绿色氢燃料开辟新技术和新市场

当今，世界正在努力采取行动以克服气候危机。低排放、更环保的能源正变得越来越重要。由越来越大的风力涡轮机和更高效的太阳能电池板产生可再生电力的前景越来越光明。紧跟其后，另一项技术也在兴起：用清洁燃烧、无排放的绿色氢应对未来的能源需求。“绿色氢”是指在大型电解槽中通过电解（利用可再生电力将水分离成氢和氧）产生的氢。在生产绿氢的过程中，完全没有碳排放。

现在，绿氢的生产还处于初期阶段——目前生产的大多数氢或者是灰氢，通过甲烷的蒸汽重整产生；或者是棕氢，通过煤炭的气化产生。灰氢和棕氢都不是零碳的。一种更新的中间技术是蓝氢，它将甲烷的蒸汽重整与碳捕获、利用和封存（CCUS）技术结合起来，极大地减少（但不是消除）碳足迹。而绿氢是纯正的绿色新能源，在全球能源转型中扮演着重要角色。

氢正在成为一种可以帮助世界实现可持续发展目标的燃料。氢能的兴起引起了很多行业的变革，包括玻璃行业和复合材料行业。

减少玻璃熔制过程的碳排放

把氢用作玻璃熔窑燃料的技术趋势已有很多报道。2021年6月15～16日，英国《玻璃国际》杂志举办了一个主题为《氢用于玻璃熔制》的线上会议。该杂志称：近年来，氢气及其在玻璃制造过程中的潜在应用已成为该行业的一个主要话题。为期两天的数字会议拟讨论围绕氢的一些问题，并强调氢在棘手行业中的优势。以下是该杂志引用的几例会议发言摘要：

“玻璃行业在脱碳加热过程中面临巨大挑战。减少这些过程中碳强度的一个快速且可持续的途径是用氢气替代天然气。”

“此发言述及氢气或氢气/天然气燃烧以及燃烧器性能的最新知识，以便在玻璃行业内逐步从天然气过渡到氢气。”

“此报告将简要陈述氢气/天然气燃烧的模型建立。”

另据2021年7月20日消息，在意大利，一个名为Divina的项目正在开展，旨在利用氢气减少玻璃行业的排放物。

相关人员说：“继我们在5月首次进行了把天然气和30%氢气混合用于钢铁加工的试验之后，我们的专业知识和实验室也被用于Divina项目，这是意大利另一个重要行业脱碳的重要里程碑。”

如今，意大利玻璃厂使用的主要能源是天然气，二氧化碳排放量约为每年150万 t。在全国范围内的玻璃熔化过程中使用含30%氢气的混合燃气将减少20万 t的排放量，相当于大约10万辆汽车的排放量。

该项目还将定义并优化未来熔窑的设计规则，即所谓的“熔窑4.0”——即使氢质量分数高达100%，也能保证最佳性能。

最近，据2022年4月19日的报道，日本电气硝子株式会社已成功演示了仅使用氢燃料熔制玻璃的过程，使用的燃烧器是一种新开发的氢氧燃烧器。

这种燃烧器可以改变天然气和氢气的混合比。在演示实验中，采用了两种燃烧方式：只用氢气或使用氢气与天然气的混合气。实验证实了其中任何一种燃烧方式都可以获得与仅用天然气燃烧相当的熔化能力。这使得氧气燃烧技术和氢气燃烧技术能够结合起来，从而实现燃烧过程的零二氧化碳排放。

在玻璃熔制方面，该公司曾倡导燃料从重油向产生较少二氧化碳的液化石油气和天然气转换，并于2010年完成了向天然气的转换。在中期商业计划“EGP2026”中，该公司又把促进碳中和作为优先措施，致力于无二氧化碳燃料（如氢气）的技术开发，旨在2050年前实现碳中和。

氢-氧燃烧技术预计将为实现碳中和做出重大贡献，该公司已对此进行了一段时间的研究。该公司将继续将这项技术用作大规模生产的工艺。

开创复合材料新市场

1 储氢容器

在世界加速向零排放交通运输和工业制造的转型过程中，氢是一个关键的推动因素。氢可以直接燃烧，也可以用于燃料电池产生电力，唯一的排放物是水和热，从源头上实现了二氧化碳零排放。一些制造商估计，到2040年，各类氢燃料汽车的需求量将高达600万辆。氢燃料汽车的显著增长需要IV型储罐将氢作为压缩气体储存。

储氢需求并不局限于一个单一的市场，而是分布在多个领域，包括航空航天、汽车、公共交通、卡车运输、铁路和海运等。预测IV型储罐的增长是巨大的。据生产IV型储罐的领先厂商挪威Hexagon复合材料公司估计，从2025年到2030年，这种储罐的收入将增长630%。

碳纤维是压力容器的首选纤维。多年来，以塑料为内衬，外包碳纤维和环氧树脂而形成的储罐，为零排放的燃料电池车辆提供了压缩氢气的轻量化储存手段。

荷兰NPROXX公司是制造先进储氢压力容器的世界领先厂商。2001年，该公司制造了第一个经过认证的3.0×104kPa（300 bar）IV型压力容器。其制造的碳纤维增强塑料IV型压力容器使用寿命可达30年。图1所示是该公司制造的IV型储氢罐，直径为500 mm，长度为2200 mm，储氢压力为3.5×104kPa（350 bar）。

碳纤维复合材料储氢罐（来源：NPROXX）

美国GTL公司是一家航天航空工程研发公司，开发了BHL Cryotank碳纤维复合材料液态氢（LH2）燃料罐。这种储罐与现有最先进的航天航空用cryotanks（金属或复合材料）燃料罐相比，质量减少了75%。“GTL提供了市场上最强最轻的液态氢储罐。”

然而，现在碳纤维复合材料IV型储罐的发展面临一些障碍。符合此用途要求的碳纤维类型目前供应有限，且碳纤维和碳纤维增强塑料储罐的制造成本很高。另外，与主要由金属制造的cryotanks储罐相比，储存密度较低。为此，法国Plastic Omnium公司和Faurecia公司已制定目标，到2030年将IV型储罐的成本降低30%～75%，同时提高储存效率超过7%。

挪威Umoe先进复合材料公司（简称UAC）也制造该类产品，但不使用碳纤维。该公司生产的IV型气瓶采用行业标准的T4塑料内衬，外覆缠绕成型的玻璃纤维/环氧树脂复合材料。UAC目前供应2.0×104kPa 至3.5×104kPa 的气瓶，将在2022年扩产4.5×104、5.0×104kPa 的储罐。如其首席执行官Øyvind Hamre所解释，玻璃纤维增强塑料（GFRP）储罐的投资与钢制储罐相同，但质量减轻70%。同时，与碳纤维增强塑料气瓶相比，玻璃纤维增强塑料气瓶的投资减少了50%，尽管其质量更重。2021年5月，UAC宣布了一项合资计划，在中国建一个新工厂，到2022年其年产能将达1万到2万个气瓶（容量1 700～2 000 L）。同时，它将把挪威气瓶的年产能提高到4 000个。

玻璃纤维复合材料IV型储罐（来源：UMOE Advanced Composites）

2 燃料电池

燃料电池作为一种高效的转换技术，以氢气为清洁能源载体，在帮助减少二氧化碳排放、减少对碳氢化合物的依赖和促进经济增长方面具有巨大潜力。

根据国际能源机构的《2021全球氢回顾》报告，自2008年以来，汽车燃料电池的成本下降了70%。预计到2021年底，全球燃料电池制造能力将达到每年20万套以上，由40多家制造商提供。

另据《欧洲氢能源路线图》报告，到2030年，燃料电池电动车辆（FCEV）的车队将达到370万辆轿车和50万辆轻型商用车。此外，到2030年，大约4.5万辆燃料电池卡车和公共汽车可能会上路。到2030年，燃料电池火车还可能取代大约570列柴油火车。

燃料电池车辆的高增长正在推动复合材料的新发展。碳纤维复合材料可用于质子交换膜燃料电池（PEMFC）的双极板、气体扩散层、端板和其他系统部件。

短切碳纤维和石墨填充的乙烯基酯团状模塑料（BMC）在低温质子交换膜燃料电池双极板中得到广泛应用。随着销量增加，BMC成本显著下降。同样，由于配方改进和制造更薄板材的能力，曾经以分钟计量的模塑周期现在通常以秒为单位完成。

短切碳纤维也被用作质子交换膜燃料电池中气体扩散层的多孔背衬材料。采用湿铺短切聚丙烯腈基碳纤维的工艺，可以大批量地制造很薄的纸状背衬。德国西格里碳素公司（SGL Carbon）制造的Sigrace气体扩散层已用于韩国现代汽车集团的NEXO 燃料电池汽车。为此，SGL在其德国梅廷根工厂增加了Sigracet的产量。

2021年7 月，美国赫氏公司（Hexcel）宣布参与DOLPHIN项目，以开发颠覆性的PEM燃料电池堆。该项目将产生一个5 kW的燃料电池示范堆和100 kW的堆设计，目标是将体积功率密度提高25%，并降低生产成本。Hexcel提供轻质PrimeTex开纤碳纤维织物、HexMC模塑料、HexPly预浸料和预浸料层压板，它们拟用于燃料电池端板、气体扩散层和双极板，以减少燃料电池堆的重量和体积。Hexcel还使用HexPly和HexMC材料压塑端板，以取代金属板，从而减轻重量并增加集成功能。

燃料电池双极板（来源：Ballard）