“儲氫”技術發展現狀 分析（一）

 

　　

　　氫能產業鏈整體可以分為氫能制取、氫能儲運、氫能應用三大環節，其中儲運環節是高效利用氫能的關鍵，是影響氫能向大規模方向發展的重要環節。在氫能全產業鏈中，氫的儲運是制約我國氫能和燃料電池產業發展的關鍵環節，因為氫氣特殊的物理、化學性能，使得它儲運難度大、成本高、安全性低。

　　

　　（1）重量輕、密度小：在所有元素中，氫的重量最輕、密度小，需要提高儲運容器壓力進而提高氫的密度來提高氫能利用的效率；

　　

　　（2）液化溫度低：常壓下氫氣在-253℃溫度才能液化，液化能耗高、靜態蒸發損失大，對液氫儲罐要求很高；

　　

　　（3）原子半徑小：氫的原子半徑非常小，氫氣能穿過大部分肉眼看不到的微孔，在高溫、高壓下，氫氣甚至可以穿過很厚的鋼板；

　　

　　（4）性質活潑：氫氣非常活潑，穩定性極差，泄露后易發生燃燒和爆炸，這些因素都對氫氣的儲運技術提出了挑戰。

　　

　　從終端氫氣價格組成來看，氫氣儲運成本占總成本的30%左右，經濟、高效、安全的儲運氫技術已成為當前制約氫能規模應用的主要瓶頸之一。

　　

　　1.2 高效率和低成本是氫能儲運發展趨勢

　　

　　氫能儲運包括氫能儲存和氫能運輸兩部分，氫能的儲存方式決定了采用何種氫能運輸方式。提高氫能儲運效率，降低氫能儲運成本，是氫能儲運技術發展重點。

　　

　　氫能源汽車存儲5公斤的氫氣，在70MPa的壓力下，存儲系統的容量約為200升，是當今燃油汽車中汽油箱容量的3-4倍。

　　

　　氫能的儲運具有較大難度。一方面，氫氣是世界上密度最小的氣體，體積能量密度較低，擴散系數較大；另一方面，氫氣的燃點較低，爆炸極限寬，對儲運過程中的安全性也有極高的要求。因此如何實現經濟、高效、安全的儲氫技術是氫能利用走向實用化、產業化的關鍵。

　　

　　

　　儲氫技術的關鍵在于提高氫氣能量密度。美國能源部（DOE）要求2020年國內車載氫能電池的氫氣質量密度（即釋放出的氫氣質量與總質量之比）須達到4.5%，2025年達到5.5%，最終目標是6.5%。

　　

　　國際能源署（IEA）規定的未來新型儲氫材料的儲氫質量標準為5%。美國2010年到2015年的體積儲氫容量分別為45g/L和81g/L、存儲成本分別為4美元／kWh和2美元／kWh。

　　

　　同時氫氣為易燃、易爆氣體，當氫氣濃度為4.1%-74.2%時，遇火即爆。因此評價儲氫技術優劣，還必須考慮安全性。

　　

　　1.4 氫能儲存場景及相關標準

　　

　　氫能儲存場景主要包括在加氫站的儲存、在運輸車的儲存和燃料電池車的儲存等幾種場景，目前已經形成加氫站及車載氫系統、氣液固儲氫等相關標準。

　　

　　

　　氫能產業的發展給壓力容器行業帶來新的發展機遇，一方面，氫能儲運設備是氫能利用的重要基礎設施，是促進氫能產業發展的必要支撐。另一方面，氫能產業發展將推動臨氫、超高壓、超低溫以及纖維纏繞復合材料、多層包扎結構設備的設計制造、檢驗檢測、風險評估等方面技術的發展和進步，也推動壓力容器產業向高端、清潔、環保、高效方向的轉型升級。但氫能產業的快速發展也對壓力容器技術要求提出了更高的挑戰，目前一系列關鍵技術有待突破。

　　

　　(1)氫能儲運裝備的材料方面亟待解決。目前高壓氫氣長管拖車、管束式集裝箱、站用儲氫瓶組等設備所用的高強鋼既沒有制定標準，也沒有成熟的材料可供選用，4130X鋼已應用于45MPa站用儲氫瓶組，但其可靠性尚未得到充分驗證，需要研究提出高壓臨氫環境下設備選材的安全基本要求，開發專用材料。針對已有應用經驗的4130X鋼，仍需對其與高壓氫氣的相容性進行系統研究以掌握氫脆受材料成分、組織、加工方法、氫分壓等的影響規律，形成4130X鋼用于高壓氫氣儲運場合的專項技術要求。對于IV型儲氫氣瓶，需要研發內膽專用塑料材料，建立材料性能指標體系等相應標準。

　　

　　(2)氫能儲運設備設計制造應不斷創新。對于IV型瓶，其設計制造關鍵技術主要有內膽結構設計方法、有限元應力分析設計方法、塑料內膽成型方法和工藝、內膽與瓶口密封結構設計方法等，需要研究解決結構尺寸的確定方法及其對氣瓶安全性能的影響、內膽與瓶口之間泄漏機理及影響因素、內膽常見缺陷及其成因和預防措施等科學技術問題，有待提出內膽成型、纖維帶壓纏繞、樹脂固化的工藝評定方法。

　　

　　(3)儲氫設備的型式試驗能力還不全面，需加強試驗環節以提高壓力容器的安全性能。對35MPa以上壓力等級的車載氫氣瓶，按GB/T 35544-2017標準的要求，型式試驗項目包括氫氣循環試驗，但我國目前還沒有通過氫循環試驗的產品，氫循環試驗裝置技術復雜度高、投資大、建設周期長、建設難度大、后期維護成本高，我國僅有個別型式試驗機構搭建了試驗裝置。

　　

　　此外，為推進氫能儲運設備的成熟發展，我們還需要對相應的氫能儲運設備使用管理方面提出更高的要求，建立現代化管理平臺，通過搭載安全監控系統并構建基于全生命周期的大數據平臺，實現儲氫壓力設備的“智能網聯化”。

　　

　　

　　高壓儲氫氣瓶是壓縮氫廣泛使用的關鍵技術，隨著應用端的應用需求不斷提高，輕質高壓是高壓儲氫氣瓶發展的不懈追求。目前高壓儲氫容器已經逐漸由全金屬氣瓶(Ⅰ型瓶)發展到非金屬內膽纖維全纏繞氣瓶(Ⅳ型瓶)。

　　

　　（1）全金屬儲氫氣瓶/罐（Ⅰ型瓶），其制作材料一般為Cr-Mo鋼、6061鋁合金、316L等。由于氫氣的分子滲透作用，鋼制氣瓶很容易被氫氣腐蝕出現氫脆現象，導致氣瓶在高壓下失效，出現爆裂等風險。2004年7月，中石化牽頭成立了由鋼鐵企業、使用單位以及有關科研單位等組成壓力容器鋼板國產化聯合攻關組，共同推動鋼板研制和應用工作。參與研制的5家鋼鐵企業(寶鋼、鞍鋼、武鋼、舞鋼、濟鋼)目前已經陸續成功開發了用于大型儲備罐的高強度大線能量焊接用鋼板。9Ni鋼最早由太鋼于2007年開發生產，目前鞍鋼、武鋼、南鋼、湘鋼均有生產能力，由于儲罐需要6mm厚的中厚板，南鋼的市場份額較大。太鋼、鞍鋼和南鋼等鋼企研發的LNG低溫壓力容器用9％Ni鋼板也通過了國家容標委鑒定審查，實現了工程應用，填補了國內的空白。

　　

　　（2）纖維復合材料纏繞氣瓶（Ⅱ型瓶、Ⅲ型瓶和Ⅳ型瓶）。Ⅲ型瓶和Ⅳ型瓶是纖維復合材料纏繞制造的主流氣瓶。其主要由內膽和碳纖維纏繞層組成。Ⅲ型瓶的內膽為鋁合金，Ⅳ型的內膽為聚合物。纖維復合材料則以螺旋和環箍的方式纏繞在內膽的外圍，以增加內膽的結構強度。

　　

　　總體而言，高壓儲氫氣瓶Ⅰ型瓶、Ⅱ型瓶和Ⅲ型瓶常用的材料有鋁(6061或7060)、鋼(不銹鋼或鉻-鉬鋼)。Ⅳ型瓶內膽常用的聚合物材料為高密度聚乙烯、聚酰胺基聚合物等。高性能纖維是纖維復合材料纏繞氣瓶的主要增強體。通過對高性能纖維的含量、張力、纏繞軌跡等進行設計和控制，可充分發揮高性能纖維的性能，確保復合材料增強壓力容器性能均一、穩定，爆破壓力離散度小。玻璃纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、硼纖維、碳纖維、芳綸和PBO纖維等纖維均被用于制造纖維復合材料纏繞氣瓶，其中碳纖維以其出色的性能逐漸成為主流纖維原料(如日本東麗的T300、T700、T1000)。