隨著氫產量的不斷增長及應用場景的持續(xù)拓展，氫能領域對材料創(chuàng)新的需求愈發(fā)迫切。復合材料正重新定義壓力容器，在提升制造效率的同時，解決回收利用、全生命周期成本等關鍵難題。

氫能經濟正從宏偉愿景邁向切實可行的階段，在此過程中，我們面臨的挑戰(zhàn)是：需要既能承受極端工況，又具備成本效益且可規(guī)模化應用的材料。英國國家復合材料中心（NCC）正通過先進材料解決方案（如復合材料），將前沿研究與技術轉化為產業(yè)影響力，而這類材料已被證實是氫儲存與運輸領域不可或缺的核心要素。盡管現(xiàn)有壓力容器已展現(xiàn)出強勁的商業(yè)化潛力，但在減重、降本、優(yōu)化報廢后回收利用等方面，仍存在巨大的創(chuàng)新空間（圖 1）。

圖 1：英國國家復合材料中心（NCC）憑借技術專長，致力于打通產品全生命周期

2024 年，全球氫能領域的氫產量約達 9700 萬噸 [1]，但其中幾乎全部為 “灰氫”（通過化石燃料制氫且未對碳排放進行處理的氫）。隨著向 “綠氫”（通過可再生能源制氫且實現(xiàn)碳中和的氫）轉型進程的加速，氫能在重工業(yè)、交通運輸、可調度電力等領域的新應用不斷涌現(xiàn)，復合材料作為關鍵賦能材料，正為整個供應鏈創(chuàng)造新的機遇。

現(xiàn)有壓力容器技術

復合材料壓力容器已成為氫儲存領域的基石，這背后有著充分的技術依據。與金屬材質壓力容器相比，復合材料具備更優(yōu)異的重量效率（ gravimetric efficiency ），這一特性使其在移動應用場景中擁有顯著優(yōu)勢 —— 在承受極端結構載荷的同時，仍能保持輕量化優(yōu)勢。目前，復合材料壓力容器已廣泛應用于多個領域，涵蓋管式拖車、非公路用車、船舶運輸，以及像 ZeroAvia 公司開展的氫能飛機等前沿應用場景。

不斷增長的產量 [2] 反映出行業(yè)對該技術的信心日益增強，如今制造商每年可生產數(shù)十萬個復合材料壓力容器。然而，該市場仍處于新興階段，供應商當前正積極擴大產能，以滿足未來幾年預計將大幅增長的市場需求。

現(xiàn)有技術中的創(chuàng)新機遇

盡管復合材料壓力容器已在商業(yè)上取得成功，但在多個領域仍有巨大的改進空間：

• 減重：減重仍是該領域的核心需求，其技術難點在于通過明確不同組件間的相互作用，優(yōu)化材料層合結構設計，從而在重量、性能與安全性之間實現(xiàn)合理平衡。具備實時損傷檢測功能的數(shù)字化工具，不僅能減少材料用量，實現(xiàn)更精簡的結構設計，甚至可通過實時追蹤容器狀態(tài)，降低安全系數(shù)冗余。

• 制造工藝優(yōu)化：在高壓工況下，即使微小的缺陷也可能嚴重影響壓力容器的性能。因此，開發(fā)重復性更高、抗缺陷能力更強的制造工藝，對于提升產能、降低成本至關重要。

• 報廢后解決方案：這是當前面臨的重大挑戰(zhàn)。碳纖維的生產過程能耗極高，且報廢后的處置難度較大。作為致力于解決行業(yè)重大難題的國家級創(chuàng)新機構，英國國家復合材料中心（NCC）已率先開展連續(xù)纖維回收技術的研究，并探索可實現(xiàn)商業(yè)化規(guī)模化應用的回收路徑（圖 2）。

• 成本降低：壓力容器在整個氫儲存系統(tǒng)成本中占比極高，因此降低其成本是提升系統(tǒng)經濟性的關鍵。要實現(xiàn)這一目標，必須在產品全生命周期（包括材料、制造、使用、回收）的各個環(huán)節(jié)開展創(chuàng)新。

圖 2：報廢后（容器）解決方案

基礎設施建設

隨著氫能應用的加速普及，復合材料管道等材料解決方案相較于金屬管道，展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。金屬管道需在現(xiàn)場將短管段逐一焊接連接，而復合材料管道以長連續(xù)管卷的形式交付，只需現(xiàn)場展開鋪設即可—— 這一特性大幅縮短了安裝時間，降低了施工復雜度。目前，斯特羅姆（Strohm）、索盧福斯（SoluForce）、貝克休斯（Baker Hughes）等企業(yè)已推出復合材料管道系統(tǒng)，其中多款產品是由油氣行業(yè)應用場景改造而來。

目前，復合材料管道的應用主要局限于工業(yè)場地，但隨著氫能需求的增長，其在公共基礎設施領域的應用有望進一步擴大。

新興機遇

液態(tài)氫已被視為實現(xiàn)航空業(yè)脫碳的重要路徑。作為英國首批設計、測試并制造復合材料低溫氫儲存解決方案的機構之一（圖 3），英國國家復合材料中心（NCC）早已知曉重量對飛機性能的關鍵影響。然而，適用于低溫場景的復合材料，其技術成熟度仍不足以充分發(fā)揮這一優(yōu)勢。

圖 3：低溫環(huán)境下的材料測試

那么，復合材料在低溫氫儲存應用中面臨的主要挑戰(zhàn)有哪些？

• 滲透問題：在絕熱系統(tǒng)中，復合材料難以維持所需的真空度。這一現(xiàn)象類似于保溫瓶真空度失效—— 當分子穿透復合材料（尤其當容器部分處于高溫、部分處于低溫環(huán)境時），絕熱性能會迅速下降。

• 低溫脆性：在低溫環(huán)境下，復合材料會呈現(xiàn)脆性，這不僅降低了材料的抗損傷能力，還會影響其長期耐久性。

• 熱膨脹失配：在低溫環(huán)境下，復合材料基體與纖維之間的熱膨脹系數(shù)差異會產生顯著的熱應力。熱應力與基體脆性疊加，會導致材料損傷加劇，進而同時影響滲透性能與結構完整性。

盡管空客（Airbus）等巨頭已將氫能飛機的商業(yè)化時間表至少推遲了十年，但相關技術研發(fā)并未停滯。目前，眾多企業(yè)與機構正針對不同尺寸的飛行器（從無人機到支線飛機、單通道客機）開展研發(fā)工作。

創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)

氫能領域的解決方案之所以能蓬勃發(fā)展，離不開產業(yè)界、學術界與研究機構之間的緊密合作，但同時也需要完善的監(jiān)管體系作為支撐。英國國家復合材料中心（NCC）是全球領先的創(chuàng)新機構，致力于將前沿研究與技術轉化為產業(yè)影響力。該中心聚焦于高效氫儲存與運輸所需的先進材料及產品技術，助力各類規(guī)模的企業(yè)充分利用前沿創(chuàng)新成果，在從概念設計、生產制造到可持續(xù)性管理、報廢后處理的全工程生命周期中實現(xiàn)突破。

氫能市場目前仍處于新興階段，這為創(chuàng)新提供了獨特的機遇窗口。提前布局有助于提高技術成功落地與提升全球競爭力的概率，但這需要在研究、制造及供應鏈建設等領域持續(xù)投入。

展望未來

復合材料在支撐氫能經濟發(fā)展方面具有得天獨厚的優(yōu)勢。盡管當前的復合材料壓力容器已形成堅實的商業(yè)化基礎，但在材料、生產工藝及全生命周期管理等領域，仍存在巨大的創(chuàng)新潛力。要實現(xiàn)這一潛力，既需要持續(xù)改進現(xiàn)有系統(tǒng)，也需研發(fā)下一代低溫儲存解決方案—— 換言之，需在材料科學、制造工藝及系統(tǒng)集成等領域取得突破，確保各環(huán)節(jié)協(xié)同運轉。

然而，任何單一機構都無法獨立完成這一使命。構建一個讓研究人員、制造商與終端用戶緊密合作的生態(tài)系統(tǒng)至關重要：通過合作攻克技術難題、打造具有韌性的供應鏈……

英國國家復合材料中心（NCC）在英國氫儲存與運輸解決方案及低溫儲存技術創(chuàng)新領域處于領先地位。作為產業(yè)界的創(chuàng)新合作伙伴，該中心團隊正致力于打通氫儲存產品從設計、制造到測試的全生命周期，助力構建可持續(xù)、高效且具備韌性的未來氫能產業(yè)。無論是研發(fā)下一代壓力容器、攻克低溫技術難題，還是優(yōu)化制造工藝，NCC 的下一步目標都十分明確：通過驗證新技術的規(guī)?；瘧媚芰?，為新產品研發(fā)與制造降低風險、提供實證支持。

參考文獻：

[1]www.iea.org/reports/global-hydrogen-review-2024-hydrogen-production（《2024 年全球氫能回顧 —— 氫生產》）

[2]www.verifedmarketreports.com/product/hydrogen-pressure-vessels-market（《氫壓力容器市場報告》）