“儲(chǔ)氫”技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 分析（一）

 

　　

　　氫能產(chǎn)業(yè)鏈整體可以分為氫能制取、氫能儲(chǔ)運(yùn)、氫能應(yīng)用三大環(huán)節(jié)，其中儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)是高效利用氫能的關(guān)鍵，是影響氫能向大規(guī)模方向發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。在氫能全產(chǎn)業(yè)鏈中，氫的儲(chǔ)運(yùn)是制約我國(guó)氫能和燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因?yàn)闅錃馓厥獾奈锢怼⒒瘜W(xué)性能，使得它儲(chǔ)運(yùn)難度大、成本高、安全性低。

　　

　?。?）重量輕、密度?。涸谒性刂?，氫的重量最輕、密度小，需要提高儲(chǔ)運(yùn)容器壓力進(jìn)而提高氫的密度來(lái)提高氫能利用的效率；

　　

　?。?）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(tài)蒸發(fā)損失大，對(duì)液氫儲(chǔ)罐要求很高；

　　

　?。?）原子半徑小：氫的原子半徑非常小，氫氣能穿過(guò)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(guò)很厚的鋼板；

　　

　　（4）性質(zhì)活潑：氫氣非?；顫?，穩(wěn)定性極差，泄露后易發(fā)生燃燒和爆炸，這些因素都對(duì)氫氣的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。

　　

　　從終端氫氣價(jià)格組成來(lái)看，氫氣儲(chǔ)運(yùn)成本占總成本的30%左右，經(jīng)濟(jì)、高效、安全的儲(chǔ)運(yùn)氫技術(shù)已成為當(dāng)前制約氫能規(guī)模應(yīng)用的主要瓶頸之一。

　　

　　1.2 高效率和低成本是氫能儲(chǔ)運(yùn)發(fā)展趨勢(shì)

　　

　　氫能儲(chǔ)運(yùn)包括氫能儲(chǔ)存和氫能運(yùn)輸兩部分，氫能的儲(chǔ)存方式?jīng)Q定了采用何種氫能運(yùn)輸方式。提高氫能儲(chǔ)運(yùn)效率，降低氫能儲(chǔ)運(yùn)成本，是氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)。

　　

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

　　

　　氫能的儲(chǔ)運(yùn)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(kuò)散系數(shù)較大；另一方面，氫氣的燃點(diǎn)較低，爆炸極限寬，對(duì)儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中的安全性也有極高的要求。因此如何實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、高效、安全的儲(chǔ)氫技術(shù)是氫能利用走向?qū)嵱没?、產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。

　　

　　

　　儲(chǔ)氫技術(shù)的關(guān)鍵在于提高氫氣能量密度。美國(guó)能源部（DOE）要求2020年國(guó)內(nèi)車載氫能電池的氫氣質(zhì)量密度（即釋放出的氫氣質(zhì)量與總質(zhì)量之比）須達(dá)到4.5%，2025年達(dá)到5.5%，最終目標(biāo)是6.5%。

　　

　　國(guó)際能源署（IEA）規(guī)定的未來(lái)新型儲(chǔ)氫材料的儲(chǔ)氫質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為5%。美國(guó)2010年到2015年的體積儲(chǔ)氫容量分別為45g/L和81g/L、存儲(chǔ)成本分別為4美元／kWh和2美元／kWh。

　　

　　同時(shí)氫氣為易燃、易爆氣體，當(dāng)氫氣濃度為4.1%-74.2%時(shí)，遇火即爆。因此評(píng)價(jià)儲(chǔ)氫技術(shù)優(yōu)劣，還必須考慮安全性。

　　

　　1.4 氫能儲(chǔ)存場(chǎng)景及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

　　

　　氫能儲(chǔ)存場(chǎng)景主要包括在加氫站的儲(chǔ)存、在運(yùn)輸車的儲(chǔ)存和燃料電池車的儲(chǔ)存等幾種場(chǎng)景，目前已經(jīng)形成加氫站及車載氫系統(tǒng)、氣液固儲(chǔ)氫等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

　　

　　

　　氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展給壓力容器行業(yè)帶來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇，一方面，氫能儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備是氫能利用的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必要支撐。另一方面，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展將推動(dòng)臨氫、超高壓、超低溫以及纖維纏繞復(fù)合材料、多層包扎結(jié)構(gòu)設(shè)備的設(shè)計(jì)制造、檢驗(yàn)檢測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等方面技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，也推動(dòng)壓力容器產(chǎn)業(yè)向高端、清潔、環(huán)保、高效方向的轉(zhuǎn)型升級(jí)。但氫能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展也對(duì)壓力容器技術(shù)要求提出了更高的挑戰(zhàn)，目前一系列關(guān)鍵技術(shù)有待突破。

　　

　　(1)氫能儲(chǔ)運(yùn)裝備的材料方面亟待解決。目前高壓氫氣長(zhǎng)管拖車、管束式集裝箱、站用儲(chǔ)氫瓶組等設(shè)備所用的高強(qiáng)鋼既沒(méi)有制定標(biāo)準(zhǔn)，也沒(méi)有成熟的材料可供選用，4130X鋼已應(yīng)用于45MPa站用儲(chǔ)氫瓶組，但其可靠性尚未得到充分驗(yàn)證，需要研究提出高壓臨氫環(huán)境下設(shè)備選材的安全基本要求，開(kāi)發(fā)專用材料。針對(duì)已有應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的4130X鋼，仍需對(duì)其與高壓氫氣的相容性進(jìn)行系統(tǒng)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(guī)律，形成4130X鋼用于高壓氫氣儲(chǔ)運(yùn)場(chǎng)合的專項(xiàng)技術(shù)要求。對(duì)于IV型儲(chǔ)氫氣瓶，需要研發(fā)內(nèi)膽專用塑料材料，建立材料性能指標(biāo)體系等相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。

　　

　　(2)氫能儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備設(shè)計(jì)制造應(yīng)不斷創(chuàng)新。對(duì)于IV型瓶，其設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵技術(shù)主要有內(nèi)膽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、有限元應(yīng)力分析設(shè)計(jì)方法、塑料內(nèi)膽成型方法和工藝、內(nèi)膽與瓶口密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法等，需要研究解決結(jié)構(gòu)尺寸的確定方法及其對(duì)氣瓶安全性能的影響、內(nèi)膽與瓶口之間泄漏機(jī)理及影響因素、內(nèi)膽常見(jiàn)缺陷及其成因和預(yù)防措施等科學(xué)技術(shù)問(wèn)題，有待提出內(nèi)膽成型、纖維帶壓纏繞、樹(shù)脂固化的工藝評(píng)定方法。

　　

　　(3)儲(chǔ)氫設(shè)備的型式試驗(yàn)?zāi)芰€不全面，需加強(qiáng)試驗(yàn)環(huán)節(jié)以提高壓力容器的安全性能。對(duì)35MPa以上壓力等級(jí)的車載氫氣瓶，按GB/T 35544-2017標(biāo)準(zhǔn)的要求，型式試驗(yàn)項(xiàng)目包括氫氣循環(huán)試驗(yàn)，但我國(guó)目前還沒(méi)有通過(guò)氫循環(huán)試驗(yàn)的產(chǎn)品，氫循環(huán)試驗(yàn)裝置技術(shù)復(fù)雜度高、投資大、建設(shè)周期長(zhǎng)、建設(shè)難度大、后期維護(hù)成本高，我國(guó)僅有個(gè)別型式試驗(yàn)機(jī)構(gòu)搭建了試驗(yàn)裝置。

　　

　　此外，為推進(jìn)氫能儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的成熟發(fā)展，我們還需要對(duì)相應(yīng)的氫能儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備使用管理方面提出更高的要求，建立現(xiàn)代化管理平臺(tái)，通過(guò)搭載安全監(jiān)控系統(tǒng)并構(gòu)建基于全生命周期的大數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氫壓力設(shè)備的“智能網(wǎng)聯(lián)化”。

　　

　　

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

　　

　?。?）全金屬儲(chǔ)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(xiàn)氫脆現(xiàn)象，導(dǎo)致氣瓶在高壓下失效，出現(xiàn)爆裂等風(fēng)險(xiǎn)。2004年7月，中石化牽頭成立了由鋼鐵企業(yè)、使用單位以及有關(guān)科研單位等組成壓力容器鋼板國(guó)產(chǎn)化聯(lián)合攻關(guān)組，共同推動(dòng)鋼板研制和應(yīng)用工作。參與研制的5家鋼鐵企業(yè)(寶鋼、鞍鋼、武鋼、舞鋼、濟(jì)鋼)目前已經(jīng)陸續(xù)成功開(kāi)發(fā)了用于大型儲(chǔ)備罐的高強(qiáng)度大線能量焊接用鋼板。9Ni鋼最早由太鋼于2007年開(kāi)發(fā)生產(chǎn)，目前鞍鋼、武鋼、南鋼、湘鋼均有生產(chǎn)能力，由于儲(chǔ)罐需要6mm厚的中厚板，南鋼的市場(chǎng)份額較大。太鋼、鞍鋼和南鋼等鋼企研發(fā)的LNG低溫壓力容器用9％Ni鋼板也通過(guò)了國(guó)家容標(biāo)委鑒定審查，實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)的空白。

　　

　?。?）纖維復(fù)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(fù)合材料纏繞制造的主流氣瓶。其主要由內(nèi)膽和碳纖維纏繞層組成。Ⅲ型瓶的內(nèi)膽為鋁合金，Ⅳ型的內(nèi)膽為聚合物。纖維復(fù)合材料則以螺旋和環(huán)箍的方式纏繞在內(nèi)膽的外圍，以增加內(nèi)膽的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

　　

　　總體而言，高壓儲(chǔ)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?jī)?nèi)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(fù)合材料纏繞氣瓶的主要增強(qiáng)體。通過(guò)對(duì)高性能纖維的含量、張力、纏繞軌跡等進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制，可充分發(fā)揮高性能纖維的性能，確保復(fù)合材料增強(qiáng)壓力容器性能均一、穩(wěn)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(fù)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)。