近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外已發(fā)生數(shù)起事故。2019年6月，美國(guó)加州圣塔克拉拉發(fā)生長(zhǎng)管拖車氫氣泄漏爆炸事故；同月，挪威桑威卡發(fā)生加氫站儲(chǔ)氫容器爆炸事故；2021年8月，沈陽(yáng)市發(fā)生氫氣罐車軟管破裂爆燃。這為氫能安全儲(chǔ)運(yùn)敲響了警鐘。隨著氫能快速發(fā)展，我國(guó)氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的種類和數(shù)量快速增長(zhǎng)，使用條件極端化，風(fēng)險(xiǎn)程度加大，安全保障面臨新的挑戰(zhàn)。

 

一、基本特點(diǎn)

 

與壓縮天然氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備、加氫反應(yīng)器等高壓設(shè)備相比，氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備具有以下三個(gè)基本特點(diǎn)。

 

（1）氫氣易漏易燃易爆且儲(chǔ)量大，一旦失效，危害嚴(yán)重。

 

與汽油和天然氣相比，氫氣的密度小、擴(kuò)散系數(shù)大、點(diǎn)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(chǔ)運(yùn)設(shè)備的儲(chǔ)氫量大。例如，根據(jù)GB50516-2010《加氫站技術(shù)規(guī)范（2021年版）》，一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)加氫站單臺(tái)儲(chǔ)氫高壓容器的最大氫氣容量分別為2000，1500，800kg，一旦泄漏爆炸，危害嚴(yán)重。若氫氣泄漏后被立即點(diǎn)燃，就會(huì)形成氫噴射火；若泄漏至受限空間，則易形成可燃?xì)錃庠疲坏┍稽c(diǎn)燃就會(huì)產(chǎn)生爆燃、爆轟，對(duì)設(shè)備安全運(yùn)行和人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重危害。

 

（2）壓縮氫氣壓力高，存在氫脆風(fēng)險(xiǎn)。

 

如圖所示，氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的儲(chǔ)氫壓力高，這些設(shè)備長(zhǎng)期在高壓氫氣環(huán)境下運(yùn)行，其臨氫材料易因氫脆而產(chǎn)生性能劣化。

 

 

圖 氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備及其儲(chǔ)氫壓力

 

金屬材料氫脆主要表現(xiàn)為韌性降低、疲勞裂紋擴(kuò)展速率加快、氫致開(kāi)裂應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值減小等。

 

非金屬材料氫脆主要表現(xiàn)為氫氣溶解引起的材料彈性模量、拉伸強(qiáng)度、摩擦系數(shù)等發(fā)生變化，以及快速降壓使材料內(nèi)部產(chǎn)生氫鼓泡和裂紋等缺陷。

 

（3）服役性能影響因素多且機(jī)制復(fù)雜，調(diào)控困難。

 

氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的服役性能受到材料（抗拉強(qiáng)度、化學(xué)成分、微觀組織等）、環(huán)境（氫氣壓力、環(huán)境溫度、氫氣純度等）、應(yīng)力（載荷、結(jié)構(gòu)、加載方式等）及制造（成型工藝、熱處理、表面質(zhì)量等）等諸多因素的綜合影響。

 

通常，材料強(qiáng)度越高，疲勞裂紋擴(kuò)展速率越快，氫致開(kāi)裂應(yīng)力強(qiáng)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(yán)重；應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK較小時(shí)，氫對(duì)材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率影響較小，但ΔK超過(guò)一定值后，影響顯著；臨氫材料表面粗糙度越大，高壓氫氣對(duì)設(shè)備疲勞性能的損減越嚴(yán)重。

 

此外，各因素之間還可能存在耦合作用。例如：有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氫氣壓力小于40MPa時(shí)，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(jī)制復(fù)雜，對(duì)氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的服役性能預(yù)測(cè)和調(diào)控非常困難。

 

二、發(fā)展現(xiàn)狀

 

1、儲(chǔ)氫高壓設(shè)備

 

（1）固定式儲(chǔ)氫高壓容器

 

固定式儲(chǔ)氫高壓容器主要用于加氫站、氫儲(chǔ)能、應(yīng)急電站等，目前在加氫站中應(yīng)用最為廣泛。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我國(guó)固定式儲(chǔ)氫高壓容器主要包括單層鋼質(zhì)儲(chǔ)氫高壓容器和多層鋼質(zhì)儲(chǔ)氫高壓容器。

 

單層鋼質(zhì)儲(chǔ)氫高壓容器主要有旋壓式儲(chǔ)氫高壓容器和單層整鍛式儲(chǔ)氫高壓容器。旋壓式儲(chǔ)氫高壓容器由無(wú)縫鋼管旋壓而成，其設(shè)計(jì)壓力通常不超過(guò)50MPa，目前主要用于35MPa加氫站。該類容器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、可批量生產(chǎn)，但其容積受到限制。目前，單臺(tái)容器的水容積通常不超過(guò)1000L，因此多以容器組形式（有的容器數(shù)高達(dá)21臺(tái)）使用，需要加強(qiáng)火災(zāi)、撞擊等極端條件下多臺(tái)容器間的相互作用機(jī)制及其對(duì)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(zhì)儲(chǔ)氫高壓容器主要有鋼帶錯(cuò)繞式全多層儲(chǔ)氫高壓容器、層板包扎式儲(chǔ)氫高壓容器。相比單層鋼質(zhì)儲(chǔ)氫高壓容器，該類容器的儲(chǔ)氫壓力更高，容積也更大。例如，50MPa、98MPa鋼帶錯(cuò)繞式全多層儲(chǔ)氫高壓容器的容積分別達(dá)到7.3，1m3。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(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，制造周期較長(zhǎng)，對(duì)焊接接頭質(zhì)量要求較高。

 

在國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目“高壓氫系統(tǒng)大型承載件設(shè)計(jì)制造的基礎(chǔ)研究”、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“氫能儲(chǔ)運(yùn)裝備性能檢測(cè)及質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)研究”等持續(xù)支持下，經(jīng)過(guò)20多年努力，我國(guó)已實(shí)現(xiàn)固定式儲(chǔ)氫高壓容器的自主可控。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2021年底，我國(guó)已建成加氫站191座，在役固定式儲(chǔ)氫高壓容器超1500臺(tái)。

 

 

圖 佛吉亞70MPa IV型高壓車載儲(chǔ)氫瓶，圖源蓋世汽車

 

（2）高壓氫氣瓶

 

高壓氫氣瓶主要用于氫能交通運(yùn)載，如氫燃料電池乘用車、物流車、大巴車、叉車、重卡、輪船、無(wú)人機(jī)等。氫燃料電池叉車主要采用鋼質(zhì)高壓氫氣瓶，其余則采用鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氫氣瓶（簡(jiǎn)稱Ⅲ型瓶）和塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞氫氣瓶（簡(jiǎn)稱Ⅳ型瓶）。除具有氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的基本特點(diǎn)外，高壓氫氣瓶還具有以下特點(diǎn)：

 

體積、重量受限，受車內(nèi)空間限制，氣瓶的容積通常不大于450L，其質(zhì)量越輕，越有利于提高整車性能及降低成本；

 

充裝要求特殊，氣瓶充裝速度快且需與加氫機(jī)實(shí)時(shí)通訊，乘用車的充裝時(shí)間通常為3——5min，氫氣快充會(huì)導(dǎo)致溫升，進(jìn)而影響氣瓶性能；

 

使用壽命長(zhǎng)，設(shè)計(jì)使用年限通常為10——15年，甚至更長(zhǎng)；

 

使用環(huán)境復(fù)雜多變，使用環(huán)境和車輛所在的地域、路況條件等有關(guān)，存在機(jī)械損傷、環(huán)境侵蝕等風(fēng)險(xiǎn)。

 

在國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局特種設(shè)備安全監(jiān)察局領(lǐng)導(dǎo)下，我國(guó)高壓氫氣瓶的總體發(fā)展思路是：結(jié)構(gòu)從Ⅲ型到Ⅳ型，壓力從低到高，穩(wěn)步推進(jìn)。

 

目前，公稱工作壓力為35MPa和70MPa的Ⅲ型瓶已實(shí)現(xiàn)自主設(shè)計(jì)制造和批量生產(chǎn)，質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度3.8%——4.5%，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，廣泛用于氫燃料電池電動(dòng)汽車等氫燃料電池交通運(yùn)載工具，目前在役數(shù)量超過(guò)4萬(wàn)只。Ⅳ型瓶在國(guó)外的研發(fā)和應(yīng)用較早，美國(guó)Hexagon、日本豐田、韓國(guó)ILJIN等都已研發(fā)出了70MPa的Ⅳ型瓶產(chǎn)品，質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度已達(dá)5.7%。科技部于2019年立項(xiàng)支持“70MPa車載高壓儲(chǔ)氫瓶技術(shù)”研究，2019年和2020年我國(guó)分別頒布了團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CATSI02005—2019《液化石油氣高密度聚乙烯內(nèi)膽玻璃纖維全纏繞氣瓶》和T/CATSI02007—2020《車用壓縮氫氣塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》，有力推動(dòng)了我國(guó)Ⅳ型瓶的發(fā)展。目前，我國(guó)LPG-Ⅳ型瓶產(chǎn)能已超100萬(wàn)只/年，Ⅳ型氫氣瓶產(chǎn)品也已面市。

 

2、輸氫高壓設(shè)備

 

（1）道路輸氫設(shè)備

 

道路輸氫設(shè)備通過(guò)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(chǎng)合，主要包括長(zhǎng)管拖車和管束式集裝箱。我國(guó)已有較成熟的長(zhǎng)管拖車和管束式集裝箱設(shè)計(jì)制造和使用經(jīng)驗(yàn)。該類設(shè)備的公稱工作壓力通常為20——30MPa，容積不大于3000L，單車運(yùn)氫量不超過(guò)500kg，運(yùn)輸效率低、成本高。為提高單車氫氣運(yùn)輸量，科技部于2020年將“公路運(yùn)輸用高壓、大容量管束集裝箱氫氣儲(chǔ)存技術(shù)”列入“可再生能源與氫能技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)，研制50MPa以上大容量碳纖維纏繞儲(chǔ)氫瓶與管束式集裝箱。

 

（2）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(diǎn)，分類及用途如上圖所示。

 

 

圖 氫氣管道分類及用途

 

目前，歐美地區(qū)已建成多條氫氣長(zhǎng)輸管線，總長(zhǎng)度逾5000km。相比之下，我國(guó)雖然在氫氣工業(yè)管道、專用管道方面積累了較為豐富的管道設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，但氫氣長(zhǎng)輸管道建設(shè)起步較晚。

 

據(jù)香橙會(huì)研究院統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前全國(guó)氫氣及摻氫管道分布情況如下圖所示。

 

 

圖 氫氣及摻氫管道分布情況，資料來(lái)源香橙會(huì)研究院

 

3、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)

 

為了引導(dǎo)氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的健康發(fā)展，我國(guó)對(duì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的制定極為重視，已經(jīng)在測(cè)試方法、產(chǎn)品等方面制定了系列標(biāo)準(zhǔn)。如圖所示。

 

 

圖 氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

 

目前，我國(guó)正在組織起草加氫站儲(chǔ)氫壓力容器、氫氣瓶組合閥、氫氣瓶定期檢驗(yàn)、加氫站氫氣充裝協(xié)議等相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

 

三、面臨挑戰(zhàn)

 

1、安全性

 

安全可靠是氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備最基本的要求，目前該類設(shè)備依然在法規(guī)、技術(shù)及管理等方面存在風(fēng)險(xiǎn)。

 

法規(guī)方面，現(xiàn)有的特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范缺少針對(duì)35MPa以上氫能儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的基本安全要求；

 

技術(shù)方面，存在材料氫環(huán)境性能數(shù)據(jù)缺失、產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法選擇不當(dāng)、產(chǎn)品性能一致性差、設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)能力不足及方法缺失等風(fēng)險(xiǎn)；

 

管理方面，存在設(shè)備與使用場(chǎng)景不匹配（如氣瓶直接用于加氫站儲(chǔ)氫）、盲目進(jìn)口國(guó)外產(chǎn)品等風(fēng)險(xiǎn)。

 

此外，隨著從示范階段向商用階段逐步轉(zhuǎn)變，氫燃料電池電動(dòng)汽車的車載供氫系統(tǒng)壓力逐漸從35MPa向70MPa發(fā)展，加氫站儲(chǔ)氫容器設(shè)計(jì)壓力也逐漸從50MPa提升到98MPa，這對(duì)氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備提出了更高的安全要求。

 

2、輕量化

 

輕量化是車載高壓氫氣瓶、長(zhǎng)管拖車及管束式集裝箱等氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的基本要求。實(shí)現(xiàn)輕量化不但有益于提升整車的動(dòng)力性能，而且有益于提高燃料電池電動(dòng)汽車的續(xù)航能力，以及長(zhǎng)管拖車和管束式集裝箱的輸氫能力。

 

為了推動(dòng)我國(guó)氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的輕量化發(fā)展，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“70MPa車載高壓儲(chǔ)氫瓶技術(shù)”的技術(shù)指標(biāo)中要求質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度不小于5.0%。對(duì)于長(zhǎng)管拖車和管束式集裝箱等設(shè)備，目前主要通過(guò)提升儲(chǔ)氫壓力以及優(yōu)化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)等方式實(shí)現(xiàn)輕量化，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“公路運(yùn)輸用高壓、大容量管束集裝箱氫氣儲(chǔ)存技術(shù)”的技術(shù)指標(biāo)中要求公稱工作壓力不小于50MPa，質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度不小于5.5%。

 

3、低成本

 

氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備在加氫站、氫燃料電池電動(dòng)汽車等系統(tǒng)中所占的成本比例較高。例如，加注能力為800kg/天的70MPa加氫站中儲(chǔ)氫容器所占成本比例約為15%，且加氫站規(guī)模越大，儲(chǔ)氫容器所占成本比例越高。因此，降低氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的成本對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)整體成本的降低有重要意義。DOE發(fā)布了固定式儲(chǔ)氫容器和燃料電池汽車用氫氣瓶的成本目標(biāo)：固定式低壓（16MPa）儲(chǔ)氫容器儲(chǔ)存1kg氫氣的最終成本目標(biāo)為450美元，中壓（43MPa）和高壓（92.5MPa）容器為600美元；車載氫氣瓶?jī)?chǔ)存1kg氫氣的最終成本目標(biāo)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(chǔ)運(yùn)設(shè)備面臨的挑戰(zhàn)。在氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的建造成本中，材料成本所占比例最高，因此通過(guò)開(kāi)發(fā)高性能、低成本抗氫材料可以有效降低設(shè)備成本。此外，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)、改進(jìn)設(shè)計(jì)方法和制造工藝、實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)也可以降低設(shè)備成本。