國(guó)內(nèi)IV型瓶、輸氫管道、固態(tài)、液氫、有機(jī)液氫技術(shù)全面突破

2023年，國(guó)內(nèi)氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)呈現(xiàn)加快突破的趨勢(shì)，從車載IV型氣瓶、輸氫管道，到固態(tài)儲(chǔ)氫、液氫、有機(jī)液氫，均迎來(lái)產(chǎn)業(yè)化落地示范的節(jié)點(diǎn)。但總體來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)等尚處于起步階段，從技術(shù)角度來(lái)看也還有許多核心材料、裝置需要進(jìn)一步優(yōu)化突破。

能景研究結(jié)合國(guó)內(nèi)外氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)產(chǎn)品及示范前沿，對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)各儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)路徑的核心突破點(diǎn)進(jìn)行了歸納，以供行業(yè)參考。

01車載IV型氣瓶：材料是優(yōu)化的核心

車載IV型氣瓶有著密封性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高等基本要求。這需要瓶體材料對(duì)氫氣具有較低滲透率、對(duì)不同材料組分之間具有較高相容性及結(jié)合強(qiáng)度、且對(duì)溫度及壓力變化具有較高耐受度等。

國(guó)內(nèi)主要在瓶體材料的強(qiáng)度、與其他材料的相容性、耐高溫特性等方面進(jìn)行優(yōu)化。IV型氣瓶的核心瓶體材料主要有內(nèi)膽塑料、纏繞層碳纖維、纏繞層粘合劑樹(shù)脂等三大類，其中前2者是需突破的重點(diǎn)。內(nèi)膽塑料需要考慮對(duì)氫氣的密封性、且在劇烈溫度變化下不發(fā)生變形開(kāi)裂；碳纖維則需要保證高強(qiáng)度、不斷絲、與樹(shù)脂粘合劑較強(qiáng)的相容性等。

內(nèi)膽材料的優(yōu)化可通過(guò)對(duì)材料改性等途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般可采取對(duì)內(nèi)膽材料的單體分子進(jìn)行修飾改良，或?qū)Σ煌瑔误w分子之間的配比等進(jìn)行篩選比較，來(lái)得到兼具優(yōu)良?xì)錃饷芊馓匦耘c耐高溫特性的材料。此外，也有企業(yè)選擇在后期加工成型、表面處理等方面優(yōu)化來(lái)提高內(nèi)膽性能。

碳纖維材料可通過(guò)表面優(yōu)化修飾以提高結(jié)合強(qiáng)度等方式進(jìn)行優(yōu)化。一般可以對(duì)碳纖維進(jìn)行一定程度的氧化處理，以增加表面極性基團(tuán)從而加強(qiáng)對(duì)樹(shù)脂的吸附；或研發(fā)針對(duì)性的表面負(fù)載劑，使碳纖維更易與熔融樹(shù)脂結(jié)合，且固化后不易分離開(kāi)裂。

02氫氣長(zhǎng)輸管道：高強(qiáng)度、防氫脆管材研究是重點(diǎn)

氫氣長(zhǎng)輸管道建設(shè)有著高強(qiáng)度、防氫脆、長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠等三方面基本要求。一是高強(qiáng)度，可承載4 MPa乃至更高的輸氫壓力；二是防氫脆，確保管材不因氫氣發(fā)生劣化；三是長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠，面對(duì)內(nèi)部氣體成分波動(dòng)、外部復(fù)雜環(huán)境變化，保持管道不腐蝕、不開(kāi)裂等。

現(xiàn)階段輸氫管道的管材尚難以同時(shí)達(dá)到高強(qiáng)度、防氫脆的要求。國(guó)內(nèi)外輸氫管道建設(shè)多采用油氣管道鋼材，強(qiáng)度越高則對(duì)氫脆越敏感，導(dǎo)致高強(qiáng)度鋼無(wú)法用于輸氫管道建設(shè)。典型如西氣東輸采用的X70、X80等鋼材，便無(wú)法直接用于輸氫。

為突破管材強(qiáng)度與氫脆的制約關(guān)系，或可采用精準(zhǔn)工藝控制與嚴(yán)格檢測(cè)相結(jié)合等方法。根據(jù)文獻(xiàn)資料，部分制造工藝下的X80等高強(qiáng)管材可產(chǎn)生特定的抗氫脆微觀結(jié)構(gòu)，從可具有較高抗氫脆特性。因此，若嚴(yán)格規(guī)范專門針對(duì)氫脆的的生產(chǎn)工藝，并輔以嚴(yán)格的氫脆標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)，或可實(shí)現(xiàn)X80等高強(qiáng)鋼用于輸氫。

研發(fā)配套監(jiān)測(cè)器件及維護(hù)保養(yǎng)技術(shù)也可保障管材壽命及長(zhǎng)久運(yùn)行安全。輸氫管材的氫脆發(fā)生概率也與內(nèi)部氣體含水量、含硫量、溫度變化等高度相關(guān)，因此需針對(duì)輸氫場(chǎng)景開(kāi)發(fā)一系列管內(nèi)狀態(tài)傳感器、管道機(jī)器人等監(jiān)測(cè)及維護(hù)裝備。與天然氣管道不同的是，這些裝置的機(jī)體用材、傳感器件等也需要具有抗氫脆特性。

03固態(tài)儲(chǔ)氫：高效儲(chǔ)氫合金及熱管理技術(shù)是兩大重點(diǎn)

固態(tài)儲(chǔ)氫有著儲(chǔ)氫密度高、充放氫條件溫和且速度快等目標(biāo)要求。一是儲(chǔ)氫密度高，相同儲(chǔ)氫量下不應(yīng)過(guò)重；二是充放氫條件溫和，充放氫溫度及壓力要求不應(yīng)過(guò)高；三是充放氫速度快，能夠滿足汽車等快速耗氫場(chǎng)景供氫需求。

目前突破的核心主要為儲(chǔ)氫合金，以同時(shí)提高儲(chǔ)氫合金的儲(chǔ)氫量與充放氫速度等為重點(diǎn)。固態(tài)儲(chǔ)氫合金主要可分為鎂基材料、以及鑭系、鈦系等非鎂基材料等。其中，前者的儲(chǔ)氫質(zhì)量容量高，是其他材料的一倍以上，但充放氫溫度高達(dá)近300℃，且放氫速度緩慢；后者儲(chǔ)氫質(zhì)量容量較低，但充放氫溫度僅為20~50℃，且放氫速度遠(yuǎn)快于鎂材料。

為提高儲(chǔ)量提高充放速度，行業(yè)中一般采取合金化、納米化等微觀調(diào)控策略。其中，合金化可改變材料本身儲(chǔ)氫特性，實(shí)現(xiàn)不同材料的優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)；而納米化提高了儲(chǔ)氫材料反應(yīng)活性，從而提高了充放氫速度。典型如鎂系儲(chǔ)氫合金，盡管鎂金屬活性差、充放氫慢，但通過(guò)減小鎂顆粒粒徑至納米級(jí)、并與其他金屬元素結(jié)合后，充放氫溫度可降低至200℃以下，且充滿氫的時(shí)間由小時(shí)級(jí)降至分鐘級(jí)。

實(shí)現(xiàn)高效熱管理也是提高鎂系材料儲(chǔ)氫儲(chǔ)能效率的重點(diǎn)。鑒于鎂基材料體系需要200℃左右的放氫溫度，若熱管理不當(dāng)將產(chǎn)生熱利用效率不足、能量浪費(fèi)等問(wèn)題�？赏ㄟ^(guò)對(duì)儲(chǔ)罐傳熱結(jié)構(gòu)、傳熱介質(zhì)（如導(dǎo)熱油）、智能溫測(cè)及系統(tǒng)控制上進(jìn)行優(yōu)化以節(jié)省能耗，如在儲(chǔ)罐內(nèi)安裝翅片換熱芯桿、采用高導(dǎo)熱率的導(dǎo)熱油、升級(jí)熱控系統(tǒng)管理策略等。

04低溫液氫：氫液化系統(tǒng)大型化是重點(diǎn)

氫液化路徑的核心要求之一是降低能耗，從而降低氫液化成本。能耗是液氫路徑高成本的最主要來(lái)源之一。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，國(guó)外某30噸/天氫液化項(xiàng)目的生產(chǎn)成本中，能耗成本占比達(dá)到了20%，僅次于購(gòu)氫成本的58%。

目前國(guó)內(nèi)在營(yíng)的氫液化裝置的能耗高于海外。文獻(xiàn)資料顯示，截至2022年，美國(guó)氫液化能耗已低至10 kWh/kg以下，而國(guó)內(nèi)建成裝置的能耗尚在15~20 kWh/kg之間。相應(yīng)地，國(guó)內(nèi)氫液化成本也高于美國(guó)，美國(guó)平均氫液化成本約17.5元左右，而國(guó)內(nèi)估算在美國(guó)的2倍以上。

國(guó)內(nèi)液氫企業(yè)正沿裝置大型化等方向?qū)崿F(xiàn)降低能耗。由于采用的流程、零部件效率等不同，一般規(guī)模越大的液氫系統(tǒng)能耗越低，產(chǎn)能50 噸/天的裝置能耗僅有2噸/天裝置的一半左右。截至2023年上半年，海外最高已建成了50噸/天的氫液化裝置；同時(shí)國(guó)內(nèi)大型化液氫裝置也在加快推出，2023年上半年已推出多套1.5噸/天、10噸/天等不同規(guī)格核心裝置，使用國(guó)產(chǎn)10噸/天氫液化設(shè)備的項(xiàng)目也已開(kāi)工。

05有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫：高活性、高穩(wěn)定的有機(jī)介質(zhì)-催化劑體系開(kāi)發(fā)是核心

有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫需要達(dá)到反應(yīng)條件溫和、高循環(huán)次數(shù)壽命等要求。一是反應(yīng)條件溫和，有機(jī)介質(zhì)進(jìn)行氫氣充放的溫度或壓力要求不應(yīng)過(guò)高，以避免產(chǎn)生過(guò)高能耗；二是高循環(huán)次數(shù)壽命，在百千次循環(huán)過(guò)程中，儲(chǔ)氫容量不應(yīng)有顯著降低。

國(guó)內(nèi)外企業(yè)主要在設(shè)計(jì)新型有機(jī)介質(zhì)、催化劑2方面進(jìn)行突破。其中，有機(jī)介質(zhì)方面主要為設(shè)計(jì)反應(yīng)條件更加溫和的材料，目前國(guó)內(nèi)外產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的有機(jī)介質(zhì)的充放氫溫度一般在200℃以上，部分可達(dá)到170℃左右；催化劑方面，則在提高催化選擇性從而提高儲(chǔ)氫體系循環(huán)次數(shù)壽命、提高抗毒性從而避免失活等等方面進(jìn)行探索。

有機(jī)介質(zhì)的優(yōu)化可從介質(zhì)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行。一般可通過(guò)在苯環(huán)分子上引入N、P、O等摻雜雜原子來(lái)降低反應(yīng)溫度。典型如日本千代田采用的無(wú)雜原子的甲基環(huán)己烷體系，放氫溫度高達(dá)300~350℃；而國(guó)內(nèi)某企業(yè)采用的 N-乙基咔唑等含氮介質(zhì)體系，放氫溫度降低至150~200℃之間。

催化劑的改進(jìn)有貴金屬催化劑、非貴金屬催化劑兩條路徑。一是銠、釕等貴金屬催化劑路線，該路線主要優(yōu)化方向有降低貴金屬含量、提高抗毒化特性等，如采用單原子負(fù)載技術(shù)等；二是鎳基等非貴金屬催化劑路線，該路線主要優(yōu)化方向有提高催化速率、選擇性、穩(wěn)定性等。

來(lái)源：能景研究

作者：新云

END

       原文標(biāo)題 : 技術(shù)|國(guó)內(nèi)氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)核心突破點(diǎn)