我國氫能高壓儲運設備發展現狀及挑戰
來源：知網 2023-06-06
氫能具有來源多樣、利用高效、清潔環保、應用廣泛等特點，是全球能源轉型升級的重要方向，也是實現碳中和目標的重要途徑。美國、日本、歐盟等主要發達國家早在20世紀就開始布局氫能產業，中國近期也頒布了《氫能產業發展中長期規劃(2021-2035年)》。
《“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要》指出：“在氫能與儲能等前沿科技和產業變革領域，組織實施未來產業孵化與加速計劃，謀劃布局一批未來產業”。 科技部“十四五”國家重點研發計劃將“氫能技術”列為重點專項。在政策和市場驅動下，我國氫能產業已初具規模，超過1/3中央企業布局氫能產業鏈，并取得了一批技術研發和示范應用成果。預計到2050年，氫能將在我國交通運輸、儲能、工業、建筑等領域廣泛使用，氫能產業鏈產值有望超過10萬億元。
氫能產業鏈包括制氫、儲氫、運氫及用氫，其中氫能儲運是連接產業鏈上下游的關鍵環節。目前，氫能儲運主要包括氣態儲運、液態儲運和固態儲運三種方式，其中高壓氣態儲運以其設備結構簡單、充放氫速度快、適應溫度范圍廣等優點，成為目前主流的氫能儲運方式。
氫能高壓儲運設備是指用于氫能儲存、運輸的高壓設備。儲氫高壓設備包括固定式儲氫高壓容器和高壓氫氣瓶，輸氫高壓設備則包括道路輸氫設備和氫氣管道。由于高壓氫氣儲量大、充放頻繁且易導致氫脆，因此，氫能高壓儲運設備具有潛在的泄漏和爆炸危險。
近年來，國內外已發生數起事故。2019年6月，美國加州圣塔克拉拉發生長管拖車氫氣泄漏爆炸事故；同月，挪威桑威卡發生加氫站儲氫容器爆炸事故；2021年8月，沈陽市發生氫氣罐車軟管破裂爆燃。這為氫能安全儲運敲響了警鐘。
隨著氫能快速發展，我國氫能高壓儲運設備的種類和數量快速增長，使用條件極端化，風險程度加大，安全保障面臨新的挑戰。本文介紹氫能高壓儲運設備的基本特點、發展現狀和面臨挑戰，并提出若干研究建議。
1基本特點
與壓縮天然氣儲運設備、加氫反應器等高壓設備相比，氫能高壓儲運設備具有以下三個基本特點。
(1)氫氣易漏易燃易爆且儲量大，一旦失效，危害嚴重。
與汽油和天然氣相比，氫氣的密度小、擴散系數大、點火能量低、燃燒和爆炸范圍寬、燃燒火焰速度快，具有易漏易燃易爆的特性。氫能高壓儲運設備的儲氫量大。
例如，根據GB 50516—2010《加氫站技術規范(2021年版)》,一級、二級、三級加氫站單臺儲氫高壓容器的最大氫氣容量分別為2 000,1 500,800 kg, 一旦泄漏爆炸，危害嚴重。若氫氣泄漏后被立即點燃，就會形成氫噴射火；若泄漏至受限空間，則易形成可燃氫氣云，一旦被點燃就會產生爆燃、爆轟，對設備安全運行和人民生命財產安全造成嚴重危害。
(2)壓縮氫氣壓力高，存在氫脆風險。
氫能高壓儲運設備的儲氫壓力高：加氫站儲氫容器的設計壓力可達98 MPa甚至更高；氫燃料電池交通運載工具用高壓氫氣瓶的公稱工作壓力為35,70 MPa; 長管拖車和管束式集裝箱的公稱工作壓力通常為20～30 MPa; 氫氣長輸管道的壓力一般為2～20 MPa。
這些設備長期在高壓氫氣環境下運行，其臨氫材料易因氫脆而產生性能劣化。金屬材料氫脆主要表現為韌性降低、疲勞裂紋擴展速率加快、氫致開裂應力強度因子門檻值減小等。例如，與空氣環境相比，4130X在45 MPa氫氣環境下的疲勞裂紋擴展速率加快10～15倍，斷裂韌度減小70%以上。非金屬材料氫脆主要表現為氫氣溶解引起的材料彈性模量、拉伸強度、摩擦系數等發生變化，以及快速降壓使材料內部產生氫鼓泡和裂紋等缺陷。
(3)服役性能影響因素多且機制復雜，調控困難。
氫能高壓儲運設備的服役性能受到材料(抗拉強度、化學成分、微觀組織等)、環境(氫氣壓力、環境溫度、氫氣純度等)、應力(載荷、結構、加載方式等)及制造(成型工藝、熱處理、表面質量等)等諸多因素的綜合影響。
通常，材料強度越高，疲勞裂紋擴展速率越快，氫致開裂應力強度因子門檻值越低;氫氣壓力越高，氫脆敏感性越高;加載頻率越低，材料氫脆越嚴重；應力強度因子范圍ΔK較小時，氫對材料疲勞裂紋擴展速率影響較小，但ΔK超過一定值后，影響顯著;臨氫材料表面粗糙度越大，高壓氫氣對設備疲勞性能的損減越嚴重。此外，各因素之間還可能存在耦合作用。
例如：有研究發現，當氫氣壓力小于40 MPa時，Cr-Mo鋼的氫脆敏感性隨著加載頻率的減小反而降低。由于影響因素眾多且機制復雜，對氫能高壓儲運設備的服役性能預測和調控非常困難。
2發展現狀
2.1儲氫高壓設備
2.1.1固定式儲氫高壓容器
固定式儲氫高壓容器主要用于加氫站、氫儲能、應急電站等，目前在加氫站中應用最為廣泛。根據結構特點，我國固定式儲氫高壓容器主要包括單層鋼質儲氫高壓容器和多層鋼質儲氫高壓容器。
單層鋼質儲氫高壓容器主要有旋壓式儲氫高壓容器和單層整鍛式儲氫高壓容器。旋壓式儲氫高壓容器由無縫鋼管旋壓而成，其設計壓力通常不超過50 MPa, 目前主要用于35 MPa加氫站。
該類容器結構簡單、制造成本低、可批量生產，但其容積受到限制。目前，單臺容器的水容積通常不超過1 000 L,因此多以容器組形式(有的容器數高達21臺)使用，需要加強火災、撞擊等極端條件下多臺容器間的相互作用機制及其對失效行為影響的研究。此外，該類容器多采用Cr-Mo鋼(主要為4130X)制造，材料氫脆敏感性較高。
多層鋼質儲氫高壓容器主要有鋼帶錯繞式全多層儲氫高壓容器、層板包扎式儲氫高壓容器。相比單層鋼質儲氫高壓容器，該類容器的儲氫壓力更高，容積也更大。
例如，50,98 MPa鋼帶錯繞式全多層儲氫高壓容器的容積分別達到7.3,1 m3。此外，該類容器的臨氫材料常采用抗氫脆性能好的奧氏體不銹鋼，有利于防止氫脆引起的失效，但該類容器的結構較為復雜，制造周期較長，對焊接接頭質量要求較高。
在國家973計劃項目“高壓氫系統大型承載件設計制造的基礎研究”、國家重點研發計劃項目“氫能儲運裝備性能檢測及質量評價技術研究”等持續支持下，經過20多年努力，我國已實現固定式儲氫高壓容器的自主可控。據統計，截至2021年底，我國已建成加氫站191座，在役固定式儲氫高壓容器超1500臺。
2.1.2高壓氫氣瓶
高壓氫氣瓶主要用于氫能交通運載，如氫燃料電池乘用車、物流車、大巴車、叉車、重卡、輪船、無人機等。氫燃料電池叉車主要采用鋼質高壓氫氣瓶，其余則采用鋁內膽碳纖維全纏繞氫氣瓶(簡稱Ⅲ型瓶)和塑料內膽碳纖維全纏繞氫氣瓶(簡稱Ⅳ型瓶)。除具有氫能高壓儲運設備的基本特點外，高壓氫氣瓶還具有以下特點:
(1)體積、重量受限，受車內空間限制，氣瓶的容積通常不大于450 L,其質量越輕，越有利于提高整車性能及降低成本；(2)充裝要求特殊，氣瓶充裝速度快且需與加氫機實時通訊，乘用車的充裝時間通常為3～5 min, 氫氣快充會導致溫升，進而影響氣瓶性能 ;(3)使用壽命長，設計使用年限通常為10～15年，甚至更長；(4)使用環境復雜多變，使用環境和車輛所在的地域、路況條件等有關，存在機械損傷、環境侵蝕等風險。
在國家市場監督管理總局特種設備安全監察局領導下，我國高壓氫氣瓶的總體發展思路是：結構從Ⅲ型到Ⅳ型，壓力從低到高，穩步推進。目前，公稱工作壓力為35 MPa和70 MPa的Ⅲ型瓶已實現自主設計制造和批量生產，質量儲氫密度3.8%～4.5%,達到國際先進水平，廣泛用于氫燃料電池電動汽車等氫燃料電池交通運載工具，目前在役數量超過4萬只。
Ⅳ型瓶在國外的研發和應用較早，美國Hexagon、日本豐田、韓國ILJIN等都已研發出了70 MPa的Ⅳ型瓶產品，質量儲氫密度已達5.7%。科技部于2019年立項支持“70 MPa車載高壓儲氫瓶技術”研究，2019年和2020年我國分別頒布了團體標準T/CATSI 02 005—2019《液化石油氣高密度聚乙烯內膽玻璃纖維全纏繞氣瓶》和T/CATSI 02 007—2020《車用壓縮氫氣塑料內膽碳纖維全纏繞氣瓶》,有力推動了我國Ⅳ型瓶的發展。目前，我國LPG-Ⅳ型瓶產能已超100萬只/年，Ⅳ型氫氣瓶產品也已面市。
2.2輸氫高壓設備
2.2.1道路輸氫設備
道路輸氫設備通過公路、鐵路等輸送、分配氫氣，適用于距離短、氫氣使用量較少的場合，主要包括長管拖車和管束式集裝箱。我國已有較成熟的長管拖車和管束式集裝箱設計制造和使用經驗。該類設備的公稱工作壓力通常為20～30 MPa, 容積不大于3 000 L,單車運氫量不超過500 kg, 運輸效率低、成本高。為提高單車氫氣運輸量，科技部于2020年將“公路運輸用高壓、大容量管束集裝箱氫氣儲存技術”列入“可再生能源與氫能技術”重點專項，研制50 MPa以上大容量碳纖維纏繞儲氫瓶與管束式集裝箱。
2.2.2 氫氣管道
氫氣管道分為工業管道、長輸管道、公用管道和專用管道。工業管道用于制氫、冶金、電子、建材、電力、化工等企業內輸送氫氣；長輸管道用于遠距離集中輸送氫氣；公用管道是指城鎮氫氣管道；專用管道是指加氫站、氫燃料電池汽車供氫系統、氫安全試驗設備等的氫氣管道。氫氣管道具有種類多、管徑和壓力范圍大、量大面廣等特點。目前，歐美地區已建成多條氫氣長輸管線，總長度逾5 000 km。相比之下，我國雖然在氫氣工業管道、專用管道方面積累了較為豐富的管道設計、施工、運行和維護經驗，但氫氣長輸管道建設起步較晚，總里程約500 km, 詳細情況見表1。
表1 我國氫氣長輸管線建設情況
氫氣長輸管道的造價較高。將氫氣以一定比例摻入天然氣，利用現有天然氣管網輸氫可以大幅降低建設成本，是解決氫氣大規模運輸的方案之一。目前，摻氫天然氣管道技術已經引起國內外高度重視。我國先后在遼寧朝陽、河北張家口等地開展了摻氫天然氣輸送示范，但尚未進入商業應用。摻氫天然氣輸送仍面臨材料與氫相容性、混合與計量、安全評估等技術難題。科技部于2021年將“中低壓純氫與摻氫燃氣管道輸送及其應用關鍵技術”列入“氫能技術”重點專項，開展中低壓(≤4 MPa)純氫與摻氫燃氣管道輸送及其應用關鍵技術研究。
2.3規范標準
為了引導氫能高壓儲運設備的健康發展，我國對規范標準的制定極為重視，已經在測試方法、產品等方面制定了系列標準。
在材料氫脆性能檢測評估方面，頒布了GB/T 34542.2—2018《氫氣儲存輸送系統 第2部分：金屬材料與氫環境相容性試驗方法》和GB/T 34542.3—2018《氫氣儲存輸送系統 第3部分：金屬材料氫脆敏感度試驗方法》,目前正在起草非金屬氫相容性測試國家標準。在產品性能測試方面，已頒布T/CMES 16003—2021《車用高壓儲氫系統氫氣壓力循環測試與泄漏/滲透測試方法》等團體標準。
在固定式儲氫高壓容器方面，已頒布GB/T 26466—2011《固定式高壓儲氫用鋼帶錯繞式容器》、T/CATSI 05003—2020《加氫站儲氫壓力容器專項技術要求》、T/CATSI 02013—2021《加氫站用高壓儲氫氣瓶安全技術要求》等標準。在高壓氫氣瓶方面，GB/T 35544—2017《車用壓縮氫氣鋁內膽碳纖維全纏繞氣瓶》和T/CATSI 02 007—2020均已頒布，Ⅳ型儲氫氣瓶國家標準正在制訂。在道路輸氫設備方面，已頒布行業標準NB/T 10354—2019《長管拖車》和NB/T 10355—2019《管束式集裝箱》。
目前，我國正在組織起草加氫站儲氫壓力容器、氫氣瓶組合閥、氫氣瓶定期檢驗、加氫站氫氣充裝協議等相關國家標準。
3面臨挑戰
3.1高安全
安全可靠是氫能高壓儲運設備最基本的要求，目前該類設備依然在法規、技術及管理等方面存在風險。法規方面，現有的特種設備安全技術規范缺少針對35 MPa以上氫能儲運設備的基本安全要求；技術方面，存在材料氫環境性能數據缺失、產品設計方法選擇不當、產品性能一致性差、設備檢驗檢測能力不足及方法缺失等風險；管理方面，存在設備與使用場景不匹配(如氣瓶直接用于加氫站儲氫)、盲目進口國外產品等風險。
此外，隨著從示范階段向商用階段逐步轉變，氫燃料電池電動汽車的車載供氫系統壓力逐漸從35 MPa 向70 MPa發展，加氫站儲氫容器設計壓力也逐漸從50 MPa提升到98 MPa, 這對氫能高壓儲運設備提出了更高的安全要求。
3.2輕量化
輕量化是車載高壓氫氣瓶、長管拖車及管束式集裝箱等氫能高壓儲運設備的基本要求。實現輕量化不但有益于提升整車的動力性能，而且有益于提高燃料電池電動汽車的續航能力，以及長管拖車和管束式集裝箱的輸氫能力。
美國能源部(DOE)發布了車載儲氫氣瓶輕量化發展目標：2025年質量儲氫密度達到5.5%,最終目標為6.5%。目前，國內外Ⅲ型瓶的質量儲氫密度可達4.5%,Ⅳ型瓶的質量儲氫密度通常比Ⅲ型瓶高，豐田公司的Ⅳ型瓶已達到5.7%。
為了推動我國氫能高壓儲運設備的輕量化發展，國家重點研發計劃項目“70 MPa車載高壓儲氫瓶技術”的技術指標中要求質量儲氫密度不小于5.0%。對于長管拖車和管束式集裝箱等設備，目前主要通過提升儲氫壓力以及優化復合材料結構等方式實現輕量化，國家重點研發計劃項目“公路運輸用高壓、大容量管束集裝箱氫氣儲存技術”的技術指標中要求公稱工作壓力不小于50 MPa, 質量儲氫密度不小于5.5%。
3.3低成本
氫能高壓儲運設備在加氫站、氫燃料電池電動汽車等系統中所占的成本比例較高。例如，加注能力為800 kg/天的70 MPa加氫站中儲氫容器所占成本比例約為15%,且加氫站規模越大，儲氫容器所占成本比例越高。
因此，降低氫能高壓儲運設備的成本對氫能產業整體成本的降低有重要意義。DOE發布了固定式儲氫容器和燃料電池汽車用氫氣瓶的成本目標：固定式低壓(16 MPa)儲氫容器儲存1 kg氫氣的最終成本目標為450美元，中壓(43 MPa)和高壓(92.5 MPa)容器為600美元；車載氫氣瓶儲存1 kg氫氣的最終成本目標為266美元。
目前，在滿足安全性等基本要求的前提下，降低成本依然是氫能高壓儲運設備面臨的挑戰。在氫能高壓儲運設備的建造成本中，材料成本所占比例最高，因此通過開發高性能、低成本抗氫材料可以有效降低設備成本。此外，通過優化結構、改進設計方法和制造工藝、實現規模化生產也可以降低設備成本。
4研究建議
基于氫能高壓儲運設備面臨的諸多挑戰，亟需加強以下研究。
(1)材料高壓氫脆機制及臨氫性能數據庫。
加強高壓氫脆機制研究，不但有益于更為深刻地認識氫脆現象的本質，而且有益于高性能、低成本抗氫材料的開發，以及氫能高壓儲運設備抗氫脆設計制造方法的建立和服役性能的調控。然而，由于高壓氫環境下材料力學性能的劣化是氫與損傷交互作用的結果，該過程涉及氫的侵入、傳輸、偏聚以及氫致損傷、氫促進損傷演化發展等一系列復雜行為，且受到材料、環境、載荷等因素的顯著影響，因此機制極為復雜。
目前，已經對氫在材料中的溶解、擴散及偏聚等行為開展了深入研究，并提出了諸多氫致開裂理論，包括氫促進局域化塑性變形理論、弱鍵理論、氫壓理論、氫吸附降低表面能理論等，然而這些理論雖能夠解釋部分氫脆現象，但還沒有一種理論能夠完全闡釋氫的作用機制。現階段，材料高壓氫脆機制仍不明確，亟需加強該方面的研究。
目前，我國已初步形成高壓氫氣環境下材料、零部件和系統的安全性能檢測能力,并建立了鉻鉬鋼、奧氏體不銹鋼、管線鋼、6061鋁合金等常用材料氫脆數據庫，為氫能高壓儲運設備的發展提供了重要支撐。但是，高壓氫氣環境下壓力容器用鋼疲勞設計曲線、疲勞門檻值等關鍵數據仍在測試，非金屬材料、零部件及氫系統的測試數據還極為匱乏，抗氫性能測試評價方法尚需完善。
基礎數據的缺乏使得氫能高壓儲運設備在選材、設計、制造工藝優化等方面面臨困難。例如，T/CATSI 05003—2020雖然規定加氫站儲氫容器的疲勞評定可采用疲勞設計曲線法，但由于尚無高壓氫環境下的材料疲勞設計曲線，該方法在實際應用中受限。
(2)可靠性設計制造技術。
可靠性設計制造技術是保障氫能高壓儲運設備本質安全的重要手段。我國已在氫能高壓儲運設備失效模式、失效機制、設計方法、服役性能預測及調控等方面開展了深入研究,但在可靠性設計制造方面仍存在諸多不足。
例如：針對加氫站用固定式儲氫高壓容器，有的直接選用JB/T 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》(2005年確認)進行設計，然而該標準中的疲勞設計方法和數據未考慮高壓氫環境的影響；有的則直接將車載儲氫氣瓶用于加氫站儲氫，卻忽視了車載儲氫和加氫站儲氫的載荷差異；我國高壓氫氣瓶的質量穩定性與國外同類產品相比還存在差距，產品競爭力有待提升。
針對目前存在的問題，亟需系統考慮設備服役條件并甄別可能面臨的失效模式，完善相關設計方法。同時，加強生產過程控制，采用統計過程控制等先進管理方法對生產過程中的變量進行嚴格控制，確保生產過程的穩定、可預測，為生產過程的分析和優化提供依據，提高產品質量和生產能力。
(3)檢驗檢測監測及診斷評估。
缺陷和損傷在氫能高壓儲運設備的制造、使用過程中會不可避免地出現，并可能在載荷和環境的共同作用下引起設備失效。基于在線檢測監測技術對設備典型缺陷和損傷的演化行為及規律進行檢測和監測，并對結構健康狀態進行診斷評估，是防止設備在服役周期內發生突然失效的有效方法。
“車載復合材料儲氫氣瓶服役檢測監測及診斷評估”已被列為“十四五”重點專項“氫能技術”的共性關鍵技術，有望突破塑料內膽焊接接頭及復合材料的無損檢測、瓶閥座與塑料內膽連接接頭性能預測與質量檢測、缺陷和損傷的在線檢測監測、結構健康狀態診斷等技術。
此外，對服役過程中設備關鍵安全狀態參數(壓力、溫度等)及氫濃度等進行實時監測，并依托互聯網信息技術建立設備運行狀態大數據分析系統，是構建和優化氫能高壓儲運設備安全防護機制的重要手段，在加氫站等場合中具有廣闊的應用前景。
(4)規范標準體系完善。
我國雖已頒布系列氫能高壓儲運設備標準，但主要是測試方法和產品標準，尚未形成完整體系。亟需加強標準體系研究，以及臨氫材料選用、定期檢驗、輸氫設備等標準制定工作。在標準的具體技術內容方面也還需加強研究。例如：T/CATSI 05003—2020雖然規定了加氫站儲氫容器材料、設計、制造及使用管理等要求，但大多數是原則性和指導性規定，對具體方法和技術細節的規定不足，亟需補充和完善。
