邱佑宗 / 工研院材化所；趙珏 / 台灣區複合材料工業同業公會
本文分析英國Luxfer、美國Quantum與Hexagon三大氫氣瓶商所提供之氫氣瓶規格，探討影響高壓氫氣瓶重量效率的因子，包括：容積大小、使用壓力、氣瓶型式、長徑比等，並經由迴歸分析得到瓶重預估方程式，作為產品設計前之規畫參考。同時也提出工研院材料與化工研究所開發高壓氫氣瓶結構設計之方法，由力學原理研究最有效率的纖維纏繞安排方式，可將容積900公升級的Ⅲ型瓶減重達18%，即重量效率提高超過1%以上。此外，針對未來便攜式的使用，如何提高小型高壓氣瓶的重量效率，陳述現況並提出挑戰目標。
【內文精選】
前 言
為達2050年淨零碳排目標，各國政府與企業提出氫能政策與方針，屆時美國預計所有再生能源及綠氫占全國能源需求14%，中國氫能占總能源消耗10%及年經濟產值10兆人民幣，日本全面以氫能汽車及加氫站取代汽油車與加油站，歐盟則累計氫能投資金額達1,800億~4,700億歐元；更有國家將目標實現提前：澳洲目標為2030年成為全球氫能產業領導者，韓國目標為2030年成為最大燃料電池生產國並以氫燃料電池為主要出口產業之一。在企業方面，德國西門子與聯邦鐵路公司發展氫動力燃料電池列車並將於2024年試行，歐盟空中巴士在2035年推出氫燃料飛機，英國BP石油在德國投資的氫能製造廠於2024年商轉，日本三菱於歐洲投資氫氣製鋼已自2021年起年產25萬噸鋼鐵，韓國現代汽車投資7.6兆韓圜以達商用車氫燃料電池系統市占25%。
近期台灣亦開始投入氫燃料機動車輛，2022年底公路局修正的《車輛型式安全審驗管理辦法》即包括附件八十一「氫燃料車輛整車安全防護」、附件八十二「氫儲存系統」、附件八十三「氫儲存系統組件」等三部分。而對應於氫燃料電池機車的相關條文則列於附件八十八「氫燃料機車整車安全防護」、附件八十九「機車用氫儲存系統」、附件九十「機車用氫儲存系統組件」。
高壓氫氣瓶重量效率
一個儲氫5 公斤的儲氫瓶造價約4,000~5,000美元。目前主要的車用高壓儲氫瓶供應商包括：英國Luxfer、南韓ILJIN、美國Quantum與Hexagon。2021年全球高壓儲氫瓶市場為0.52億美金，預估2026年將達2.08億美金，年複合成長率達32%。其中約四分之一為運輸氫氣的容器載具、四分之三是交通工具的燃料箱。
國際目前技術成熟度較高者為壓縮氫氣瓶，常用規格有350 bar、700 bar等。加氫站及運輸用長管拖車，均需使用高壓氣瓶。加氫站內因無重量效益的考慮，可採鋼瓶，其重量效率約在1%左右，拖車則多採用纖維複材纏繞所製成之Ⅲ型或Ⅳ型瓶，其重量效率>5%左右。重量效率的定義為氫氣/瓶身重量比。
影響高壓氫氣瓶重量效率的因素
1. 容積與重量效率
圖二為Luxfer、Quantum、Hexagon等三大廠商350 bar與700 bar氣瓶之重量效率比較，在不考慮廠牌技術能力與壓力規格的情況下，顯然大容積有利於重量效率的提升。
圖二、Luxfer、Quantum、Hexagon等三大廠商350 bar與700 bar氣瓶重量效率
4. 長徑比對重量效率的影響
基於力學公式，筒狀容器的容積與直徑的平方成正比，球狀容器的容積與直徑的三次方成正比，但所需之容器壁厚則與直徑的一次方成正比，故是否存在一最佳的長徑比以達輕量優化的目標，為設計的重要考量。惟Quantum壓力規格350 bar的Ⅳ型瓶於長徑比3~3.5左右時具有較佳的重量效率，然而這幾型氣瓶也具大容積，故尚無法歸因於是否為長徑比的效果。
氣瓶結構設計的優化
工研院材料與化工所開發高壓氫氣瓶結構設計方法，由力學原理研究最有效率的纖維纏繞安排方式，提高重量效率，優於傳統二段花式的纖維安排。以使用壓力350 bar之Ⅲ型瓶為例，建立一組Ⅲ型瓶有限元模型(FEM)如圖十，包括：鋁內襯、軸向(螺旋)纖維層、環向纖維層等。
圖十、Ⅲ型瓶有限元模型
小型化的挑戰
雖然本文圖二顯示大容積對應於氣瓶的高重量效率，然而隨著氫能應用領域之拓展，小型化氣瓶的需求也益發增長。例如三陽工業於2023年1月與工研院舉行簽約儀式，宣告雙方正式合作氫燃料電動車技術開發，於創新能源載具領域邁出第一步。第一階段雙方將針對超高壓氫氣的儲存技術共同研究、設計與開發一通勤機車所使用之高壓氫氣瓶，並將此技術使用於氫能源電動機車 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》443期，更多資料請見下方附檔。