2.3　氢气高压储存应用前景

在气态、液态和固态三大类储氢技术中,气态高压储氢技术具有设备结构简单、压缩氢气制备能耗低、充装和排放速度快等优点,是目前占绝对主导地位的储氢方式,其主要应用领域包括了运输用大型高压储氢容器、加氢站用大型高压储氢容器、燃料电池车用高压储氢罐,2019年的报道称高压储氢罐也被用于通信基站不间断电源和无人机燃料电池电源系统上。

2.3.1　运输用大型高压储氢容器[15,16]

高压氢气的运输主要指将氢气从产地运输到使用地点或者加氢站。运输设备有的采用大型高压无缝气瓶或“K”瓶装氢,见图2⁃14,采用汽车运输;有的直接采用高压氢气管道输运。氢气长管拖车用旋压成型的大型高压气瓶装氢。典型的氢气长管拖车长10.0~11.4m,高2.5m,宽2.0~2.3m。长管拖车所装的氢气压力在16~21MPa之间,质量280kg左右。“K”瓶所装的氢气压力在20MPa左右,单个“K”瓶可以装0.05m3的氢气,质量约为0.7kg。装氢的“K”瓶可以用卡车来运输,通常6个一组。“K”瓶可以直接与燃料电池汽车连接,但气体存储量较小且瓶内氢气不可能放空,因此比较适用于气体需求量小的加氢站。

图2⁃14　装载高压无缝气瓶的氢气长管拖车(a)和“K”瓶(b)

为了提高高压氢气的运输能力,降低氢气运输成本,国外一些研究单位开展了大容积复合材料缠绕结构高压储氢容器的研究[17],并已有相关产品问世。如Lincoln Composites公司于2008年研制成功的碳纤维缠绕结构大容积高压储氢容器[16],其内筒采用高密度聚乙烯吹塑成型结构,最高工作压力为25MPa,单台有效容积达8.5m3,储氢量约150kg,如图2⁃15所示。按照ISO668的装配要求,单车搭载4套容器,其运输氢气量可达600kg。该技术使用的碳纤维成本过高,限制了其发展。

图2⁃15　碳纤维缠绕大容积高压储氢容器[16]

为了解决碳纤维缠绕结构的成本问题,美国Lawrence Livermore国家实验室于2008年成功研制了玻璃纤维全缠绕结构的低成本大容积高压储氢容器,如图2⁃16所示[18]。对于大容积复合材料缠绕结构高压储氢容器,压力的提高和容积的增大,均会增加纤维缠绕层的厚度,必须采用多次固化的工艺,导致其质量的稳定性难以保证,且高密度聚乙烯与氢气的相容性还有待进一步研究,这是当前制约其发展的重要因素[16]。

图2⁃16　玻璃纤维缠绕高压储氢容器[18]

2.3.2　加氢站用大型高压储氢容器

加氢站用高压储氢容器是氢存储系统的主要组成部分。目前各汽车公司开发的车载储氢容器压力规格一般为35MPa和70MPa,因此加氢站用高压储氢容器最高气压多为40~85MPa。

目前,高压氢气加氢站所用的存储容器多为高强钢制无缝压缩氢气储罐。这类储罐一般按照美国机械工程师学会锅炉压力容器标准进行设计和制造,用无缝钢管经两端旋压收口制成,属整体无焊缝结构。常用材料为调制处理的CrMo钢,典型牌号有:SA372Gr.DCL65、SA372Gr.JCL65、SA372Gr.JCL70和SA372Gr.MCLA等。材料的主要力学性能为:抗拉强度不小于724MPa、屈服强度不小于448MPa、延伸率不小于18%[15]。

这类储罐一般分为单层和多层。单层储罐有单台设备的容积小、对氢脆敏感、难以实现对储罐健康状况远程在线监测等问题,为了克服这些问题发展了多层高压储氢容器。目前,大容积全多层高压储氢容器已在我国首座商业化运行的加氢站——北京飞驰竞立加氢站(如图2⁃17所示)安全运行多年,并在世界最大的HCNG加气站——山西河津HCNG加气站成功投入运行[18]。

图2⁃17　位于北京飞驰竞立加氢站的大容积全多层高压储氢容器

2.3.3　燃料电池车用高压储氢罐

目前,高压储氢是燃料电池车主要的储氢方式。根据燃料电池车的使用需要,储氢容器正在向轻质、高压的方向发展,主要研究热点是提高体积和质量储氢密度、增加容器的可靠性、降低成本、制定相应的标准、进行结构优化设计等。

世界各大知名汽车企业,包括奔驰、宝马、丰田、本田、现代等,均展开了燃料电池车的深度研发,其中一些车型已经进入量产阶段,如本田的Clarity,见图2⁃18。该车型采用压力为5000psi(35MPa)的高压储氢罐,储氢4.1kg,续航里程为386km[19]。而发布于2015年的丰田Mirai采用了70MPa的高压储氢罐,详见第11.1节。

图2⁃18　2017款Honda Clarity FCV