氫能大規(guī)模應(yīng)用的難點(diǎn)：儲(chǔ)運(yùn)加

2020-04-29 09:48

2020年4月，國家能源局發(fā)布《中華人民共和國能源法（征求意見稿）》，刷新了對能源的定義，氫能被列為能源范疇，這將是中國第一次從法律上確認(rèn)氫能屬于能源。

氫能被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉础Ｗ鳛槎文茉矗瑏碓炊鄻樱üI(yè)副產(chǎn)氣制氫、電解水制氫、化石燃料制氫、化工原料制氫以及與可再生能源發(fā)電結(jié)合。應(yīng)用場景豐富，可廣泛應(yīng)用于能源、交通運(yùn)輸、工業(yè)、建筑等領(lǐng)域。

目前我們氫能產(chǎn)業(yè)最受矚目的應(yīng)用場景是氫燃料電池汽車。在國家和地方政府的政策支持下，近幾年我國氫燃料電池汽車行業(yè)發(fā)展迅速。2017年，我國燃料電池汽車總銷量為1272輛，2018年為1527輛，2019年為2737輛，近三年復(fù)合增速為46．69％，歷年累計(jì)銷量為6175輛。

氫能大規(guī)模應(yīng)用的難點(diǎn)：儲(chǔ)運(yùn)加

圖1 中國2015－2019年燃料電池汽車銷量一覽

截至2020年4月底，香橙會(huì)研究院統(tǒng)計(jì)，我國累計(jì)建成71座加氫站。但業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為加氫站基礎(chǔ)設(shè)施遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠——目前我國氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈基本打通，而氫能和燃料電池產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用的難點(diǎn)還在于氫氣的儲(chǔ)運(yùn)和加注環(huán)節(jié)。該難題一旦解決，我國氫能和燃料電池產(chǎn)業(yè)將進(jìn)入大規(guī)模市場化階段。

就氫氣的儲(chǔ)運(yùn)加難題，下面將逐一分析。

氫氣儲(chǔ)存

1．高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫

當(dāng)前高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)比較成熟，是目前最常用的儲(chǔ)氫技術(shù)。該技術(shù)是采用高壓將氫氣壓縮到一個(gè)耐高壓的容器里。儲(chǔ)氫罐主要由壓力部件金屬套筒、聚合物或金屬襯板、碳纖維增強(qiáng)層、防沖擊外罩和底座組成，可有效增強(qiáng)氣罐的抗沖擊能力，提高安全性，同時(shí)灌裝氫氣方便。

國際主流技術(shù)以鋁合金／塑料作為氫瓶內(nèi)膽用于保溫，外層則用3公分左右厚度的碳纖維進(jìn)行包覆，提升氫瓶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并盡可能減輕整體質(zhì)量。氫瓶閥門處利用細(xì)長的管道將幾組氫瓶進(jìn)行串聯(lián)，并加裝溫度傳感器等監(jiān)控設(shè)備。安全性方面，當(dāng)溫度傳感器感應(yīng)到外界溫度遠(yuǎn)高于正常溫度時(shí)（一般超過100℃時(shí)），會(huì)自動(dòng)打開閥門快速釋放瓶內(nèi)所有氣體。

氫能大規(guī)模應(yīng)用的難點(diǎn)：儲(chǔ)運(yùn)加

圖2 儲(chǔ)氫罐解剖示意圖

目前應(yīng)用的高壓儲(chǔ)氫氣瓶主要有四類：全金屬氣瓶（Ⅰ型）、金屬內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞氣瓶（Ⅱ型）、金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶（Ⅲ型）、非金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶（Ⅳ型）。高壓儲(chǔ)氫瓶關(guān)鍵技術(shù)集中在內(nèi)襯層、纏繞層和過渡層。

表1 儲(chǔ)氫罐的材料和類型

氫能大規(guī)模應(yīng)用的難點(diǎn)：儲(chǔ)運(yùn)加

根據(jù)應(yīng)用方式的不同，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫分為車用高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫和固定式高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫。

車用高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫主要應(yīng)用于車載系統(tǒng)，大多使用金屬內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶（III型）和塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶（IV型），當(dāng)前國內(nèi)車載系統(tǒng)中主要以III型瓶為主，成熟的車載儲(chǔ)氫技術(shù)為35MPa壓力標(biāo)準(zhǔn)。70MPa的Ⅲ型儲(chǔ)氫罐使用標(biāo)準(zhǔn)在2017《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》已經(jīng)頒布，配套的70MPa加氫設(shè)備和系統(tǒng)在研發(fā)和小范圍應(yīng)用階段。

歐美日加氫站普遍采用與汽車配套的70MPa壓力標(biāo)準(zhǔn)，并實(shí)現(xiàn)設(shè)備量產(chǎn)。國內(nèi)目前生產(chǎn)車載高壓儲(chǔ)氫罐的企業(yè)有科泰克、天海工業(yè)、中材科技、斯林達(dá)安科等，具備高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)生產(chǎn)能力的企業(yè)有舜華新能源、伯肯節(jié)能、國富氫能、科泰克等。

固定式高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫主要應(yīng)用在固定場所，如制氫廠、加氫站以及其他需要儲(chǔ)存高壓氫氣的地方。目前主要使用大直徑儲(chǔ)氫長管和鋼帶錯(cuò)繞式儲(chǔ)氫罐來儲(chǔ)氫。石家莊安瑞科于2002年在國內(nèi)率先研制成功20／25MPa大容積儲(chǔ)氫長管，并應(yīng)用于大規(guī)模氫氣運(yùn)輸。鋼帶錯(cuò)繞式儲(chǔ)氫罐目前有45MPa和98MPa兩種型號，如浙大與巨化股份制造生產(chǎn)的兩臺(tái)國內(nèi)最高壓力等級98MPa立式高壓儲(chǔ)罐，應(yīng)用在江蘇常熟豐田加氫站中。國內(nèi)生產(chǎn)固定式高壓儲(chǔ)氫罐的企業(yè)有石家莊安瑞科、魯西化工、開原維科、巨化股份等。

雖然高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)比較成熟、應(yīng)用普遍，但是體積比容量小，未達(dá)到美國能源部（DOE）制定的發(fā)展目標(biāo)，是該技術(shù)一個(gè)致命的弱點(diǎn)。除此之外，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫存有泄漏、爆炸的安全隱患，因此安全性能有待提升。未來，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫還需向輕量化、高壓化、低成本、質(zhì)量穩(wěn)定的方向發(fā)展。

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