
氫能產業鏈包括氫氣的制造、儲存、運輸和應用,而高效、安全的氫能儲運技術,是氫能實現大規模應用的前提。
目前儲氫技術路線主要有高壓儲氫、液態儲氫、固態儲氫。與液態儲氫、固態儲氫相比,高壓氣態儲氫具有設備結構簡單、能耗低、充放氫速度快、溫度適應范圍廣、受工作環境影響小等特點,北京大學博雅特聘教授李星國曾在媒體采訪中表示,高壓氣體儲氫是目前最具便捷性和經濟性的儲氫方式。
高壓儲氫是在常溫下通過壓縮機將氫氣壓縮到儲氫容器中,以提高單位體積的氫氣密度。根據應用場景不同分為固定式儲氫和移動式儲氫,固定式儲氫主要應用于加氫站、應急電源、備用電源和氫儲能等場合。
高壓氣態儲氫技術涉及到的主要儲氫設備為儲氣瓶。
高壓儲氫氣瓶主要分為四個類型: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)。
高壓氣態儲氫雖然得到廣泛應用,但也存在明顯缺點
1. 質量體積密度相比其他儲氫方法較小,儲氫效率不高。
2. 高壓儲存,安全性較差,容易產生爆炸風險。
氫氣的原子體積小,容易與儲氫容器的金屬產生反應,出現“氫脆”現象,且由于高壓存儲,一旦發生氫氣泄漏,會造成爆炸等事故,在儲運過程的安全性上要求較高。
為了解決儲氫瓶和相關零部件的“氫脆”問題,市場上已經提出了“V型儲氫瓶”的概念。V型儲氫瓶仍然使用碳纖維復合材料纏繞,不使用任何內膽,工作壓力可達70~100MPa具有無氫脆、無腐蝕性、使用壽命可達30年以上等優點,同時還可以應用于航天及車載領域。但此種儲氫瓶目前還處于研發階段,尚未在技術路線和容器材質上有明確方向。
3. 對于儲氫瓶的材料、工藝要求高。
圖片來源:流程工業
當前市場上所使用的四種儲氫瓶中,Ⅰ型、Ⅱ型重容比大,主要應用于加氫站儲氫和長管運輸拖車輸氫場景下。
Ⅲ型、Ⅳ型瓶因采用了纖維全纏繞結構,具有重容比小、單位質量儲氫密度高、儲氫瓶質量體積小等優點,主要應用于氫燃料電池汽車。
不過,IV型瓶內膽的成型工藝主要為注塑、吹塑和滾塑成型。雖然成本低、運用較廣泛,但良品率也較低,且必須配合后續的焊接工序。
儲氫瓶內膽成型工藝
圖片來源:流程工業
4. 存儲密度提升困難。
為了提高氫氣的體積能量密度,提高儲運效率,降低儲運成本,通常采用降溫、加壓的方式進行氫氣的儲存。
目前國內加氫站主要使用35MPa的壓力進行儲運,為了適應燃料電池汽車供氫系統壓力,需要向70MPa發展。
網絡公開資料顯示,氫能源汽車存儲5公斤的氫氣,在70MPa的壓力下,存儲系統的容量約為200升,是當今燃油汽車中汽油箱容量的3-4倍。
這一難點嚴重限制了車載儲氫瓶的發展。同時,70MPa以上的壓力對密度的提升存在邊際遞減的趨勢,且成本大幅增大。
相等能量(1.4GJ)下,汽油與各型儲氫技術在體積與質量(含容器)方面的對比
數據來源:Hydrogen Storage and Transportation
發展情況
技術方面,隨著產業化技術的不斷突破,儲氫瓶技術正向著輕量化、高壓力、高儲氫密度、長壽命的方向發展。
行業標準方面,已經有以下與高壓氣態儲氫有關的標準發布:
有專家表示,高壓氣態儲氫作為最基礎的儲運方式,技術更成熟、操作更靈活、短距離運輸成本較低,因此在未來較長時間內仍將占據氫能儲存技術的主導地位。