科普|什么是高壓氣態儲氫？

在當今全球能源轉型的大背景下，氫能作為一種清潔、高效且可持續的能源，正逐漸嶄露頭角。而在氫能的廣泛應用中，高壓氣態儲氫技術扮演著至關重要的角色，尤其是在燃料電池汽車領域，其地位更是舉足輕重。

高壓氣態儲氫的定義

高壓氣態儲氫是指在高壓條件下壓縮氫氣，將壓縮后的高密度氫氣存儲于耐高壓容器中，從而實現氫氣的有效儲存和按需釋放。

目前國內儲氫技術中最為成熟、應用最為廣泛的就是高壓氣態儲氫。高壓氣態儲氫技術通常采用儲氫氣罐作為容器，具有設備結構簡單、壓縮氫氣制備能耗低、充裝和排放速度快、溫度適應范圍廣等優點。因此，高壓氣態儲氫預計在未來較長的時間內仍將占據氫能儲存技術的主導地位。最初發展期高壓氣態儲氫技術的歷史可以追溯到20世紀中葉。隨著對氫能研究的深入，科學家們發現，通過高壓壓縮的方式，可以在常溫常壓下存儲氣態的氫氣。這種儲氫方法因其設備結構簡單、壓縮氫氣制備能耗低、充裝和排放速度快、溫度適應范圍廣等優點，逐漸成為最常用、最成熟的儲氫技術。技術成熟期在20世紀末至21世紀初，高壓氣態儲氫技術得到了快速發展，并在燃料電池汽車上得到廣泛應用。在這個時期，各國政府和企業加大對氫能領域的研發和支持力度，推動了高壓氣態儲氫技術的進步和商業化應用。

技術創新期

目前，高壓氣態儲氫技術仍在不斷進步。研究人員致力于提高儲氫瓶的工作壓力、減小罐體質量、提高儲氫容量，并開發新型材料來改善儲氫瓶的強度和安全性。此外，隨著氫燃料電池汽車的普及，對高壓氣態儲氫的需求也在不斷增加。

高壓氣態儲氫的工作原理

高壓氣態儲氫的工作原理主要是通過壓縮機來實現氫氣的壓縮。這一過程可以直接將氫氣壓縮到裝入儲氫容器所需的高壓狀態，或者先以相對較低的壓力進行初步壓縮并存儲，待加注時再啟動氫壓縮機，根據實際需求對儲氫容器進行增壓，最終達到目標壓力。

隔膜式壓縮機

在直接壓縮的模式下，壓縮機需要具備強大的功率和高效的冷卻系統，以應對壓縮過程中產生的巨大熱量和壓力。在分步壓縮的方式中，雖然前期的壓力相對較低，但也需要精確的控制和監測，確保氫氣在存儲過程中的穩定性和安全性。為了實現高效的壓縮，壓縮機的設計和制造至關重要。先進的壓縮機采用了高性能的材料和精密的制造工藝，以確保其在長期運行中的可靠性和穩定性。同時，與之配套的冷卻系統也需要具備出色的散熱能力，及時帶走壓縮過程中產生的熱量，防止溫度過高對設備和氫氣的性質造成不利影響。

液趨勢壓縮機原理

在整個壓縮和增壓的過程中，還需要一系列的傳感器和控制系統來實時監測壓力、溫度、流量等參數。這些數據不僅能夠幫助操作人員及時了解系統的運行狀態，還能為優化壓縮過程、提高能源利用效率提供重要依據。此外，儲氫容器的設計也與工作原理密切相關。容器需要能夠承受高壓氫氣帶來的巨大壓力，同時還要具備良好的密封性能，防止氫氣泄漏。為了滿足這些要求，儲氫容器通常采用高強度的金屬材料或復合材料制造，并經過嚴格的壓力測試和安全評估。

高壓氣態儲氫的優勢

高壓氣態儲氫作為一種常見的儲氫方式，具有多方面的優勢，這些優勢使得它成為了燃料電池汽車和其他氫能應用中的一個重要選項。以下是其主要的優點：

1、 較高的儲氫密度盡管高壓氣態儲氫的質量體積密度相比其他儲氫方法較小，但它可以通過提高壓力來增加單位體積的氫氣密度，從而提高儲氫效率。

2、較快的充放氫速度高壓氣態儲氫具有較快的充放氫速度，這意味著它可以快速地補充氫氣，這對于燃料電池汽車的日常使用非常有利。

3、 較低的能耗與液態儲氫相比，高壓氣態儲氫的能耗較低，因為它不需要將氫氣冷卻到極低的溫度，這在一定程度上降低了能源消耗和運行成本。

4、 較廣的溫度適應性高壓氣態儲氫能夠在常溫下工作，甚至在零下幾十度的低溫環境下也能正常運行，這使得它在各種氣候條件下都能穩定地發揮作用。

5、較少受工作環境影響與其他儲氫方式相比，高壓氣態儲氫受工作環境的影響較小，這使得它更適合在不同的應用場景中使用。

儲氫容器

通過高壓壓縮，氫氣以不同壓力被壓縮并裝入儲氫容器中，這種容器被稱為儲氫瓶。由于氫氣獨特的物理化學特性，其對儲氫瓶材料要求較高。高壓儲氫瓶罐按材料可分為純鋼制金屬瓶（I型），鋼制內膽纖維環向纏繞瓶（II型），鋁內膽纖維全纏繞瓶（III型）及塑料內膽纖維纏繞瓶（IV型）4個類型；按用途可分為固定式儲氫瓶與移動式儲氫瓶，其中移動式儲氫瓶主要為車用儲氫瓶與運輸用高壓儲氫瓶。

純鋼制金屬瓶（I 型）是最早出現的儲氫容器之一，其結構簡單，成本相對較低。然而，由于鋼的密度較大，導致這種瓶子的重量較重，單位質量儲氫密度較低，限制了其在一些對重量和空間要求較高的應用場景中的使用。

鋼制內膽纖維纏繞瓶（II 型）在 I 型瓶的基礎上進行了改進，通過在鋼制內膽外纏繞纖維材料，提高了瓶子的強度和耐壓能力。但與后續發展的 III 型和 IV 型瓶相比，其重容比仍然較大，儲氫效率有待進一步提高。

鋁內膽纖維纏繞瓶（III 型）則是一種更為先進的儲氫容器。鋁的密度相對較小，使得瓶子的自重減輕，同時纖維纏繞層進一步增強了其耐壓性能。這種瓶子具有較高的單位質量儲氫密度和較好的安全性，因此在一些對儲氫性能要求較高的領域得到了廣泛應用。

塑料內膽纖維纏繞瓶（IV 型）是目前最為先進的車載儲氫容器之一。塑料內膽具有良好的耐腐蝕性和密封性，能夠有效防止氫氣泄漏。中層的耐壓碳纖維纏繞層提供了強大的支撐和保護，而表層的玻璃纖維強化樹脂層則進一步增強了瓶子的抗沖擊和耐磨性能。由于其重容比小、單位質量儲氫密度高，能夠在有限的空間內存儲更多的氫氣，為氫燃料電池汽車提供更長的續航里程，因此已廣泛應用于氫燃料電池汽車領域。

隨著材料科學和制造工藝的不斷進步，未來儲氫容器的發展方向將更加注重輕量化、高強度、高安全性和低成本。新型材料的研發和應用，以及制造工藝的創新，將不斷推動高壓氣態儲氫技術的發展，為氫能的廣泛應用創造更加有利的條件。

不同類型儲氫瓶介紹

目前，高壓儲氫瓶用碳纖維主要采用T700級及以上規格。從企業碳纖維生產企業角度來看，目前碳纖維生產企業中，日本和美國依舊占據主導地位。

在儲氫容器基礎材料方面，罐體材料實現了國產化，但是高性能碳纖維材料被日本及美國壟斷；東麗的碳纖維是全球車載儲氫瓶企業的主要供應商，中國的車載高壓儲氫瓶碳纖維基本都來自東麗。

在儲氫容器生產工藝方面，碳纖維纏繞設備與高壓罐體加工設備仍需進口，整體國產化率約50%左右。

不同應用場景

高壓氣態儲氫作為一種高效的氫能儲運方式，其應用場景主要集中在加氫站、氫能運氫車、氫燃料電池車以及應急電源、備用電源和氫儲能等方面。

固定式儲氫罐：目前，固定式儲氫罐主要用于加氫站、制氫站。根據近期各省市出臺的氫能規劃政策，固定式儲氫罐市場需求較大，但競爭對手較少，市場前景廣闊。根據氫氣加注壓力，加氫站分為35MPa和70MPa兩類。我國絕大多數在用或在建的是35MPa加氫站。為了適應燃料電池汽車供氫系統壓力逐漸從35MPa增加到70MPa的需求，加氫站的加注壓力提高到70MPa已到了十分緊迫的地步。隨著氫能產業發展，加氫站、制氫站的建設增多，儲罐需求也將增加，高壓、高容量的儲罐需求將逐步釋放。

車載儲氫氣瓶：在高壓儲氫技術中，目前最為成熟且成本較低的技術是鋼制氫瓶和鋼制壓力容器，但是鋼制氫氣瓶由于較高的重量，不適宜汽車用，因此車用高壓儲氫瓶的國際主流技術通過以鋁合金/燃料作為內膽，外層則用碳纖維進行包覆（即所謂的Ⅲ型、Ⅳ型瓶），提升氫瓶的結構強度并盡可能減輕整體質量。國內車載儲氫氣瓶的企業較多，特別是Ⅲ型。隨著氫燃料車的發展，車載儲氫瓶是競爭最大的領域。

管束集裝箱：現階段，我國普遍采用20MPa氣態高壓儲氫與管束集裝箱運輸的方式。在加氫站日需求量500kg以下，運輸距離在200公里以內經濟性較高。

高壓氣態儲氫技術作為氫能產業鏈中的核心環節，其應用領域正不斷拓展，不僅應用于氫能源汽車領域，還將逐漸拓展到電力、工業等領域，以滿足日益多樣化的能源需求。在氫能產業鏈中，儲運環節的成本占據了相當大的比重，氫氣儲運成本的高低直接影響到氫能應用的經濟性和普及度。因此，降低氫氣儲運成本成為了行業內的共識和努力方向。希望高壓氣態儲氫行業的企業可以通過技術創新、優化布局和政策支持等措施，可以有效降低氫氣的儲運成本，提高氫能應用的經濟性和普及度，為氫能產業的快速發展提供有力支持。