氫能是一種來源豐富、應(yīng)用廣泛的二次能源。隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展和人類生活水平的大幅提高，世界范圍內(nèi)的用能總量急劇上升，由于化石能源造成生態(tài)環(huán)境的污染日益嚴重。世界各國都在因地制宜地發(fā)展各種可替代能源，其中氫能被認為是未來最有希望的清潔能源之一。
氫是自然界中存在最廣泛的一種元素，它在構(gòu)成宇宙的物質(zhì)中約占75%。但是地球上的分子氫氣豐度卻非常小，而化合態(tài)的氫豐度卻很高。
因此需要通過分解水的方法或其他化學(xué)反應(yīng)過程來制取。制取出來的氫氣到使用端，需要經(jīng)過儲運的環(huán)節(jié)。因此儲氫和運氫是連接氫源和用戶端的橋梁，在氫能的發(fā)展過程中發(fā)揮著不可替代的作用。
氫氣因為密度非常小，只有0.0899g/L。氫氣燃燒性能好，點燃快，點火能量低，與空氣混合時有廣泛的可燃爆范圍。因此氫氣的儲存和運輸一直面對著如何保證安全和提高效率的問題。
氫氣從制氫廠到使用端需要經(jīng)歷各種儲運環(huán)節(jié)。氫氣運輸方式可根據(jù)氫氣狀態(tài)不同分為氣態(tài)氫氣（GH2）輸送、液態(tài)氫氣輸送（LH2）和其他容氫載體輸送的方式。
在用量較小，用戶分散的應(yīng)用場景下，氫氣通常采用高壓氣態(tài)的形式儲存和運輸。早在上世紀初的時候，氫氣的儲運就已經(jīng)使用到了無縫鋼制氣瓶，到上世紀70年代的時候，業(yè)界開始注意到了氫脆現(xiàn)象的發(fā)生，鋁材料氣瓶開始投入使用，但是成本相比于鋼瓶上升很多，而且儲氫量也比較小。為了提高氣瓶的工作壓力和減小成本，金屬氣瓶開始采用環(huán)向纏繞的工藝。隨著航天和軍工技術(shù)發(fā)展的需要，到上世紀80年代，全纏繞氣瓶被開發(fā)出來。因為其重量輕，全纏繞氣瓶被用于移動式或便攜式用途，如車載燃料氣瓶?，F(xiàn)在，全纏繞的復(fù)合材料氣瓶，包括Ⅲ型瓶和Ⅳ型瓶，已經(jīng)用于氫氣的儲運。
按照儲氫氣瓶的材料和結(jié)構(gòu)不同，可分為以下幾種：
1、Ⅰ型瓶：由金屬材料制成的壓力容器；
2、Ⅱ型瓶：內(nèi)膽為薄壁金屬材料制成的承壓容器，瓶體環(huán)向部分纏繞纖維樹脂復(fù)合材料；
3、Ⅲ型瓶：內(nèi)膽為薄壁金屬材料制成的承壓容器，瓶體全向纏繞纖維樹脂復(fù)合材料；
4、Ⅳ型瓶：內(nèi)膽為聚合物工程塑料制成的容器，全向纏繞纖維樹脂復(fù)合材料，配金屬閥門安裝套。
根據(jù)不同的應(yīng)用場景的要求，在技術(shù)性能和成本優(yōu)勢方面進行取舍，氫氣可用這四種不同的壓力容器來儲運。對于工業(yè)氫氣用途，氫氣通常是采用Ⅰ型鋼質(zhì)氣瓶儲運，此種瓶型的工作壓力在15到20MPa之間，是目前存量最多和最便宜的氫氣儲運設(shè)備。在對高壓有要求的時候，主要是固定式儲氫場景，優(yōu)先采用Ⅱ型瓶。Ⅲ型瓶和Ⅳ型瓶則主要用于移動式應(yīng)用場景。
當前，氫氣的高壓儲運產(chǎn)品主要包括運輸和儲存氫氣用的工業(yè)鋼瓶、集裝格、長管拖車，固定式儲氫容器，車載儲氫容器等。其中，工業(yè)鋼瓶集裝格、長管拖車既可以用作運輸氫氣的設(shè)備，也可以用作臨時儲氫設(shè)備。固定式儲氫容器通常是在場站內(nèi)固定安裝的儲氫瓶組，這些容器按結(jié)構(gòu)可分別歸屬于不同的瓶型。
除了不同形式的氣瓶廣泛用于氫氣的儲運之外，還有兩種結(jié)構(gòu)形式的傳統(tǒng)化工容器也用于氫氣的儲存，包括層板包扎式壓力容器和鋼帶纏繞式壓力容器。目前儲氫設(shè)備大量用到的主要是各種形式的氣瓶。
一、工業(yè)用氫氣鋼瓶集裝格
目前用于儲運工業(yè)氫氣的氣瓶通常按GB5099《鋼質(zhì)無縫氣瓶》的要求進行設(shè)計和制造。單個工業(yè)氫氣鋼瓶的容積范圍為0.4~80L，公稱工作壓力分為15、20、30MPa三個等級，鋼瓶的使用環(huán)境溫度要求為-20~60℃。目前市場上大量使用的是規(guī)格為40L、工作壓力為15MPa的鋼瓶，常溫下儲氫量約0.5kg。為加大儲氫量，通常用多支氣瓶制成工業(yè)儲氫集裝格，由9~20支氫氣鋼瓶組成，總儲氫量約為3~10kg。主要是一般工業(yè)用途或?qū)嶒炇矣脷洹?br />
工業(yè)用氫氣鋼瓶按成型結(jié)構(gòu)不同分為五種瓶型（a、b、c、d、e）。a型瓶為單瓶口、凹型底；b型瓶為單瓶口、凸型底帶底座；c型瓶為單瓶口、凸型底無底座；d型瓶為單瓶口、H形底座；e型瓶為雙瓶口結(jié)構(gòu)。
對于儲運氫氣的工業(yè)鋼瓶的瓶體材料要求，必須是經(jīng)國家相關(guān)部門鑒定認可的材料，應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)錳鋼、鉻鋁鋼或其他合金鋼。其化學(xué)成分應(yīng)符合國標GB222的相關(guān)規(guī)定。材料應(yīng)具有良好的沖擊性能、碳鋼材料應(yīng)選用正火處理方式，合金鋼材料應(yīng)采用調(diào)質(zhì)處理方式。鋼瓶的水壓試驗壓力為公稱工作壓力的1.5倍，許用壓力不得超過水壓試驗壓力的0.8倍。
二、氫氣長管拖車
我們通常所說的氫氣長管拖車實際上可分為兩種產(chǎn)品。一種是獨立的氫氣長管拖掛車。由若干個高壓氣瓶組裝在固定框架中，并配帶有相應(yīng)的管路和閥門，以及安全裝置等。整天安裝在專用半掛車底盤上，用于運輸高壓氫氣。這種獨立的氫氣長管拖車作為一種特種車輛，是需要按照國家工信部《道路機動車輛生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品公告》關(guān)于車輛生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品市場準入管理的要求，獲批車輛公告后才能上市銷售的。配上專用的牽引車頭，就可以運輸氫氣了。
另外一種實際上并不是嚴格意義上的氫氣長管拖車，是由專用整車底盤和儲運氫氣的移動式壓力容器組成。其中的移動式壓力容器是把多只大容積無縫高壓氣瓶通過支撐固定裝置集成在一起，并與管路、閥門、安全附件、儀表等組合成可運輸氫氣的管束式集裝箱。可方便地在專用半掛車底盤上放置或取下。此種產(chǎn)品須取得移動式壓力容器獨立的合格證書和監(jiān)督檢驗證書。以下將兩種產(chǎn)品通稱為氫氣長管拖車。
長管拖車是目前全球氫能行業(yè)使用的最為普遍的氫氣儲運方式。是目前技術(shù)最成熟、商業(yè)化程度最高的氫氣儲運產(chǎn)品。長管拖車運輸氫氣的成本隨距離的增加而增加，一般適合300公里以內(nèi)的氫氣運輸。
目前在國內(nèi)使用的長管拖車上常安裝6~12支大容積無縫鋼膽氣瓶，瓶型主要為Ⅰ型瓶和Ⅱ型瓶。Ⅰ型瓶的瓶體為全鋼質(zhì)無縫大容積氣瓶，單瓶容積可達3700升。Ⅱ型瓶組成的長管拖車瓶體為鋼質(zhì)無縫大容積氣瓶內(nèi)膽外部環(huán)向纏繞玻璃纖維或碳纖維結(jié)構(gòu)，單瓶容積最高可達4200升。長管拖車的運輸效率和運輸經(jīng)濟性取決于其可裝載的氫氣量。目前國內(nèi)常規(guī)的氫氣長管拖車工作壓力主要為20MPa，長管拖車的主要規(guī)格及可裝載的氫氣量參見下表。
三、站用儲氫容器
對于加氫站，現(xiàn)階段國內(nèi)主要以高壓氣態(tài)氫氣的形式為燃料電池車輛提供氫燃料。加氫站的加注工作壓力通常分為兩個等級:35MPa和70MPa。對應(yīng)地，加氫站內(nèi)的儲氫裝置的工作壓力通常也分為兩個等級：45MPa和90MPa。對于設(shè)計壓力大于40MPa、設(shè)計溫度不低于-40℃且不高于85℃、儲存介質(zhì)為車用氫燃料的加氫站用儲氫壓力容器，除應(yīng)滿足TSG21的相關(guān)技術(shù)要求外，還應(yīng)當滿足TCATSI05003-2020《加氫站儲氫壓力容器專項技術(shù)要求》中的規(guī)定。
以無縫大容積鋼瓶組成的加氫站用儲氫容器，可以很方便的按不同的瓶數(shù)比例組合成“低、中、高”三個壓力等級的級聯(lián)式站用儲氫系統(tǒng)，在內(nèi)站順序控制盤的作用下，分級向加氫機提供高壓氫氣，這樣可以極大的提高站用儲氫瓶組的利用率，降低加氫站內(nèi)壓縮機的工作能耗。
對于不同的儲氫容器，其儲氫量可根據(jù)容器的水容積和氫氣在不同環(huán)境溫度下的密度計算得出，下表給出當氫氣在不同工作壓力、不同的環(huán)境溫度下的密度，可供使用者計算相應(yīng)的長管拖車或固定式儲氫容器的儲氫量時進行參考。
儲存氫氣時，為保證高壓容器的安全，所用材料必須為符合要求的臨氫材料，并綜合考慮材料的微觀組織和力學(xué)性能，使用條件，應(yīng)力水平及制造工藝對氫脆的影響等因素。常用的臨氫材料為鉻鋁鋼或奧氏體不銹鋼，牌號有4130X、30CrMo或S31603等。
對于4130X和30CrMo材料，其化學(xué)成分要求C≤0.35%、P≤0.015%、S≤0.008%。經(jīng)熱處理后，材料的力學(xué)性能應(yīng)滿足在空氣中的抗拉強度Rm≤880MPa、屈強比≤0.86、斷后伸長率（A）≥20%、-40℃下3個標準試樣沖擊吸收能量平均值KV2≥47J、側(cè)膨脹值LE≥0.53mm、在氫氣和空氣中的抗拉強度之比、最大力總延伸率之比均≥0.9。對于S31603材料，其化學(xué)成分要求鎳含量Ni≥12%、鎳當量Nieq≥28.5%、其力學(xué)性能要求滿足在空氣中的斷面收縮率≥70%、氫氣和空氣中的斷面收縮率之比不小于0.9。
四、車載供氫系統(tǒng)
氫氣除了在制氫端的儲存、運輸環(huán)節(jié)的儲存之外，在使用端也需要有專門的儲存設(shè)備，特別是以燃料電池汽車應(yīng)用為代表的車載供氫系統(tǒng)。車載氣瓶的體積、重量均受到安裝場景的限制。其充裝有特殊要求。因此，輕量化、高壓力、高儲氫質(zhì)量比和長壽命要求是車載儲氫系統(tǒng)的特點。
現(xiàn)階段，國內(nèi)燃料電池汽車就要以商用車為主，主要使用的車載供氫系統(tǒng)是以工作壓力35MPa的Ⅲ型瓶為主組成的系統(tǒng)。其中，單瓶容積為140升的瓶組系統(tǒng)在過去幾年是市場上的主流產(chǎn)品，占比超過85%。從2021年開始，Ⅲ型瓶車載供氫系統(tǒng)的氣瓶逐步向165升、260升、320升、385升等大容積的趨勢發(fā)展。
隨著國家產(chǎn)業(yè)政策對燃料電池商用車重型卡車的傾斜，車載供氫系統(tǒng)由最初的物流輕卡用3瓶組系統(tǒng)，向4瓶組、6瓶組、8瓶組等發(fā)展。
Ⅲ型車用氫氣瓶遵循國家標準GB/T35544《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶》標準設(shè)計、生產(chǎn)和檢驗。適用于公稱工作壓力不超過70MPa、水容積不大于450升，工作溫度不低于-40℃且不高于85℃的可重復(fù)充裝氫氣瓶。
Ⅲ型氫氣瓶按結(jié)構(gòu)形式可分為T型瓶和S型瓶。T型瓶為單瓶口、凸形底結(jié)構(gòu)，S型瓶為兩端開口結(jié)構(gòu)。
按照不同的工作壓力，Ⅲ型瓶又分為A類和B類。A類氫瓶為公稱工作壓力小于或者等于35MPa的氣瓶，A類氣瓶的水容積不大于450升，設(shè)計循環(huán)次數(shù)11000次，設(shè)計使用年限為15年。B類氣瓶為公稱工作壓力大于35MPa的氣瓶，B類氣瓶的公稱水容積不大于230升，設(shè)計循環(huán)次數(shù)為7500次，設(shè)計使用年限為10年。兩類氣瓶的使用年限未達到設(shè)計使用年限，但充裝次料達到設(shè)計循環(huán)次數(shù)時，均應(yīng)當報廢。
Ⅲ型氣瓶的內(nèi)膽一般采用6061鋁合金材料。內(nèi)膽可由鋁合金板材、管材或棒材成形。材料化學(xué)成分按GB/T7999或GB/T20975進行復(fù)驗。鋁合金內(nèi)膽應(yīng)為無縫氣瓶，使用不同的鋁合金型材應(yīng)采用不同的冷成形方式，如擠壓、冷拉伸、沖壓、旋壓等，鋁合金內(nèi)膽不得進行焊接成形。
承載纖維應(yīng)采用連續(xù)無捻碳纖維，不得使用混合纖維。玻璃纖維可用作防止電偶腐蝕層或外表面保護層。
現(xiàn)階段國內(nèi)的車載儲氫系統(tǒng)主要以35MPa的Ⅲ型瓶為主，其質(zhì)量儲氫密度不到5%。市場上也有少量的70MPa的Ⅲ型瓶系統(tǒng)，但因為其壁厚的增加，工作壓力的提高對質(zhì)量儲氫密度的提升并沒有產(chǎn)生太積極的影響。因此目前主要是用于商用車上，對于小型乘用車，因為Ⅲ型瓶體積及儲氫密度的影響，目前在國內(nèi)并不適用于燃料電池乘用車。
在國際市場上，車載儲氫系統(tǒng)是以Ⅳ型瓶為主要的儲氫容器。在外徑、容積和工作壓力相同下，Ⅳ型瓶相比Ⅲ型瓶具有成本低、輕量化，質(zhì)量儲氫密度高的優(yōu)點。目前，中國的Ⅳ型瓶仍然處于產(chǎn)品的研發(fā)階段，相關(guān)標準法規(guī)也不完善。目前只有2020年發(fā)布的T/CATSI02007-2020《車用壓縮氫氣塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》一項團體標準。
五、氫氣儲運過程中的安全要求
氫氣為無色、無味、易燃易爆氣體。氫氣中含有氧、氯、一氧化碳以及空氣等混合物有爆炸危險。由于氫氣著火點低，爆炸能量高，因此在生產(chǎn)和儲運時要嚴格注意安全。氫氣的生產(chǎn)、使用及儲運都應(yīng)符合GB4962《危險化學(xué)品管理條例》和《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》的相關(guān)規(guī)定。
在檢修或處理氫氣管道、設(shè)備、氣瓶之前，必須先用惰性氣體將容器和附屬管道內(nèi)的氫氣含量置換到符合安全要求之后才能開展其他相關(guān)檢修維護工作。
氫氣從氣瓶嘴泄露或快速排放時，因氣體的高速摩擦可產(chǎn)生靜電火花，因此瓶裝氫氣出廠時，應(yīng)保證瓶嘴與瓶閥無泄露，并旋緊瓶帽。在使用瓶裝氫氣時，應(yīng)緩慢開啟瓶閥。
瓶裝氫氣應(yīng)存放于無明火源，并遠離熱源、氧化劑，通風良好的地方。氫氣瓶庫房的建筑、電氣、耐火以及防爆要求等應(yīng)符合相關(guān)的規(guī)定。
原標題：高壓氣態(tài)氫儲運關(guān)鍵裝備發(fā)展情況與趨勢分析
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