国内氢储运技术核心突破点

2023-10-19 13:51

能景EnerScen

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国内IV型瓶、输氢管道、固态、液氢、有机液氢技术全面突破

2023年，国内氢能储运技术呈现加快突破的趋势，从车载IV型气瓶、输氢管道，到固态储氢、液氢、有机液氢，均迎来产业化落地示范的节点。但总体来说，国内氢能储运技术等尚处于起步阶段，从技术角度来看也还有许多核心材料、装置需要进一步优化突破。

能景研究结合国内外氢能储运技术产品及示范前沿，对当前国内各储运技术路径的核心突破点进行了归纳，以供行业参考。

01车载IV型气瓶：材料是优化的核心

车载IV型气瓶有着密封性强、结构稳定性高等基本要求。这需要瓶体材料对氢气具有较低渗透率、对不同材料组分之间具有较高相容性及结合强度、且对温度及压力变化具有较高耐受度等。

国内主要在瓶体材料的强度、与其他材料的相容性、耐高温特性等方面进行优化。IV型气瓶的核心瓶体材料主要有内胆塑料、缠绕层碳纤维、缠绕层粘合剂树脂等三大类，其中前2者是需突破的重点。内胆塑料需要考虑对氢气的密封性、且在剧烈温度变化下不发生变形开裂；碳纤维则需要保证高强度、不断丝、与树脂粘合剂较强的相容性等。

内胆材料的优化可通过对材料改性等途径来实现。一般可采取对内胆材料的单体分子进行修饰改良，或对不同单体分子之间的配比等进行筛选比较，来得到兼具优良氢气密封特性与耐高温特性的材料。此外，也有企业选择在后期加工成型、表面处理等方面优化来提高内胆性能。

碳纤维材料可通过表面优化修饰以提高结合强度等方式进行优化。一般可以对碳纤维进行一定程度的氧化处理，以增加表面极性基团从而加强对树脂的吸附；或研发针对性的表面负载剂，使碳纤维更易与熔融树脂结合，且固化后不易分离开裂。

02氢气长输管道：高强度、防氢脆管材研究是重点

氢气长输管道建设有着高强度、防氢脆、长期稳定可靠等三方面基本要求。一是高强度，可承载4 MPa乃至更高的输氢压力；二是防氢脆，确保管材不因氢气发生劣化；三是长期稳定可靠，面对内部气体成分波动、外部复杂环境变化，保持管道不腐蚀、不开裂等。

现阶段输氢管道的管材尚难以同时达到高强度、防氢脆的要求。国内外输氢管道建设多采用油气管道钢材，强度越高则对氢脆越敏感，导致高强度钢无法用于输氢管道建设。典型如西气东输采用的X70、X80等钢材，便无法直接用于输氢。

为突破管材强度与氢脆的制约关系，或可采用精准工艺控制与严格检测相结合等方法。根据文献资料，部分制造工艺下的X80等高强管材可产生特定的抗氢脆微观结构，从可具有较高抗氢脆特性。因此，若严格规范专门针对氢脆的的生产工艺，并辅以严格的氢脆标准检验，或可实现X80等高强钢用于输氢。

研发配套监测器件及维护保养技术也可保障管材寿命及长久运行安全。输氢管材的氢脆发生概率也与内部气体含水量、含硫量、温度变化等高度相关，因此需针对输氢场景开发一系列管内状态传感器、管道机器人等监测及维护装备。与天然气管道不同的是，这些装置的机体用材、传感器件等也需要具有抗氢脆特性。

03固态储氢：高效储氢合金及热管理技术是两大重点

固态储氢有着储氢密度高、充放氢条件温和且速度快等目标要求。一是储氢密度高，相同储氢量下不应过重；二是充放氢条件温和，充放氢温度及压力要求不应过高；三是充放氢速度快，能够满足汽车等快速耗氢场景供氢需求。

目前突破的核心主要为储氢合金，以同时提高储氢合金的储氢量与充放氢速度等为重点。固态储氢合金主要可分为镁基材料、以及镧系、钛系等非镁基材料等。其中，前者的储氢质量容量高，是其他材料的一倍以上，但充放氢温度高达近300℃，且放氢速度缓慢；后者储氢质量容量较低，但充放氢温度仅为20~50℃，且放氢速度远快于镁材料。

为提高储量提高充放速度，行业中一般采取合金化、纳米化等微观调控策略。其中，合金化可改变材料本身储氢特性，实现不同材料的优缺点互补；而纳米化提高了储氢材料反应活性，从而提高了充放氢速度。典型如镁系储氢合金，尽管镁金属活性差、充放氢慢，但通过减小镁颗粒粒径至纳米级、并与其他金属元素结合后，充放氢温度可降低至200℃以下，且充满氢的时间由小时级降至分钟级。

实现高效热管理也是提高镁系材料储氢储能效率的重点。鉴于镁基材料体系需要200℃左右的放氢温度，若热管理不当将产生热利用效率不足、能量浪费等问题。可通过对储罐传热结构、传热介质（如导热油）、智能温测及系统控制上进行优化以节省能耗，如在储罐内安装翅片换热芯杆、采用高导热率的导热油、升级热控系统管理策略等。

04低温液氢：氢液化系统大型化是重点

氢液化路径的核心要求之一是降低能耗，从而降低氢液化成本。能耗是液氢路径高成本的最主要来源之一。据文献报道，国外某30吨/天氢液化项目的生产成本中，能耗成本占比达到了20%，仅次于购氢成本的58%。

目前国内在营的氢液化装置的能耗高于海外。文献资料显示，截至2022年，美国氢液化能耗已低至10 kWh/kg以下，而国内建成装置的能耗尚在15~20 kWh/kg之间。相应地，国内氢液化成本也高于美国，美国平均氢液化成本约17.5元左右，而国内估算在美国的2倍以上。

国内液氢企业正沿装置大型化等方向实现降低能耗。由于采用的流程、零部件效率等不同，一般规模越大的液氢系统能耗越低，产能50 吨/天的装置能耗仅有2吨/天装置的一半左右。截至2023年上半年，海外最高已建成了50吨/天的氢液化装置；同时国内大型化液氢装置也在加快推出，2023年上半年已推出多套1.5吨/天、10吨/天等不同规格核心装置，使用国产10吨/天氢液化设备的项目也已开工。

05有机液态储氢：高活性、高稳定的有机介质-催化剂体系开发是核心

有机液态储氢需要达到反应条件温和、高循环次数寿命等要求。一是反应条件温和，有机介质进行氢气充放的温度或压力要求不应过高，以避免产生过高能耗；二是高循环次数寿命，在百千次循环过程中，储氢容量不应有显著降低。

国内外企业主要在设计新型有机介质、催化剂2方面进行突破。其中，有机介质方面主要为设计反应条件更加温和的材料，目前国内外产业应用的有机介质的充放氢温度一般在200℃以上，部分可达到170℃左右；催化剂方面，则在提高催化选择性从而提高储氢体系循环次数寿命、提高抗毒性从而避免失活等等方面进行探索。