科普 | 什么是储氢系统？

储氢系统是加氢站三大件（储氢系统、压缩机、加氢机）之一，但储氢系统的应用不止于加氢站。所以本文将视角扩展至多个环节的储氢节点：氢气制取之后的储存、运抵加氢站之后的储存，以及车载储氢，这些不同的节点也对储氢容器提出了不同的要求。

什么是储氢系统

大家平常所看到的储氢系统要么是大大的球形罐，要么是长长的气瓶。但储氢系统并不单单是一个罐子和瓶子那么简单，因为涉及到密封以及上下进口和出口的关系，所以零部件并不少。

按照美国Argonne实验室的定义，储氢系统可以分为几大部件：储氢瓶、集成瓶阀、集成压力调节模块、加氢口、储氢系统控制器以及各部分的泄压排氢装置。

这一定义是针对储氢瓶的相关系统。在储氢球罐的相关系统相对比而言更为简单一些。但上下进口和密封系统等相关零部件不可或缺。

储氢容器的分类

从种类来看，储氢容器分为储氢球罐、储氢瓶，以及特殊场景使用的液氢储罐。

从流程来看，不同的储氢系统出现在不同的流程节点：我国已经成为氢气生产第一大国，氢气生产后必须先以大容量容器进行存储，气态储氢球罐和液氢储罐出现在这一 节点。

储氢罐的氢气通过长管拖车到达加氢站后，通过泄气柱装置把氢气连接到加氢站里面的压缩机，经过压缩机增压后的氢气会存储到储氢容器中。目前国内加氢站内的储氢容器多以工业中广泛采用20MPa钢制氢瓶与增压后的45MPa钢制氢瓶、98MPa钢带缠绕式压力容器进行组合，来为车载储氢系统提供“能量”。

我国车载储氢系统有两个压强类型的需求，35兆帕和70兆帕，为了让氢气快速注入车载储氢系统，加氢站的储氢系统压强更高。但是因为钢制氢气瓶重量大，并不适宜汽车用，所以车载储氢系统使用的是技术迭代后的轻量型储氢瓶。

储氢球罐

在制氢工厂最具标志性的就是硕大的储氢球罐。这类固定式储氢容器多是由不锈钢和铝合金等金属材料制成，其设计制造技术成熟、成本低、灌装速度快、能耗也较低，但是单位质量储氢密度较小，储氢球罐压强是200至500kPa。技术要求主要针对的是耐压和绝热。

华电1500立方储氢球罐

除了气氢球罐，储氢球罐还包括液氢球罐。以往液氢主要用于军事和航空航天领域，近年来随着液氢也逐步进入商业化，液氢球罐的开发也成为氢能装备的主攻方向之一。

目前储氢球罐生产多由高压容器生产企业延伸的业务，其中中集安瑞科与兰石重装等是国内重量级的储氢球罐生产企业。

中集安瑞科：

旗下荆门宏图特种飞行器制造有限公司自2016年起为客户提供压缩氢气球罐，具备8000m³中压氢气球罐的建造能力，并完成了与高纯氨制氢项目相配套的高纯氨球罐技术的研发‌。

兰石重装：

公司在氢能源领域主要产品为加氢反应器等用氢装备、煤气化制氢装备、储氢用球罐设备等，正在研发超高压储氢装备（45Mpa/75Mpa）、高压气固组合储氢容器、POX造气制氢装置废热锅炉等。

除了气态储氢球罐，液氢储罐也有企业已经成为国际市场上的翘楚：

中集安瑞科：

旗下中集圣达因开发的国内首台商用液氢球罐装备生产线在安徽阜阳正式开工。中集圣达因研发的液氢球罐为双层真空球形容器，总容积400立方米，液氢装载量可达25吨以上，表明中集安瑞科已经攻克了超低温区下选材、超低温焊接、大温差下结构设计和绝热设计、现场施工恶劣条件下绝热材料包扎、高真空获得和长效维持等诸多技术难点。

中科富海：

通过优化结构设计最大程度减小储存、转注时液氢的损失。中科富海可提供容积40m³的液氢移动储罐，能满足车载运输7天/1000km零氢气排放的需求。在固定式液氢储罐方面，中科富海可提供100m³零蒸发液氢储罐，能保证液氢储罐长期运行中零氢气蒸发排放。

储氢瓶

储氢瓶是储氢系统商业化最成熟的领域，已经有大量企业进入储氢瓶的生产。储氢瓶的技术经历了五代的迭代，目前没有内胆只由纤维缠绕而成的V型瓶无论在国内还是国外都尚处于研究当中。

投入使用的高压储氢气瓶主要分为四个类型：全金属气瓶(Ⅰ型)、金属内胆纤维环向缠绕气瓶(Ⅱ型)、金属内胆纤维全缠绕气瓶(Ⅲ型)、非金属内胆纤维全缠绕气瓶(Ⅳ型)。

四代储氢瓶目前都在被广泛应用，这是因为其I型瓶和II瓶型以其特质适合作为加氢站储氢容器，III型瓶和IV型瓶更适合作为车载储氢容器，各有各用武之地。 

之所以加氢站和车载储氢采用不同的储氢瓶，首先是因为交通领域对氢气的重量储氢密度要求更高，Ⅰ型、Ⅱ型重容比大，难以满足氢燃料电池汽车的储氢密度要求。其次是储氢容器的自重占比对车辆的动力表现非常重要。Ⅲ型、Ⅳ型瓶因采用了纤维全缠绕结构，具有重容比小、单位质量储氢密度高等优点，目前已广泛应用于氢燃料电池汽车。

储氢瓶由内至外结构包括内衬材料、过渡层、纤维缠绕层、外保护层、缓冲层。以IV型储氢瓶为例，来看其结构组成：

·内胆：瓶壁总厚度约为20~30mm，最内层与氢气直接接触的是阻气层，厚度约为2~3mm，材料是PA6、PA612、PA11、HDPE等，起阻隔氢气的作用。 

Ⅳ型储氢瓶和Ⅳ型储氢瓶内胆

·中间层：比较厚的耐压层，材料是CFRP碳纤维增强复合材料，由碳纤维和环氧树脂构成，在保证耐压等级的前提下，尽量减小该层厚度以提高储氢效率。

·表层：厚度约为2~3mm，材料是GFRP玻纤增强复合材料，由玻璃纤维和环氧树脂构成。

IV型储氢瓶之所以更适合于车载储氢，是因为其改变了内胆的金属材质，采用高分子材料做内胆，碳纤维复合材料缠绕作为承力层，储氢质量比可达6%以上，最高能达到7%，进而成本可以进一步降低。

储氢系统构成

储氢瓶虽然是储氢系统的核心，但是在一系列辅助零部件协助下储氢系统才能安全投入应用。

加氢站储氢系统由储氢瓶、集成瓶阀、集成压力调节模块、加氢口、储氢系统控制器以及各部分的泄压排氢装置组成。

集成瓶阀

集成瓶阀是保障储氢瓶安全和顺利输氢的关键零件，它也是由多个零部件组成，分别是过滤器、流量限值阀、热&压 压力释放装置、手动阀、作为加氢入口的止回阀，以及一系列温压传感器。

集成压力控制模块通常包括自动截止阀、手动放空阀（用于维修）、压力调节器、紧急泄压阀和压力传感器。

储氢系统的性能可以用储氢容量、系统储氢质量密度、系统储氢体积密度、每千瓦时储氢成本、充放循环寿命、最小运输压力这几个重要参数来评价。

车载储氢系统

车载储氢系统因应用场景的不同，其构成与加氢站储氢系统有不同。其结构包括：含瓶阀的储氢瓶、供氢管、加氢口、高压氢气管路、压力传感器、单向阀、减压器、氢系统桁架。

捷氢科技70MPa燃料电池车载储氢系统

车载储氢系统采取的是叠放带桁架加以固定的形式，瓶的数量根据车的功率等指标有不同数字，商务车中以6瓶居多，摆放模式多数如下：

而在乘用车中多以前后两个储氢瓶为主：

搭载两个Ⅳ型储氢瓶的氢燃料电池汽车

储氢系统生产企业

储氢瓶是储氢系统中商业化最成熟的一环，所以集中了大量的生产企业：

中材科技：

以III型、IV型储氢瓶为主，目前公司批量生产35MPa的高压储氢瓶，主要应用于商用车及无人机领域，市占率领先。70MPa III型储氢瓶已经供货，70MPa IV型瓶已完成技术储备。

中集安瑞科：

III型、IV型储氢瓶为主，2020年5月，中集安瑞科通过与Hexagon的合作，涉足IV型瓶并将其引入中国市场，挪威Hexagon为IV型储氢瓶领域鼻祖。双方联合成立针对中国及东南亚市场快速增长的高压氢气储运的合营公司。于2021年第二季度开始Ⅳ型储氢瓶的生产设施建设。

京城股份：

以III型、IV型储氢瓶为主。其子公司天海工业是著名的储氢容器生产企业，具有8个专业气体储运装备生产基地。公司35MPa、70MPa III型瓶具备批量供货能力；2021年5月17日，公司发布具有完全自主知识产权的IV型瓶，完成了20MPa、35MPa、70MPa多种规格IV型瓶产品设计及试制。

亚普股份：

以III型、IV型储氢瓶为主，公司专业从事汽车燃料系统的研发、制造和销售，产品主要是乘用车用塑料燃油箱及加油管(注油管)。

国富氢能：

主营产品包括车载高压供氢系统及相关产品、加氢站设备及相关产品、氢气液化及液氢储运设备、水电解制氢设备及相关产品。在储氢球罐和储氢瓶都有多项产品问世。车载高压供氢系统及相关产品、加氢站设备及相关产品为国富氢能主要营收产品，2023年分别贡献3.01亿元、1.23亿元收入，占比分别为57.6%、23.6%。

巨化集团：

公司与浙江大学合作开展“863”项目高压储氢罐的制造，完成了加氢示范站（在北京）三台氢气储存容器（压力分别为47Mpa和75MPa，容积5m3）的制作交付使用并顺利通过验收；在钢制包装容器系列方面，分别建有非重复充装钢瓶、可重复充装钢瓶到罐式集装箱生产线。

富瑞特装：

公司正在进行氢燃料电池车用液氢供气系统及配套氢阀的研发工作，该产品是对目前应用较多的车用高压供氢系统的补充，主要用于氢燃料电池重卡，液氢供气系统产品样品现已试制完成有待进行装车试验，配套氢阀有待交付第三方进行试验。

奥扬科技：

目前公司已经完成了多款IV型瓶产品的研发制造，完成了塑料内胆与金属瓶嘴密封性能专利、碳纤维缠绕技术、产品的一致性等“卡脖子”技术。产品的压力等级涵盖20MPa-70MPa。

科泰克：

公司是专业生产高压容器的高新技术企业。长期从事铝合金内胆、呼吸气瓶、车用复合气瓶、高压及超高压容器的设计、生产和销售。已展开IV型瓶的材料选型匹配等基础性研究工作。隶属国家市场监管总局的中国特种设备检测研究院，也已经到参与到国家70MPaIV型瓶的课题研究中。

未势能源：

2023年初，未势能源自主研发的第二代70MPa-57L Ⅳ型储氢瓶取得突破性进展，质量储氢密度达到6.1wt%，超过美国能源部（DOE）设定的2025年质量储氢密度目标值5.5wt%，且优于当前国际市场主流品牌同类产品指标，达到世界领先水平，主要适用于氢燃料电池乘用车型车载储氢系统。

碳纤维和阀门企业

碳纤维是制造储氢瓶的关键原材料，其本身的成本和性能，对储氢瓶的成本和使用性能有着很大影响。根据相关研究，碳纤维复合材料的成本约占到储氢瓶整体成本的60%以上。与燃油汽车相比，搭载碳纤维复合材料储氢瓶的汽车，燃油效率改善效果显著。通常情况下，1台燃料电池汽车平均载有6只气瓶，1只气瓶大约需要40千克碳纤维。

纤维缠绕工艺是储氢瓶制备过程中的重要环节，主要分为湿法缠绕、干法缠绕和干湿法缠绕。其中，湿法缠绕是指将碳纤维丝束进行浸渍处理，然后在张应力控制下直接缠绕于芯模上。该方法的生产成本低，是高压储氢瓶最常见的缠绕工艺。

知名碳纤维企业包括中材科技、中复神鹰、光威复材、海控复材、金博碳素等，而且正在有大量企业涌入这一赛道。

‌阀门是构成车载供氢系统至关重要的一环，具有检测温度、控制流量、净化气体以及减少氢气泄露风险等作用，是保障燃料电池汽车安全运转的关键模块。其中，阀门包括瓶口阀、减压阀以及其它阀门。

近年来，随着氢车推广数量的不断提升，国产车载储氢系统阀门的市场占比也在逐步提升。根据国内主要储氢系统企业反馈的情况统计，2023年，国产阀门在车载储氢系统领域的市场份额已经提升到50%以上，而在2022年，车载储氢系统阀门的国产化占比仅有20%-30%。储氢阀门生产企业‌主要包括苏州纽威阀门股份有限公司、富瑞特装、京城股份、中材科技、江苏神通等。

储氢系统标准

储氢系统的最基础设计要求是必须满足氢安全要求，包括与高压氢气直接接触的零部件材料应具备氢气兼容性，并考虑氢脆现象对设计寿命的影响。例如，高压管材料应选择抗氢脆的316L不锈钢材料。此外，零部件需要根据整车实际运营工况完成功能性试验和安全性试验，包括耐久试验、压力、温度、振动循环试验、气密测试、爆破压力等‌。

‌储氢系统的标准‌主要包括以下几个方面：

液氢方面，国内发布了三项液氢相关的国家标准，包括《氢能汽车用燃料 液氢》、《液氢贮存和运输技术要求》和《液氢生产系统技术规范》，以及国际上的相关标准，如NSS 1740.16、《AIAA-G-095》等，涵盖了液氢的贮存和运输技术要求及安全指导‌。

这些标准共同构成了储氢系统的设计、安装、运行和管理的全面指导，确保了储氢系统的安全性和可靠性。

内容资料来源：艾氢科技、中材科技、中集安瑞科等