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論高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)的“纏”與“解”

   2023-10-01 氫能觀察張贏100170
核心提示:自“碳達(dá)峰碳中和”的目標(biāo)提出以來,以可再生能源為中心的新能源產(chǎn)業(yè)加緊布局,為我國能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級(jí)助力。雙碳目標(biāo)催促我國新能源體系的加快構(gòu)建,更催促了氫能產(chǎn)業(yè)加緊跑馬圈地的步伐。(來源:網(wǎng)絡(luò)整理)從制氫端到儲(chǔ)運(yùn)端再到應(yīng)用端,氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)模龐大

自“碳達(dá)峰碳中和”的目標(biāo)提出以來,以可再生能源為中心的新能源產(chǎn)業(yè)加緊布局,為我國能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級(jí)助力。雙碳目標(biāo)催促我國新能源體系的加快構(gòu)建,更催促了氫能產(chǎn)業(yè)加緊跑馬圈地的步伐。


(來源:網(wǎng)絡(luò)整理)



從制氫端到儲(chǔ)運(yùn)端再到應(yīng)用端,氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)模龐大且繁雜。作為最為清潔的二次能源,氫氣雖然廣泛存在于宇宙之中卻只能通過制取才能獲取?;谶@一“難題”,氫能在發(fā)展過程中備受掣肘。

在儲(chǔ)氫方面,目前國內(nèi)還處在嘗試和小批量示范階段,暫未形成規(guī)?;l(fā)展。以國內(nèi)某地為例,若該地全部氫能車輛正常運(yùn)營,氫氣日需求量為15 t 左右,目前采用的高壓長管拖車輸氫量僅為200-300 kg,且氫能輸運(yùn)成本較高,導(dǎo)致氫能的應(yīng)用環(huán)節(jié)難以大規(guī)模發(fā)展。


當(dāng)前,儲(chǔ)氫技術(shù)主要分為高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、高溫固態(tài)儲(chǔ)氫以及有機(jī)化合物儲(chǔ)氫四種。


高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是指在高壓條件下壓縮氫氣,將壓縮后的高密度氫氣存儲(chǔ)于耐高壓容器中的存儲(chǔ)技術(shù)。


目前國內(nèi)儲(chǔ)氫技術(shù)中最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的就是高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)通常采用儲(chǔ)氫氣罐作為容器,具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、壓縮氫氣制備能耗低、充裝和排放速度快、溫度適應(yīng)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。因此,高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫預(yù)計(jì)在未來較長的時(shí)間內(nèi)仍將占據(jù)氫能儲(chǔ)存技術(shù)的主導(dǎo)地位。


高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)核心問題在于儲(chǔ)氫氣罐(儲(chǔ)氫瓶)。通過高壓壓縮,氫氣以不同壓力被壓縮并裝入儲(chǔ)氫容器中?,F(xiàn)已開發(fā)并用于氫氣運(yùn)輸和儲(chǔ)存容器共有4種不同類型,分別為純鋼制金屬瓶(Ⅰ型)、鋼制內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞瓶(Ⅱ型)、鋁內(nèi)膽纖維全纏繞瓶(Ⅲ型)及塑料內(nèi)膽纖維纏繞瓶(Ⅳ型)。


Ⅰ型瓶是由對(duì)氫氣有一定抗腐蝕能力的金屬構(gòu)成,它的優(yōu)點(diǎn)是制造容易、價(jià)格便宜,但由于金屬強(qiáng)度有限以及金屬密度較大,傳統(tǒng)金屬容器的單位質(zhì)量儲(chǔ)氫密度較低。


(左:Ⅰ型瓶  右:Ⅲ型瓶)


Ⅱ型和Ⅲ型瓶可有效提高容器的承載能力及單位質(zhì)量儲(chǔ)氫密度。該類容器中金屬內(nèi)襯僅起密封氫氣的作用,而壓力載荷由外層纏繞的纖維承擔(dān)。隨著纖維質(zhì)量的提高和纏繞工藝的不斷改進(jìn), 此類容器的承載能力進(jìn)一步提高,單位質(zhì)量儲(chǔ)氫密度也隨之提高。



(左:Ⅲ型瓶  右:Ⅳ型瓶)



Ⅳ型瓶采用工程熱塑料材料替換金屬材料作為內(nèi)襯材料,同時(shí)采用金屬涂覆層提高氫氣阻隔效果,纏繞層由碳纖維強(qiáng)化樹脂層及玻璃纖維強(qiáng)化樹脂層組成,可進(jìn)一步降低儲(chǔ)氫容器的質(zhì)量。


相比較之下,Ⅳ型瓶是最適宜儲(chǔ)氫的,而從Ⅰ型到Ⅳ型,技術(shù)難度逐步增大,材料國產(chǎn)化情況也在逐步降低。目前,國內(nèi)碳纖維產(chǎn)量在逐步加大,為Ⅳ型瓶的生產(chǎn)提供了廣闊的發(fā)展空間。除了儲(chǔ)氫瓶材質(zhì)的問題,儲(chǔ)氫瓶壓力也在向高壓化轉(zhuǎn)變。國內(nèi)高壓儲(chǔ)氫目前應(yīng)用較為廣泛的是35MPa壓力,正在向70MPa努力。而更高的壓力也面臨著對(duì)儲(chǔ)氫瓶材質(zhì)以及技術(shù)成熟度的挑戰(zhàn)。


根據(jù)實(shí)際的使用場景,可以將高壓儲(chǔ)氫容器分為運(yùn)輸用儲(chǔ)氫容器、加氫站用儲(chǔ)氫容器和車載儲(chǔ)氫容器。


高壓氫氣的運(yùn)輸設(shè)備主要用于將氫氣從產(chǎn)地運(yùn)輸?shù)绞褂玫鼗蚣託湔?。氫氣量少的使用高壓鋼瓶盛裝氫氣并搭配廂車進(jìn)行運(yùn)輸,比如工業(yè)用氫或者實(shí)驗(yàn)室用氫;量大的則使用長管拖車,例如一些加氫站在輸氫運(yùn)氫過程中采用此種方式。但這其中要受制于外在環(huán)境條件,在北方或者寒冷地區(qū),廂車運(yùn)輸或者長管拖車運(yùn)輸將會(huì)面臨極大困難,同時(shí)運(yùn)氫安全風(fēng)險(xiǎn)增加。當(dāng)?shù)缆窏l件較差時(shí),拖車運(yùn)輸危險(xiǎn)系數(shù)將大大增加。


(聯(lián)悅長管拖車  來源:聯(lián)悅氣體)



成本上,目前20MPa長管拖車約66萬,30MPa長管拖車約166萬。以20MPa壓力運(yùn)輸,當(dāng)運(yùn)輸距離100km時(shí),運(yùn)輸成本為8.66元/kg。隨著距離增加,運(yùn)輸成本受人工費(fèi)和油費(fèi)推動(dòng)顯著上升。如果運(yùn)輸壓力標(biāo)準(zhǔn)由20MPa提升至50MPa,100km的運(yùn)輸成本可降至5.60元/kg。


由此可以看到,中短途(≤200公里)輸氫運(yùn)氫受限較多,但短期來看,在成本壓力下長管拖車運(yùn)氫也將占據(jù)一部分市場。但是在長途運(yùn)輸場景(>200公里)下,規(guī)?;瘍?chǔ)氫運(yùn)氫仍需要進(jìn)步。


加氫站方面,現(xiàn)階段國內(nèi)主要以高壓氣態(tài)氫氣的形式為氫燃料電池車輛提供氫燃料,主要使用高壓瓶式容器和鋼帶錯(cuò)繞式儲(chǔ)氫罐。目前加氫站主要有兩種壓力要求,一種是滿足35MPa加氫要求的加氫站,一種是滿足70MPa加氫要求的加氫站,國內(nèi)以35MPa為主,國外以70MPa為主。


隨著我國各地區(qū)氫能產(chǎn)業(yè)專項(xiàng)規(guī)劃的出臺(tái),加氫站數(shù)量將在2025年出現(xiàn)大幅度提升。然而,目前加氫站建設(shè)極其困難。一方面,加氫站建設(shè)土地審批困難,大多數(shù)地區(qū)仍將氫氣視為?;瘜W(xué)品,加氫站只能建設(shè)在化工園區(qū),對(duì)于城市里氫能公交車、氫能物流車以及高速口等位置都很少有加氫站的“影子”;另一方面,加氫站建設(shè)運(yùn)營極為艱難,加氫站建完擱置不用、站內(nèi)缺氫、無車加氫等問題頻頻出現(xiàn),加氫站建設(shè)成本極高,大約在1500萬元-2000萬元左右(以日加氫能力500公斤及1000公斤計(jì)算),核心部件不僅依賴進(jìn)口,同時(shí)短期內(nèi)難以見到收益和成效。


車載儲(chǔ)氫容器是目前氣態(tài)儲(chǔ)氫廠商的開發(fā)重點(diǎn)。根據(jù)我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢可以看到,氫燃料電池汽車將在未來成指數(shù)級(jí)增長。隨著氫燃料電池汽車的快速發(fā)展,車載儲(chǔ)氫瓶將有極大需求。車載儲(chǔ)氫瓶一般使用III型瓶或Ⅳ型瓶,工作壓力一般為35-70MPa,國內(nèi)車載高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)主要采用35MPaⅢ型瓶,國外以70MPaIV型瓶為主。


(車載儲(chǔ)氫氣瓶  來源:網(wǎng)絡(luò)整理)



從儲(chǔ)運(yùn)效率、輕量化、成本等角度出發(fā),Ⅳ型瓶相較于Ⅲ型瓶具備顯著優(yōu)勢:Ⅲ型瓶重容比在0.98左右,Ⅳ型瓶重容比在0.74左右;Ⅲ型瓶儲(chǔ)氫密度為3.9%,Ⅳ型瓶的儲(chǔ)氫密度可以達(dá)到5.5%;Ⅳ型瓶單瓶氣體容積可達(dá)到375升,可降低整個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜性。盡管Ⅳ型瓶面臨著許多阻礙,但與Ⅲ型瓶相比,其塑料內(nèi)膽取代鋁內(nèi)膽必將使成本降低,更長的高壓循環(huán)壽命、不受各種腐蝕材料影響都是儲(chǔ)運(yùn)材料巨大的閃光點(diǎn)。因此國內(nèi)部分廠商、研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)立項(xiàng),開始著手Ⅳ型瓶的研發(fā)工作。


對(duì)于Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶而言,重點(diǎn)研發(fā)方向在內(nèi)膽成型工藝和碳纖維纏繞工藝上。Ⅳ型瓶內(nèi)膽多采用PA6、高密度聚乙烯(HDPE)以及PET聚酯塑料等,對(duì)應(yīng)的成型工藝主要為注塑、吹塑和滾塑成型。豐田、現(xiàn)代已量產(chǎn)的IV型瓶均為注塑+焊接工藝,該種成型方式成本低、運(yùn)用較廣泛、但良品率也較低,且必須配合后續(xù)的焊接工序。碳纖維纏繞成型工藝可分為濕法纏繞和干法纏繞,其中濕法纏繞由于其成本較低、工藝性好,因此應(yīng)用較為廣泛。


由此可以看到,我國車載儲(chǔ)氫瓶技術(shù)仍與國外有較大差距。國內(nèi)Ⅲ型瓶的發(fā)展阻礙主要在于碳纖維材料仍然依賴進(jìn)口,成本較高。一旦實(shí)現(xiàn)碳纖維材料國產(chǎn)化,Ⅲ型瓶的成本將會(huì)進(jìn)一步降低。Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶除去碳纖維材料需進(jìn)口外,使用也受到限制。國內(nèi)對(duì)于氫燃料電池汽車的儲(chǔ)氫系統(tǒng)目前仍舊限制在Ⅲ型瓶上,所以各大汽車廠商為了適應(yīng)國內(nèi)法規(guī)仍然使用Ⅲ型瓶的儲(chǔ)氫系統(tǒng)。受到氫燃料電池汽車應(yīng)用場景的限制,車載儲(chǔ)氫瓶的要求相對(duì)較高。未來,車載儲(chǔ)氫瓶將朝著輕量化、高壓力、高儲(chǔ)氫質(zhì)量以及長壽命等方向發(fā)展,車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)也逐步轉(zhuǎn)向多瓶組的組合設(shè)計(jì)趨勢。


(碳纖維儲(chǔ)氫容器  來源:網(wǎng)絡(luò)整理)



想要詳細(xì)了解我國儲(chǔ)氫瓶市場現(xiàn)狀,可關(guān)注產(chǎn)能加速擴(kuò)大!國內(nèi)儲(chǔ)氫瓶市場概述

整體來看,我國高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)存在三大壁壘。

一是標(biāo)準(zhǔn)體系的制訂。我國在儲(chǔ)氫方面的標(biāo)準(zhǔn)體系一直建立不夠完善,以至于長期以來車用儲(chǔ)氫系統(tǒng)均才采用的Ⅲ型儲(chǔ)氫瓶。在這方面,國內(nèi)各大企業(yè)和機(jī)構(gòu)已在逐步調(diào)研之中,并且已經(jīng)初見成效。2023年5月23日,國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 42612-2023《車用壓縮氫氣塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》正式發(fā)布,該標(biāo)準(zhǔn)將于2024年6月1日正式實(shí)施,將推動(dòng)車載儲(chǔ)氫瓶的快速發(fā)展。


二是材料供應(yīng)的國產(chǎn)化。儲(chǔ)氫容器需要的重要材料就是碳纖維,我國也在近兩年逐步加大國產(chǎn)碳纖維生產(chǎn)的產(chǎn)量,同時(shí)開發(fā)性能更為優(yōu)異的碳纖維材料。此外,在碳纖維纏繞技術(shù)上,國內(nèi)市場仍需努力。如何同時(shí)保證儲(chǔ)氫容器的輕量化和密封化的平衡,也需要更為成熟先進(jìn)的技術(shù)Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶的制造成本在3000~3500美元,主要包括:復(fù)合材料、閥門、調(diào)節(jié)器、組裝檢查、氫氣等,其中復(fù)合材料的成本占總成本的75%以上。由此可見,將材料盡早實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化并大規(guī)模生產(chǎn),可以降低大部分成本。


三是儲(chǔ)氫技術(shù)的安全性及可靠性。儲(chǔ)氫容器的安全性至關(guān)重要,不僅關(guān)乎容器本身的使用壽命,更關(guān)乎使用時(shí)是否會(huì)發(fā)生事故等問題。在高壓臨氫的情況下,裝備服役性能的影響因素主要涉及到應(yīng)力、環(huán)境、材料,制造等,影響因素多,機(jī)制也非常復(fù)雜,亟待開展氫與材料作用機(jī)制,高壓、深冷等極端氫環(huán)境材料性能數(shù)據(jù),低成本、抗氫脆材料,氫能儲(chǔ)輸裝備性能預(yù)測和調(diào)控技術(shù)等方面的研究。儲(chǔ)氫容器的性能要求極為嚴(yán)苛,不僅要承受住氣體的高壓力,同時(shí)也要注意氫氣本身對(duì)材料的腐蝕??垢邏汉涂箽浯嗍悄壳氨姸嘌芯繄F(tuán)隊(duì)持續(xù)攻堅(jiān)的重中之重,根據(jù)環(huán)境條件和材料性能的不同,研發(fā)出更為安全可靠的儲(chǔ)氫容器還需要一段時(shí)間。


參考:

1.聯(lián)悅氣體:高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫:應(yīng)用廣泛的儲(chǔ)氫技術(shù)

2.PGO氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)研究院:簡析高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫的技術(shù)現(xiàn)狀

3.碳纖維研習(xí)社:復(fù)合材料高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫瓶深度解析


 
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