
氫氣儲存
1.高壓氣態儲氫
當前高壓氣態儲氫技術比較成熟,是目前最常用的儲氫技術。該技術是采用高壓將氫氣壓縮到一個耐高壓的容器里。儲氫罐主要由壓力部件金屬套筒、聚合物或金屬襯板、碳纖維增強層、防沖擊外罩和底座組成,可有效增強氣罐的抗沖擊能力,提高安全性,同時灌裝氫氣方便。
國際主流技術以鋁合金/塑料作為氫瓶內膽用于保溫,外層則用3公分左右厚度的碳纖維進行包覆,提升氫瓶的結構強度并盡可能減輕整體質量。氫瓶閥門處利用細長的管道將幾組氫瓶進行串聯,并加裝溫度傳感器等監控設備。安全性方面,當溫度傳感器感應到外界溫度遠高于正常溫度時(一般超過100℃時),會自動打開閥門快速釋放瓶內所有氣體。
儲氫罐解剖示意圖
目前應用的高壓儲氫氣瓶主要有四類:全金屬氣瓶(Ⅰ型)、金屬內膽纖維環向纏繞氣瓶(Ⅱ型)、金屬內膽纖維全纏繞氣瓶(Ⅲ型)、非金屬內膽纖維全纏繞氣瓶(Ⅳ型)。高壓儲氫瓶關鍵技術集中在內襯層、纏繞層和過渡層。
表1 儲氫罐的材料和類型
根據應用方式的不同,高壓氣態儲氫分為車用高壓氣態儲氫和固定式高壓氣態儲氫。
車用高壓氣態儲氫主要應用于車載系統,大多使用金屬內膽碳纖維全纏繞氣瓶(III型)和塑料內膽碳纖維全纏繞氣瓶(IV型),當前國內車載系統中主要以III型瓶為主,成熟的車載儲氫技術為35MPa壓力標準。70MPa的Ⅲ型儲氫罐使用標準在2017《車用壓縮氫氣鋁內膽碳纖維全纏繞氣瓶》已經頒布,配套的70MPa加氫設備和系統在研發和小范圍應用階段。
歐美日加氫站普遍采用與汽車配套的70MPa壓力標準,并實現設備量產。國內目前生產車載高壓儲氫罐的企業有科泰克、天海工業、中材科技、斯林達安科等,具備高壓儲氫系統生產能力的企業有舜華新能源、伯肯節能、國富氫能、科泰克等。
固定式高壓氣態儲氫主要應用在固定場所,如制氫廠、加氫站以及其他需要儲存高壓氫氣的地方。目前主要使用大直徑儲氫長管和鋼帶錯繞式儲氫罐來儲氫。石家莊安瑞科于2002年在國內率先研制成功20/25MPa大容積儲氫長管,并應用于大規模氫氣運輸。鋼帶錯繞式儲氫罐目前有45MPa和98MPa兩種型號,如浙大與巨化股份制造生產的兩臺國內最高壓力等級98MPa立式高壓儲罐,應用在江蘇常熟豐田加氫站中。國內生產固定式高壓儲氫罐的企業有石家莊安瑞科、魯西化工、開原維科、巨化股份等。
雖然高壓氣態儲氫技術比較成熟、應用普遍,但是體積比容量小,未達到美國能源部(DOE)制定的發展目標,是該技術一個致命的弱點。除此之外,高壓氣態儲氫存有泄漏、爆炸的安全隱患,因此安全性能有待提升。未來,高壓氣態儲氫還需向輕量化、高壓化、低成本、質量穩定的方向發展。
不同車用高壓儲氫罐類型的重量(按照儲氫5kg對比)