站用气态储氢技术现状及发展趋势

站用气态储氢技术现状及发展趋势

冯晗旭

中国石油化工股份有限公司中原油田分公司，河南省濮阳市，457000

摘要：氢气是未来最有望实现绿色可持续发展的能源，目前我国氢能产业迎来蓬勃发展期，氢能产量、加氢站及燃料电池汽车数量快速增长，为满足氢能发展需要，亟需发展高安全性、高压化和低成本的储氢方式。现阶段站用储氢方式主要为地面储氢容器储氢，为此详述了站用气态储氢技术现状及发展趋势，为研究分析固定式储氢技术提供参考。

随着传统化石燃料大量消耗，全球温室效应形式越发严峻，清洁能源的开发和利用已成为全球发展的重要方向。氢能作为全球能源转型发展的重要载体之一，具有热值较高、储量丰富、来源广泛、绿色低碳、利用形式多样等特性，正逐步成为21世纪可持续发展最具潜力的清洁能源。目前我国氢能产业迎来蓬勃发展期，氢能产量、加氢站及燃料电池汽车数量快速增长，亟需发展高压化、高安全性和低成本的储氢方式。现阶段气态储氢仍是主流储氢方式，站用储氢方式主要为地面储氢容器储氢，但该储氢方式均存在技术问题，制约氢能发展。

1.站用气态储氢技术现状

地面储氢主要采用储氢容器来进行氢气贮存，国外站用地面储氢容器装置主要以单层钢质无缝容器为主，多层钢质无缝内胆碳纤维缠绕容器为辅[1]。钢质无缝容器的端部旋压成形，结构简单、形状连续、整个容器没有明显的应力集中，耐疲劳性能好；产品标准化、系列化、批量生产、成本较低，比较典型的为日本JFE公司的全钢质瓶式容器结构。相比于单层钢质无缝容器，多层钢质无缝内胆碳纤维缠绕容器降低了内胆厚度，解决了壁厚过大热处理困难的问题，但生产效率较低、成本增加，比较典型的应用案例为美国FIBA公司设计压力为100MPa，执行标准为ASMEⅧ-3卷的钢内胆碳纤维缠绕储氢容器，已经在韩国加氢站实现应用。

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制储氢高压容器[2]。单层钢质储氢容器包括瓶式压力容器和球形储罐，其中瓶式压力容器由无缝钢管旋压而成，结构简单、制造成本低、可批量生产，但容器壁厚过大易导致单边热处理淬透性差，热处理后均匀性差，且其容积较小，目前单台容器的水容积通常不超过1000L，多以容器组形式使用。此外，该类容器多采用Cr-Mo钢制造，材料氢脆敏感性较高。球形储罐多在制氢工厂进行大规模氢气储存，储氢压力低，仅为1.1~4.55MPa。球罐安全性高，储存相同氢气情况下成本最低，但占地面积较大。

我国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和层板包扎式储氢高压容器等[3]。钢带错绕式容器选用抗氢脆性能好的316L作为内胆材料，通过内胆外缠绕的钢带层提供足够的强度。该结构的优点是有效容积大、抗氢脆性能好，钢带可采用价格较低的Q345R等材料，制造成本相对纤维缠绕容器更低。其缺点是制造工艺复杂，焊缝较多，生产周期长，成本相比单层储氢容器更高，且容器的轴向力由内胆和扁平钢带间摩擦力承担，一旦钢带松散可能存在轴向爆破风险[4]。层板包扎式容器与钢带错绕式容器结构类似，但将缠绕钢带替换为多层层板反复包扎结构，每层层板均由若干瓣弧板焊接包扎而成，其抗氢脆原理与钢带错绕式容器相同。该结构的优点是容积大、轴向承载能力比钢带错绕式容器更强。其缺点是制造工艺复杂、生产效率低、焊缝多且分布集中，在容器封头与筒体连接焊缝处的焊接工艺尤为复杂，易发生焊接缺陷使容器可能存在轴向爆破风险。

2.站用气态储氢技术发展趋势

虽然高压气态储氢技术比较成熟、应用普遍，但是体积比容量小，未达到美国能源部（DOE）制定的发展目标。除此之外，高压气态储氢存有泄漏、爆炸的安全隐患，因此安全性能有待提升，需重点关注氢脆、氢渗透和复合材料失效等问题。未来，高压气态储氢还需向高压化、高安全和低成本的方向发展。

（1）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35 MPa向70 MPa发展，加氢站储氢容器设计压力也逐渐从50 MPa提升到98 MPa，储存压力的提升，有利于进一步提高储氢密度，降低储氢成本。

（2）安全可靠是氢能高压储运设备最基本的要求，由于氢气易泄漏爆炸、易引发材料高压氢脆，且在高压临氢环境下，储氢装备的影响因素较多，机制较复杂，这对氢能高压储存设备提出了更高的安全要求，需重点关注氢脆、氢渗透和复合材料失效等问题[5]。

（3）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。

3.总结

气态储氢仍是实现站用储氢应用最成熟的方式，我国目前站用气态储氢设备较为单一，无法同时满足大容量、高压化、高安全性和低成本的需求，仍需进一步开展相关研究，突破大规模储氢关键技术难题，促进我国氢能产业进一步发展。

参考文献：

[1]许辉庭. 加氢站用多功能全多层高压储氢容器研究[D]. 浙江大学,2008.

[2]郑津洋,马凯,叶盛,等. 我国氢能高压储运设备发展现状及挑战[J]. 压力容器,2022,39(3):1-8. DOI:10.3969/j.issn.1001-4837.2022.03.001.

[3]段志祥,黄强华,薄柯,等. 我国固定式储氢压力容器发展现状综述[J]. 中国特种设备安全,2022,38(4):5-10. DOI:10.3969/j.issn.1673-257X.2022.04.001.

[4]李赵. 加氢站钢带错绕式高压储氢容器检验相关问题探讨[J]. 上海化工,2022,47(4):58-61. DOI:10.3969/j.issn.1004-017X.2022.04.024.

[5]郑津洋,马凯,周伟明,等. 加氢站用高压储氢容器[J]. 压力容器,2018,35(9):35-42,54. DOI:10.3969/j.issn.1001-4837.2018.09.006.