi)的玻璃熔化過程中使用含30%氫氣的混合燃氣將減少20萬 t的排放量，相當于大約10萬輛汽車的排放量。

該項目還將定義并優(yōu)化未來熔窯的設(shè)計規(guī)則，即所謂的“熔窯4.0”——即使氫質(zhì)量分數(shù)高達100%，也能保證最佳性能。

最近，據(jù)2022年4月19日的報道，日本電氣硝子株式會社已成功演示了僅使用氫燃料熔制玻璃的過程，使用的燃燒器是一種新開發(fā)的氫氧燃燒器。

這種燃燒器可以改變天然氣和氫氣的混合比。在演示實驗中，采用了兩種燃燒方式：只用氫氣或使用氫氣與天然氣的混合氣。實驗證實了其中任何一種燃燒方式都可以獲得與僅用天然氣燃燒相當?shù)娜刍芰?。這使得氧氣燃燒技術(shù)和氫氣燃燒技術(shù)能夠結(jié)合起來，從而實現(xiàn)燃燒過程的零二氧化碳排放。

在玻璃熔制方面，該公司曾倡導(dǎo)燃料從重油向產(chǎn)生較少二氧化碳的液化石油氣和天然氣轉(zhuǎn)換，并于2010年完成了向天然氣的轉(zhuǎn)換。在中期商業(yè)計劃“EGP2026”中，該公司又把促進碳中和作為優(yōu)先措施，致力于無二氧化碳燃料（如氫氣）的技術(shù)開發(fā)，旨在2050年前實現(xiàn)碳中和。

氫-氧燃燒技術(shù)預(yù)計將為實現(xiàn)碳中和做出重大貢獻，該公司已對此進行了一段時間的研究。該公司將繼續(xù)將這項技術(shù)用作大規(guī)模生產(chǎn)的工藝。

開創(chuàng)復(fù)合材料新市場

1 儲氫容器

在世界加速向零排放交通運輸和工業(yè)制造的轉(zhuǎn)型過程中，氫是一個關(guān)鍵的推動因素。氫可以直接燃燒，也可以用于燃料電池產(chǎn)生電力，唯一的排放物是水和熱，從源頭上實現(xiàn)了二氧化碳零排放。一些制造商估計，到2040年，各類氫燃料汽車的需求量將高達600萬輛。氫燃料汽車的顯著增長需要IV型儲罐將氫作為壓縮氣體儲存。

儲氫需求并不局限于一個單一的市場，而是分布在多個領(lǐng)域，包括航空航天、汽車、公共交通、卡車運輸、鐵路和海運等。預(yù)測IV型儲罐的增長是巨大的。據(jù)生產(chǎn)IV型儲罐的領(lǐng)先廠商挪威Hexagon復(fù)合材料公司估計，從2025年到2030年，這種儲罐的收入將增長630%。

碳纖維是壓力容器的首選纖維。多年來，以塑料為內(nèi)襯，外包碳纖維和環(huán)氧樹脂而形成的儲罐，為零排放的燃料電池車輛提供了壓縮氫氣的輕量化儲存手段。

荷蘭NPROXX公司是制造先進儲氫壓力容器的世界領(lǐng)先廠商。2001年，該公司制造了第一個經(jīng)過認證的3.0×104kPa（300 bar）IV型壓力容器。其制造的碳纖維增強塑料IV型壓力容器使用壽命可達30年。圖1所示是該公司制造的IV型儲氫罐，直徑為500 mm，長度為2200 mm，儲氫壓力為3.5×104kPa（350 bar）。

碳纖維復(fù)合材料儲氫罐（來源：NPROXX）

美國GTL公司是一家航天航空工程研發(fā)公司，開發(fā)了BHL Cryotank碳纖維復(fù)合材料液態(tài)氫（LH2）燃料罐。這種儲罐與現(xiàn)有最先進的航天航空用cryotanks（金屬或復(fù)合材料）燃料罐相比，質(zhì)量減少了75%。“GTL提供了市場上最強最輕的液態(tài)氫儲罐?！?/p>

然而，現(xiàn)在碳纖維復(fù)合材料IV型儲罐的發(fā)展面臨一些障礙。符合此用途要求的碳纖維類型目前供應(yīng)有限，且碳纖維和碳纖維增強塑料儲罐的制造成本很高。另外，與主要由金屬制造的cryotanks儲罐相比，儲存密度較低。為此，法國Plastic Omnium公司和Faurecia公司已制定目標，到2030年將IV型儲罐的成本降低30%～75%，同時提高儲存效率超過7%。

挪威Umoe先進復(fù)合材料公司（簡稱UAC）也制造該類產(chǎn)品，但不使用碳纖維。該公司生產(chǎn)的IV型氣瓶采用行業(yè)標準的T4塑料內(nèi)襯，外覆纏繞成型的玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。UAC目前供應(yīng)2.0×104kPa 至3.5×104kPa 的氣瓶，將在2022年擴產(chǎn)4.5×104、5.0×104kPa 的儲罐。如其首席執(zhí)行官?yvind Hamre所解釋，玻璃纖維增強塑料（GFRP）儲罐的投資與鋼制儲罐相同，但質(zhì)量減輕70%。同時，與碳纖維增強塑料氣瓶相比，玻璃纖維增強塑料氣瓶的投資減少了50%，盡管其質(zhì)量更重。2021年5月，UAC宣布了一項合資計劃，在中國建一個新工廠，到2022年其年產(chǎn)能將達1萬到2萬個氣瓶（容量1 700～2 000 L）。同時，它將把挪威氣瓶的年產(chǎn)能提高到4 000個。

玻璃纖維復(fù)合材料IV型儲罐（來源：UMOE Advanced Composites）

2 燃料電池

燃料電池作為一種高效的轉(zhuǎn)換技術(shù)，以氫氣為清潔能源載體，在幫助減少二氧化碳排放、減少對碳氫化合物的依賴和促進經(jīng)濟增長方面具有巨大潛力。

根據(jù)國際能源機構(gòu)的《2021全球氫回顧》報告，自2008年以來，汽車燃料電池的成本下降了70%。預(yù)計到2021年底，全球燃料電池制造能力將達到每年20萬套以上，由40多家制造商提供。

另據(jù)《歐洲氫能源路線圖》報告，到2030年，燃料電池電動車輛（FCEV）的車隊將達到370萬輛轎車和50萬輛輕型商用車。此外，到2030年，大約4.5萬輛燃料電池卡車和公共汽車可能會上路。到2030年，燃料電池火車還可能取代大約570列柴油火車。

燃料電池車輛的高增長正在推動復(fù)合材料的新發(fā)展。碳纖維復(fù)合材料可用于質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的雙極板、氣體擴散層、端板和其他系統(tǒng)部件。

短切碳纖維和石墨填充的乙烯基酯團狀模塑料（BMC）在低溫質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板中得到廣泛應(yīng)用。隨著銷量增加，BMC成本顯著下降。同樣，由于配方改進和制造更薄板材的能力，曾經(jīng)以分鐘計量的模塑周期現(xiàn)在通常以秒為單位完成。

短切碳纖維也被用作質(zhì)子交換膜燃料電池中氣體擴散層的多孔背襯材料。采用濕鋪短切聚丙烯腈基碳纖維的工藝，可以大批量地制造很薄的紙狀背襯。德國西格里碳素公司（SGL Carbon）制造的Sigrace氣體擴散層已用于韓國現(xiàn)代汽車集團的NEXO 燃料電池汽車。為此，SGL在其德國梅廷根工廠增加了Sigracet的產(chǎn)量。

2021年7 月，美國赫氏公司（Hexcel）宣布參與DOLPHIN項目，以開發(fā)顛覆性的PEM燃料電池堆。該項目將產(chǎn)生一個5 kW的燃料電池示范堆和100 kW的堆設(shè)計，目標是將體積功率密度提高25%，并降低生產(chǎn)成本。Hexcel提供輕質(zhì)PrimeTex開纖碳纖維織物、HexMC模塑料、HexPly預(yù)浸料和預(yù)浸料層壓板，它們擬用于燃料電池端板、氣體擴散層和雙極板，以減少燃料電池堆的重量和體積。Hexcel還使用HexPly和HexMC材料壓塑端板，以取代金屬板，從而減輕重量并增加集成功能。

燃料電池雙極板（來源：Ballard）