國內IV型瓶、輸氫管道、固態、液氫、有機液氫技術全面突破

2023年，國內氫能儲運技術呈現加快突破的趨勢，從車載IV型氣瓶、輸氫管道，到固態儲氫、液氫、有機液氫，均迎來產業化落地示范的節點。但總體來說，國內氫能儲運技術等尚處于起步階段，從技術角度來看也還有許多核心材料、裝置需要進一步優化突破。

能景研究結合國內外氫能儲運技術產品及示范前沿，對當前國內各儲運技術路徑的核心突破點進行了歸納，以供行業參考。

01車載IV型氣瓶：材料是優化的核心

車載IV型氣瓶有著密封性強、結構穩定性高等基本要求。這需要瓶體材料對氫氣具有較低滲透率、對不同材料組分之間具有較高相容性及結合強度、且對溫度及壓力變化具有較高耐受度等。

國內主要在瓶體材料的強度、與其他材料的相容性、耐高溫特性等方面進行優化。IV型氣瓶的核心瓶體材料主要有內膽塑料、纏繞層碳纖維、纏繞層粘合劑樹脂等三大類，其中前2者是需突破的重點。內膽塑料需要考慮對氫氣的密封性、且在劇烈溫度變化下不發生變形開裂；碳纖維則需要保證高強度、不斷絲、與樹脂粘合劑較強的相容性等。

內膽材料的優化可通過對材料改性等途徑來實現。一般可采取對內膽材料的單體分子進行修飾改良，或對不同單體分子之間的配比等進行篩選比較，來得到兼具優良氫氣密封特性與耐高溫特性的材料。此外，也有企業選擇在后期加工成型、表面處理等方面優化來提高內膽性能。

碳纖維材料可通過表面優化修飾以提高結合強度等方式進行優化。一般可以對碳纖維進行一定程度的氧化處理，以增加表面極性基團從而加強對樹脂的吸附；或研發針對性的表面負載劑，使碳纖維更易與熔融樹脂結合，且固化后不易分離開裂。

02氫氣長輸管道：高強度、防氫脆管材研究是重點

氫氣長輸管道建設有著高強度、防氫脆、長期穩定可靠等三方面基本要求。一是高強度，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生劣化；三是長期穩定可靠，面對內部氣體成分波動、外部復雜環境變化，保持管道不腐蝕、不開裂等。

現階段輸氫管道的管材尚難以同時達到高強度、防氫脆的要求。國內外輸氫管道建設多采用油氣管道鋼材，強度越高則對氫脆越敏感，導致高強度鋼無法用于輸氫管道建設。典型如西氣東輸采用的X70、X80等鋼材，便無法直接用于輸氫。

為突破管材強度與氫脆的制約關系，或可采用精準工藝控制與嚴格檢測相結合等方法。根據文獻資料，部分制造工藝下的X80等高強管材可產生特定的抗氫脆微觀結構，從可具有較高抗氫脆特性。因此，若嚴格規范專門針對氫脆的的生產工藝，并輔以嚴格的氫脆標準檢驗，或可實現X80等高強鋼用于輸氫。

研發配套監測器件及維護保養技術也可保障管材壽命及長久運行安全。輸氫管材的氫脆發生概率也與內部氣體含水量、含硫量、溫度變化等高度相關，因此需針對輸氫場景開發一系列管內狀態傳感器、管道機器人等監測及維護裝備。與天然氣管道不同的是，這些裝置的機體用材、傳感器件等也需要具有抗氫脆特性。

03固態儲氫：高效儲氫合金及熱管理技術是兩大重點

固態儲氫有著儲氫密度高、充放氫條件溫和且速度快等目標要求。一是儲氫密度高，相同儲氫量下不應過重；二是充放氫條件溫和，充放氫溫度及壓力要求不應過高；三是充放氫速度快，能夠滿足汽車等快速耗氫場景供氫需求。

目前突破的核心主要為儲氫合金，以同時提高儲氫合金的儲氫量與充放氫速度等為重點。固態儲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，前者的儲氫質量容量高，是其他材料的一倍以上，但充放氫溫度高達近300℃，且放氫速度緩慢；后者儲氫質量容量較低，但充放氫溫度僅為20~50℃，且放氫速度遠快于鎂材料。

為提高儲量提高充放速度，行業中一般采取合金化、納米化等微觀調控策略。其中，合金化可改變材料本身儲氫特性，實現不同材料的優缺點互補；而納米化提高了儲氫材料反應活性，從而提高了充放氫速度。典型如鎂系儲氫合金，盡管鎂金屬活性差、充放氫慢，但通過減小鎂顆粒粒徑至納米級、并與其他金屬元素結合后，充放氫溫度可降低至200℃以下，且充滿氫的時間由小時級降至分鐘級。

實現高效熱管理也是提高鎂系材料儲氫儲能效率的重點。鑒于鎂基材料體系需要200℃左右的放氫溫度，若熱管理不當將產生熱利用效率不足、能量浪費等問題�？赏ㄟ^對儲罐傳熱結構、傳熱介質（如導熱油）、智能溫測及系統控制上進行優化以節省能耗，如在儲罐內安裝翅片換熱芯桿、采用高導熱率的導熱油、升級熱控系統管理策略等。

04低溫液氫：氫液化系統大型化是重點

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源之一。據文獻報道，國外某30噸/天氫液化項目的生產成本中，能耗成本占比達到了20%，僅次于購氫成本的58%。

目前國內在營的氫液化裝置的能耗高于海外。文獻資料顯示，截至2022年，美國氫液化能耗已低至10 kWh/kg以下，而國內建成裝置的能耗尚在15~20 kWh/kg之間。相應地，國內氫液化成本也高于美國，美國平均氫液化成本約17.5元左右，而國內估算在美國的2倍以上。

國內液氫企業正沿裝置大型化等方向實現降低能耗。由于采用的流程、零部件效率等不同，一般規模越大的液氫系統能耗越低，產能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；同時國內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/天等不同規格核心裝置，使用國產10噸/天氫液化設備的項目也已開工。

05有機液態儲氫：高活性、高穩定的有機介質-催化劑體系開發是核心

有機液態儲氫需要達到反應條件溫和、高循環次數壽命等要求。一是反應條件溫和，有機介質進行氫氣充放的溫度或壓力要求不應過高，以避免產生過高能耗；二是高循環次數壽命，在百千次循環過程中，儲氫容量不應有顯著降低。

國內外企業主要在設計新型有機介質、催化劑2方面進行突破。其中，有機介質方面主要為設計反應條件更加溫和的材料，目前國內外產業應用的有機介質的充放氫溫度一般在200℃以上，部分可達到170℃左右；催化劑方面，則在提高催化選擇性從而提高儲氫體系循環次數壽命、提高抗毒性從而避免失活等等方面進行探索。

有機介質的優化可從介質分子結構設計等方面進行。一般可通過在苯環分子上引入N、P、O等摻雜雜原子來降低反應溫度。典型如日本千代田采用的無雜原子的甲基環己烷體系，放氫溫度高達300~350℃；而國內某企業采用的 N-乙基咔唑等含氮介質體系，放氫溫度降低至150~200℃之間。

催化劑的改進有貴金屬催化劑、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，如采用單原子負載技術等；二是鎳基等非貴金屬催化劑路線，該路線主要優化方向有提高催化速率、選擇性、穩定性等。

來源：能景研究

作者：新云

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       原文標題 : 技術|國內氫儲運技術核心突破點