科普|什么是高压气态储氢？

在当今全球能源转型的大背景下，氢能作为一种清洁、高效且可持续的能源，正逐渐崭露头角。而在氢能的广泛应用中，高压气态储氢技术扮演着至关重要的角色，尤其是在燃料电池汽车领域，其地位更是举足轻重。

高压气态储氢的定义

高压气态储氢是指在高压条件下压缩氢气，将压缩后的高密度氢气存储于耐高压容器中，从而实现氢气的有效储存和按需释放。

目前国内储氢技术中最为成熟、应用最为广泛的就是高压气态储氢。高压气态储氢技术通常采用储氢气罐作为容器，具有设备结构简单、压缩氢气制备能耗低、充装和排放速度快、温度适应范围广等优点。因此，高压气态储氢预计在未来较长的时间内仍将占据氢能储存技术的主导地位。最初发展期高压气态储氢技术的历史可以追溯到20世纪中叶。随着对氢能研究的深入，科学家们发现，通过高压压缩的方式，可以在常温常压下存储气态的氢气。这种储氢方法因其设备结构简单、压缩氢气制备能耗低、充装和排放速度快、温度适应范围广等优点，逐渐成为最常用、最成熟的储氢技术。技术成熟期在20世纪末至21世纪初，高压气态储氢技术得到了快速发展，并在燃料电池汽车上得到广泛应用。在这个时期，各国政府和企业加大对氢能领域的研发和支持力度，推动了高压气态储氢技术的进步和商业化应用。

技术创新期

目前，高压气态储氢技术仍在不断进步。研究人员致力于提高储氢瓶的工作压力、减小罐体质量、提高储氢容量，并开发新型材料来改善储氢瓶的强度和安全性。此外，随着氢燃料电池汽车的普及，对高压气态储氢的需求也在不断增加。

高压气态储氢的工作原理

高压气态储氢的工作原理主要是通过压缩机来实现氢气的压缩。这一过程可以直接将氢气压缩到装入储氢容器所需的高压状态，或者先以相对较低的压力进行初步压缩并存储，待加注时再启动氢压缩机，根据实际需求对储氢容器进行增压，最终达到目标压力。

隔膜式压缩机

在直接压缩的模式下，压缩机需要具备强大的功率和高效的冷却系统，以应对压缩过程中产生的巨大热量和压力。在分步压缩的方式中，虽然前期的压力相对较低，但也需要精确的控制和监测，确保氢气在存储过程中的稳定性和安全性。为了实现高效的压缩，压缩机的设计和制造至关重要。先进的压缩机采用了高性能的材料和精密的制造工艺，以确保其在长期运行中的可靠性和稳定性。同时，与之配套的冷却系统也需要具备出色的散热能力，及时带走压缩过程中产生的热量，防止温度过高对设备和氢气的性质造成不利影响。

液趋势压缩机原理

在整个压缩和增压的过程中，还需要一系列的传感器和控制系统来实时监测压力、温度、流量等参数。这些数据不仅能够帮助操作人员及时了解系统的运行状态，还能为优化压缩过程、提高能源利用效率提供重要依据。此外，储氢容器的设计也与工作原理密切相关。容器需要能够承受高压氢气带来的巨大压力，同时还要具备良好的密封性能，防止氢气泄漏。为了满足这些要求，储氢容器通常采用高强度的金属材料或复合材料制造，并经过严格的压力测试和安全评估。

高压气态储氢的优势

高压气态储氢作为一种常见的储氢方式，具有多方面的优势，这些优势使得它成为了燃料电池汽车和其他氢能应用中的一个重要选项。以下是其主要的优点：

1、 较高的储氢密度尽管高压气态储氢的质量体积密度相比其他储氢方法较小，但它可以通过提高压力来增加单位体积的氢气密度，从而提高储氢效率。

2、较快的充放氢速度高压气态储氢具有较快的充放氢速度，这意味着它可以快速地补充氢气，这对于燃料电池汽车的日常使用非常有利。

3、 较低的能耗与液态储氢相比，高压气态储氢的能耗较低，因为它不需要将氢气冷却到极低的温度，这在一定程度上降低了能源消耗和运行成本。

4、 较广的温度适应性高压气态储氢能够在常温下工作，甚至在零下几十度的低温环境下也能正常运行，这使得它在各种气候条件下都能稳定地发挥作用。

5、较少受工作环境影响与其他储氢方式相比，高压气态储氢受工作环境的影响较小，这使得它更适合在不同的应用场景中使用。

储氢容器

通过高压压缩，氢气以不同压力被压缩并装入储氢容器中，这种容器被称为储氢瓶。由于氢气独特的物理化学特性，其对储氢瓶材料要求较高。高压储氢瓶罐按材料可分为纯钢制金属瓶（I型），钢制内胆纤维环向缠绕瓶（II型），铝内胆纤维全缠绕瓶（III型）及塑料内胆纤维缠绕瓶（IV型）4个类型；按用途可分为固定式储氢瓶与移动式储氢瓶，其中移动式储氢瓶主要为车用储氢瓶与运输用高压储氢瓶。

纯钢制金属瓶（I 型）是最早出现的储氢容器之一，其结构简单，成本相对较低。然而，由于钢的密度较大，导致这种瓶子的重量较重，单位质量储氢密度较低，限制了其在一些对重量和空间要求较高的应用场景中的使用。

钢制内胆纤维缠绕瓶（II 型）在 I 型瓶的基础上进行了改进，通过在钢制内胆外缠绕纤维材料，提高了瓶子的强度和耐压能力。但与后续发展的 III 型和 IV 型瓶相比，其重容比仍然较大，储氢效率有待进一步提高。

铝内胆纤维缠绕瓶（III 型）则是一种更为先进的储氢容器。铝的密度相对较小，使得瓶子的自重减轻，同时纤维缠绕层进一步增强了其耐压性能。这种瓶子具有较高的单位质量储氢密度和较好的安全性，因此在一些对储氢性能要求较高的领域得到了广泛应用。

塑料内胆纤维缠绕瓶（IV 型）是目前最为先进的车载储氢容器之一。塑料内胆具有良好的耐腐蚀性和密封性，能够有效防止氢气泄漏。中层的耐压碳纤维缠绕层提供了强大的支撑和保护，而表层的玻璃纤维强化树脂层则进一步增强了瓶子的抗冲击和耐磨性能。由于其重容比小、单位质量储氢密度高，能够在有限的空间内存储更多的氢气，为氢燃料电池汽车提供更长的续航里程，因此已广泛应用于氢燃料电池汽车领域。

随着材料科学和制造工艺的不断进步，未来储氢容器的发展方向将更加注重轻量化、高强度、高安全性和低成本。新型材料的研发和应用，以及制造工艺的创新，将不断推动高压气态储氢技术的发展，为氢能的广泛应用创造更加有利的条件。

不同类型储氢瓶介绍

目前，高压储氢瓶用碳纤维主要采用T700级及以上规格。从企业碳纤维生产企业角度来看，目前碳纤维生产企业中，日本和美国依旧占据主导地位。

在储氢容器基础材料方面，罐体材料实现了国产化，但是高性能碳纤维材料被日本及美国垄断；东丽的碳纤维是全球车载储氢瓶企业的主要供应商，中国的车载高压储氢瓶碳纤维基本都来自东丽。

在储氢容器生产工艺方面，碳纤维缠绕设备与高压罐体加工设备仍需进口，整体国产化率约50%左右。

不同应用场景

高压气态储氢作为一种高效的氢能储运方式，其应用场景主要集中在加氢站、氢能运氢车、氢燃料电池车以及应急电源、备用电源和氢储能等方面。

固定式储氢罐：目前，固定式储氢罐主要用于加氢站、制氢站。根据近期各省市出台的氢能规划政策，固定式储氢罐市场需求较大，但竞争对手较少，市场前景广阔。根据氢气加注压力，加氢站分为35MPa和70MPa两类。我国绝大多数在用或在建的是35MPa加氢站。为了适应燃料电池汽车供氢系统压力逐渐从35MPa增加到70MPa的需求，加氢站的加注压力提高到70MPa已到了十分紧迫的地步。随着氢能产业发展，加氢站、制氢站的建设增多，储罐需求也将增加，高压、高容量的储罐需求将逐步释放。

车载储氢气瓶：在高压储氢技术中，目前最为成熟且成本较低的技术是钢制氢瓶和钢制压力容器，但是钢制氢气瓶由于较高的重量，不适宜汽车用，因此车用高压储氢瓶的国际主流技术通过以铝合金/燃料作为内胆，外层则用碳纤维进行包覆（即所谓的Ⅲ型、Ⅳ型瓶），提升氢瓶的结构强度并尽可能减轻整体质量。国内车载储氢气瓶的企业较多，特别是Ⅲ型。随着氢燃料车的发展，车载储氢瓶是竞争最大的领域。

管束集装箱：现阶段，我国普遍采用20MPa气态高压储氢与管束集装箱运输的方式。在加氢站日需求量500kg以下，运输距离在200公里以内经济性较高。

高压气态储氢技术作为氢能产业链中的核心环节，其应用领域正不断拓展，不仅应用于氢能源汽车领域，还将逐渐拓展到电力、工业等领域，以满足日益多样化的能源需求。在氢能产业链中，储运环节的成本占据了相当大的比重，氢气储运成本的高低直接影响到氢能应用的经济性和普及度。因此，降低氢气储运成本成为了行业内的共识和努力方向。希望高压气态储氢行业的企业可以通过技术创新、优化布局和政策支持等措施，可以有效降低氢气的储运成本，提高氢能应用的经济性和普及度，为氢能产业的快速发展提供有力支持。