我国氢能高压储运设备发展现状及挑战

 

近年来，国内外已发生数起事故。2019年6月，美国加州圣塔克拉拉发生长管拖车氢气泄漏爆炸事故；同月，挪威桑威卡发生加氢站储氢容器爆炸事故；2021年8月，沈阳市发生氢气罐车软管破裂爆燃。这为氢能安全储运敲响了警钟。随着氢能快速发展，我国氢能高压储运设备的种类和数量快速增长，使用条件极端化，风险程度加大，安全保障面临新的挑战。

 

一、基本特点

 

与压缩天然气储运设备、加氢反应器等高压设备相比，氢能高压储运设备具有以下三个基本特点。

 

（1）氢气易漏易燃易爆且储量大，一旦失效，危害严重。

 

与汽油和天然气相比，氢气的密度小、扩散系数大、点火能量低、燃烧和爆炸范围宽、燃烧火焰速度快，具有易漏易燃易爆的特性。氢能高压储运设备的储氢量大。例如，根据GB50516-2010《加氢站技术规范（2021年版）》，一级、二级、三级加氢站单台储氢高压容器的最大氢气容量分别为2000，1500，800kg，一旦泄漏爆炸，危害严重。若氢气泄漏后被立即点燃，就会形成氢喷射火；若泄漏至受限空间，则易形成可燃氢气云，一旦被点燃就会产生爆燃、爆轰，对设备安全运行和人民生命财产安全造成严重危害。

 

（2）压缩氢气压力高，存在氢脆风险。

 

如图所示，氢能高压储运设备的储氢压力高，这些设备长期在高压氢气环境下运行，其临氢材料易因氢脆而产生性能劣化。

 

 

图 氢能高压储运设备及其储氢压力

 

金属材料氢脆主要表现为韧性降低、疲劳裂纹扩展速率加快、氢致开裂应力强度因子门槛值减小等。

 

非金属材料氢脆主要表现为氢气溶解引起的材料弹性模量、拉伸强度、摩擦系数等发生变化，以及快速降压使材料内部产生氢鼓泡和裂纹等缺陷。

 

（3）服役性能影响因素多且机制复杂，调控困难。

 

氢能高压储运设备的服役性能受到材料（抗拉强度、化学成分、微观组织等）、环境（氢气压力、环境温度、氢气纯度等）、应力（载荷、结构、加载方式等）及制造（成型工艺、热处理、表面质量等）等诸多因素的综合影响。

 

通常，材料强度越高，疲劳裂纹扩展速率越快，氢致开裂应力强度因子门槛值越低；氢气压力越高，氢脆敏感性越高；加载频率越低，材料氢脆越严重；应力强度因子范围ΔK较小时，氢对材料疲劳裂纹扩展速率影响较小，但ΔK超过一定值后，影响显著；临氢材料表面粗糙度越大，高压氢气对设备疲劳性能的损减越严重。

 

此外，各因素之间还可能存在耦合作用。例如：有研究发现，当氢气压力小于40MPa时，Cr-Mo钢的氢脆敏感性随着加载频率的减小反而降低。由于影响因素众多且机制复杂，对氢能高压储运设备的服役性能预测和调控非常困难。

 

二、发展现状

 

1、储氢高压设备

 

（1）固定式储氢高压容器

 

固定式储氢高压容器主要用于加氢站、氢储能、应急电站等，目前在加氢站中应用最为广泛。根据结构特点，我国固定式储氢高压容器主要包括单层钢质储氢高压容器和多层钢质储氢高压容器。

 

单层钢质储氢高压容器主要有旋压式储氢高压容器和单层整锻式储氢高压容器。旋压式储氢高压容器由无缝钢管旋压而成，其设计压力通常不超过50MPa，目前主要用于35MPa加氢站。该类容器结构简单、制造成本低、可批量生产，但其容积受到限制。目前，单台容器的水容积通常不超过1000L，因此多以容器组形式（有的容器数高达21台）使用，需要加强火灾、撞击等极端条件下多台容器间的相互作用机制及其对失效行为影响的研究。此外，该类容器多采用Cr——Mo钢（主要为4130X）制造，材料氢脆敏感性较高。

 

多层钢质储氢高压容器主要有钢带错绕式全多层储氢高压容器、层板包扎式储氢高压容器。相比单层钢质储氢高压容器，该类容器的储氢压力更高，容积也更大。例如，50MPa、98MPa钢带错绕式全多层储氢高压容器的容积分别达到7.3，1m3。此外，该类容器的临氢材料常采用抗氢脆性能好的奥氏体不锈钢，有利于防止氢脆引起的失效，但该类容器的结构较为复杂，制造周期较长，对焊接接头质量要求较高。

 

在国家973计划项目“高压氢系统大型承载件设计制造的基础研究”、国家重点研发计划项目“氢能储运装备性能检测及质量评价技术研究”等持续支持下，经过20多年努力，我国已实现固定式储氢高压容器的自主可控。据统计，截至2021年底，我国已建成加氢站191座，在役固定式储氢高压容器超1500台。

 

 

图 佛吉亚70MPa IV型高压车载储氢瓶，图源盖世汽车

 

（2）高压氢气瓶

 

高压氢气瓶主要用于氢能交通运载，如氢燃料电池乘用车、物流车、大巴车、叉车、重卡、轮船、无人机等。氢燃料电池叉车主要采用钢质高压氢气瓶，其余则采用铝内胆碳纤维全缠绕氢气瓶（简称Ⅲ型瓶）和塑料内胆碳纤维全缠绕氢气瓶（简称Ⅳ型瓶）。除具有氢能高压储运设备的基本特点外，高压氢气瓶还具有以下特点：

 

体积、重量受限，受车内空间限制，气瓶的容积通常不大于450L，其质量越轻，越有利于提高整车性能及降低成本；

 

充装要求特殊，气瓶充装速度快且需与加氢机实时通讯，乘用车的充装时间通常为3——5min，氢气快充会导致温升，进而影响气瓶性能；

 

使用寿命长，设计使用年限通常为10——15年，甚至更长；

 

使用环境复杂多变，使用环境和车辆所在的地域、路况条件等有关，存在机械损伤、环境侵蚀等风险。

 

在国家市场监督管理总局特种设备安全监察局领导下，我国高压氢气瓶的总体发展思路是：结构从Ⅲ型到Ⅳ型，压力从低到高，稳步推进。

 

目前，公称工作压力为35MPa和70MPa的Ⅲ型瓶已实现自主设计制造和批量生产，质量储氢密度3.8%——4.5%，达到国际先进水平，广泛用于氢燃料电池电动汽车等氢燃料电池交通运载工具，目前在役数量超过4万只。Ⅳ型瓶在国外的研发和应用较早，美国Hexagon、日本丰田、韩国ILJIN等都已研发出了70MPa的Ⅳ型瓶产品，质量储氢密度已达5.7%。科技部于2019年立项支持“70MPa车载高压储氢瓶技术”研究，2019年和2020年我国分别颁布了团体标准T/CATSI02005—2019《液化石油气高密度聚乙烯内胆玻璃纤维全缠绕气瓶》和T/CATSI02007—2020《车用压缩氢气塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶》，有力推动了我国Ⅳ型瓶的发展。目前，我国LPG-Ⅳ型瓶产能已超100万只/年，Ⅳ型氢气瓶产品也已面市。

 

2、输氢高压设备

 

（1）道路输氢设备

 

道路输氢设备通过公路、铁路等输送、分配氢气，适用于距离短、氢气使用量较少的场合，主要包括长管拖车和管束式集装箱。我国已有较成熟的长管拖车和管束式集装箱设计制造和使用经验。该类设备的公称工作压力通常为20——30MPa，容积不大于3000L，单车运氢量不超过500kg，运输效率低、成本高。为提高单车氢气运输量，科技部于2020年将“公路运输用高压、大容量管束集装箱氢气储存技术”列入“可再生能源与氢能技术”重点专项，研制50MPa以上大容量碳纤维缠绕储氢瓶与管束式集装箱。

 

（2）氢气管道

 

氢气管道具有种类多、管径和压力范围大、量大面广等特点，分类及用途如上图所示。

 

 

图 氢气管道分类及用途

 

目前，欧美地区已建成多条氢气长输管线，总长度逾5000km。相比之下，我国虽然在氢气工业管道、专用管道方面积累了较为丰富的管道设计、施工、运行和维护经验，但氢气长输管道建设起步较晚。

 

据香橙会研究院统计，当前全国氢气及掺氢管道分布情况如下图所示。

 

 

图 氢气及掺氢管道分布情况，资料来源香橙会研究院

 

3、规范标准

 

为了引导氢能高压储运设备的健康发展，我国对规范标准的制定极为重视，已经在测试方法、产品等方面制定了系列标准。如图所示。

 

 

图 氢能高压储运设备相关标准

 

目前，我国正在组织起草加氢站储氢压力容器、氢气瓶组合阀、氢气瓶定期检验、加氢站氢气充装协议等相关国家标准。

 

三、面临挑战

 

1、安全性

 

安全可靠是氢能高压储运设备最基本的要求，目前该类设备依然在法规、技术及管理等方面存在风险。

 

法规方面，现有的特种设备安全技术规范缺少针对35MPa以上氢能储运设备的基本安全要求；

 

技术方面，存在材料氢环境性能数据缺失、产品设计方法选择不当、产品性能一致性差、设备检验检测能力不足及方法缺失等风险；

 

管理方面，存在设备与使用场景不匹配（如气瓶直接用于加氢站储氢）、盲目进口国外产品等风险。

 

此外，随着从示范阶段向商用阶段逐步转变，氢燃料电池电动汽车的车载供氢系统压力逐渐从35MPa向70MPa发展，加氢站储氢容器设计压力也逐渐从50MPa提升到98MPa，这对氢能高压储运设备提出了更高的安全要求。

 

2、轻量化

 

轻量化是车载高压氢气瓶、长管拖车及管束式集装箱等氢能高压储运设备的基本要求。实现轻量化不但有益于提升整车的动力性能，而且有益于提高燃料电池电动汽车的续航能力，以及长管拖车和管束式集装箱的输氢能力。

 

为了推动我国氢能高压储运设备的轻量化发展，国家重点研发计划项目“70MPa车载高压储氢瓶技术”的技术指标中要求质量储氢密度不小于5.0%。对于长管拖车和管束式集装箱等设备，目前主要通过提升储氢压力以及优化复合材料结构等方式实现轻量化，国家重点研发计划项目“公路运输用高压、大容量管束集装箱氢气储存技术”的技术指标中要求公称工作压力不小于50MPa，质量储氢密度不小于5.5%。

 

3、低成本

 

氢能高压储运设备在加氢站、氢燃料电池电动汽车等系统中所占的成本比例较高。例如，加注能力为800kg/天的70MPa加氢站中储氢容器所占成本比例约为15%，且加氢站规模越大，储氢容器所占成本比例越高。因此，降低氢能高压储运设备的成本对氢能产业整体成本的降低有重要意义。DOE发布了固定式储氢容器和燃料电池汽车用氢气瓶的成本目标：固定式低压（16MPa）储氢容器储存1kg氢气的最终成本目标为450美元，中压（43MPa）和高压（92.5MPa）容器为600美元；车载氢气瓶储存1kg氢气的最终成本目标为266美元。

 

目前，在满足安全性等基本要求的前提下，降低成本依然是氢能高压储运设备面临的挑战。在氢能高压储运设备的建造成本中，材料成本所占比例最高，因此通过开发高性能、低成本抗氢材料可以有效降低设备成本。此外，通过优化结构、改进设计方法和制造工艺、实现规模化生产也可以降低设备成本。