在當(dāng)今全球能源轉(zhuǎn)型的大背景下，氫能作為一種清潔、高效且可持續(xù)的能源，正逐漸嶄露頭角。而在氫能的廣泛應(yīng)用中，高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)扮演著至關(guān)重要的角色，尤其是在燃料電池汽車領(lǐng)域，其地位更是舉足輕重。

01 高壓氣態(tài)儲氫的定義

高壓氣態(tài)儲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于耐高壓容器中，從而實(shí)現(xiàn)氫氣的有效儲存和按需釋放。

目前國內(nèi)儲氫技術(shù)中最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的就是高壓氣態(tài)儲氫。高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)通常采用儲氫氣罐作為容器，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)儲氫預(yù)計(jì)在未來較長的時(shí)間內(nèi)仍將占據(jù)氫能儲存技術(shù)的主導(dǎo)地位。最初發(fā)展期高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)的歷史可以追溯到20世紀(jì)中葉。隨著對氫能研究的深入，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，通過高壓壓縮的方式，可以在常溫常壓下存儲氣態(tài)的氫氣。這種儲氫方法因其設(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)，逐漸成為最常用、最成熟的儲氫技術(shù)。技術(shù)成熟期在20世紀(jì)末至21世紀(jì)初，高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)得到了快速發(fā)展，并在燃料電池汽車上得到廣泛應(yīng)用。在這個(gè)時(shí)期，各國政府和企業(yè)加大對氫能領(lǐng)域的研發(fā)和支持力度，推動了高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)的進(jìn)步和商業(yè)化應(yīng)用。

技術(shù)創(chuàng)新期

目前，高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)仍在不斷進(jìn)步。研究人員致力于提高儲氫瓶的工作壓力、減小罐體質(zhì)量、提高儲氫容量，并開發(fā)新型材料來改善儲氫瓶的強(qiáng)度和安全性。此外，隨著氫燃料電池汽車的普及，對高壓氣態(tài)儲氫的需求也在不斷增加。

02 高壓氣態(tài)儲氫的工作原理

高壓氣態(tài)儲氫的工作原理主要是通過壓縮機(jī)來實(shí)現(xiàn)氫氣的壓縮。這一過程可以直接將氫氣壓縮到裝入儲氫容器所需的高壓狀態(tài)，或者先以相對較低的壓力進(jìn)行初步壓縮并存儲，待加注時(shí)再啟動氫壓縮機(jī)，根據(jù)實(shí)際需求對儲氫容器進(jìn)行增壓，最終達(dá)到目標(biāo)壓力。

隔膜式壓縮機(jī)

在直接壓縮的模式下，壓縮機(jī)需要具備強(qiáng)大的功率和高效的冷卻系統(tǒng)，以應(yīng)對壓縮過程中產(chǎn)生的巨大熱量和壓力。在分步壓縮的方式中，雖然前期的壓力相對較低，但也需要精確的控制和監(jiān)測，確保氫氣在存儲過程中的穩(wěn)定性和安全性。為了實(shí)現(xiàn)高效的壓縮，壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)和制造至關(guān)重要。先進(jìn)的壓縮機(jī)采用了高性能的材料和精密的制造工藝，以確保其在長期運(yùn)行中的可靠性和穩(wěn)定性。同時(shí)，與之配套的冷卻系統(tǒng)也需要具備出色的散熱能力，及時(shí)帶走壓縮過程中產(chǎn)生的熱量，防止溫度過高對設(shè)備和氫氣的性質(zhì)造成不利影響。

液趨勢壓縮機(jī)原理

在整個(gè)壓縮和增壓的過程中，還需要一系列的傳感器和控制系統(tǒng)來實(shí)時(shí)監(jiān)測壓力、溫度、流量等參數(shù)。這些數(shù)據(jù)不僅能夠幫助操作人員及時(shí)了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，還能為優(yōu)化壓縮過程、提高能源利用效率提供重要依據(jù)。此外，儲氫容器的設(shè)計(jì)也與工作原理密切相關(guān)。容器需要能夠承受高壓氫氣帶來的巨大壓力，同時(shí)還要具備良好的密封性能，防止氫氣泄漏。為了滿足這些要求，儲氫容器通常采用高強(qiáng)度的金屬材料或復(fù)合材料制造，并經(jīng)過嚴(yán)格的壓力測試和安全評估。

03 高壓氣態(tài)儲氫的優(yōu)勢

高壓氣態(tài)儲氫作為一種常見的儲氫方式，具有多方面的優(yōu)勢，這些優(yōu)勢使得它成為了燃料電池汽車和其他氫能應(yīng)用中的一個(gè)重要選項(xiàng)。以下是其主要的優(yōu)點(diǎn)：

1、 較高的儲氫密度盡管高壓氣態(tài)儲氫的質(zhì)量體積密度相比其他儲氫方法較小，但它可以通過提高壓力來增加單位體積的氫氣密度，從而提高儲氫效率。

2、較快的充放氫速度高壓氣態(tài)儲氫具有較快的充放氫速度，這意味著它可以快速地補(bǔ)充氫氣，這對于燃料電池汽車的日常使用非常有利。

3、 較低的能耗與液態(tài)儲氫相比，高壓氣態(tài)儲氫的能耗較低，因?yàn)樗恍枰獙錃饫鋮s到極低的溫度，這在一定程度上降低了能源消耗和運(yùn)行成本。

4、 較廣的溫度適應(yīng)性高壓氣態(tài)儲氫能夠在常溫下工作，甚至在零下幾十度的低溫環(huán)境下也能正常運(yùn)行，這使得它在各種氣候條件下都能穩(wěn)定地發(fā)揮作用。

5、較少受工作環(huán)境影響與其他儲氫方式相比，高壓氣態(tài)儲氫受工作環(huán)境的影響較小，這使得它更適合在不同的應(yīng)用場景中使用。

04 儲氫容器

通過高壓壓縮，氫氣以不同壓力被壓縮并裝入儲氫容器中，這種容器被稱為儲氫瓶。由于氫氣獨(dú)特的物理化學(xué)特性，其對儲氫瓶材料要求較高。高壓儲氫瓶罐按材料可分為純鋼制金屬瓶（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）4個(gè)類型；按用途可分為固定式儲氫瓶與移動式儲氫瓶，其中移動式儲氫瓶主要為車用儲氫瓶與運(yùn)輸用高壓儲氫瓶。

純鋼制金屬瓶（I 型）是最早出現(xiàn)的儲氫容器之一，其結(jié)構(gòu)簡單，成本相對較低。然而，由于鋼的密度較大，導(dǎo)致這種瓶子的重量較重，單位質(zhì)量儲氫密度較低，限制了其在一些對重量和空間要求較高的應(yīng)用場景中的使用。

鋼制內(nèi)膽纖維纏繞瓶（II 型）在 I 型瓶的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，通過在鋼制內(nèi)膽外纏繞纖維材料，提高了瓶子的強(qiáng)度和耐壓能力。但與后續(xù)發(fā)展的 III 型和 IV 型瓶相比，其重容比仍然較大，儲氫效率有待進(jìn)一步提高。

鋁內(nèi)膽纖維纏繞瓶（III 型）則是一種更為先進(jìn)的儲氫容器。鋁的密度相對較小，使得瓶子的自重減輕，同時(shí)纖維纏繞層進(jìn)一步增強(qiáng)了其耐壓性能。這種瓶子具有較高的單位質(zhì)量儲氫密度和較好的安全性，因此在一些對儲氫性能要求較高的領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

塑料內(nèi)膽纖維纏繞瓶（IV 型）是目前最為先進(jìn)的車載儲氫容器之一。塑料內(nèi)膽具有良好的耐腐蝕性和密封性，能夠有效防止氫氣泄漏。中層的耐壓碳纖維纏繞層提供了強(qiáng)大的支撐和保護(hù)，而表層的玻璃纖維強(qiáng)化樹脂層則進(jìn)一步增強(qiáng)了瓶子的抗沖擊和耐磨性能。由于其重容比小、單位質(zhì)量儲氫密度高，能夠在有限的空間內(nèi)存儲更多的氫氣，為氫燃料電池汽車提供更長的續(xù)航里程，因此已廣泛應(yīng)用于氫燃料電池汽車領(lǐng)域。

隨著材料科學(xué)和制造工藝的不斷進(jìn)步，未來儲氫容器的發(fā)展方向?qū)⒏幼⒅剌p量化、高強(qiáng)度、高安全性和低成本。新型材料的研發(fā)和應(yīng)用，以及制造工藝的創(chuàng)新，將不斷推動高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)的發(fā)展，為氫能的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造更加有利的條件。

不同類型儲氫瓶介紹

目前，高壓儲氫瓶用碳纖維主要采用T700級及以上規(guī)格。從企業(yè)碳纖維生產(chǎn)企業(yè)角度來看，目前碳纖維生產(chǎn)企業(yè)中，日本和美國依舊占據(jù)主導(dǎo)地位。

在儲氫容器基礎(chǔ)材料方面，罐體材料實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，但是高性能碳纖維材料被日本及美國壟斷；東麗的碳纖維是全球車載儲氫瓶企業(yè)的主要供應(yīng)商，中國的車載高壓儲氫瓶碳纖維基本都來自東麗。

在儲氫容器生產(chǎn)工藝方面，碳纖維纏繞設(shè)備與高壓罐體加工設(shè)備仍需進(jìn)口，整體國產(chǎn)化率約50%左右。

05 不同應(yīng)用場景

高壓氣態(tài)儲氫作為一種高效的氫能儲運(yùn)方式，其應(yīng)用場景主要集中在加氫站、氫能運(yùn)氫車、氫燃料電池車以及應(yīng)急電源、備用電源和氫儲能等方面。

固定式儲氫罐：目前，固定式儲氫罐主要用于加氫站、制氫站。根據(jù)近期各省市出臺的氫能規(guī)劃政策，固定式儲氫罐市場需求較大，但競爭對手較少，市場前景廣闊。根據(jù)氫氣加注壓力，加氫站分為35MPa和70MPa兩類。我國絕大多數(shù)在用或在建的是35MPa加氫站。為了適應(yīng)燃料電池汽車供氫系統(tǒng)壓力逐漸從35MPa增加到70MPa的需求，加氫站的加注壓力提高到70MPa已到了十分緊迫的地步。隨著氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，加氫站、制氫站的建設(shè)增多，儲罐需求也將增加，高壓、高容量的儲罐需求將逐步釋放。

車載儲氫氣瓶：在高壓儲氫技術(shù)中，目前最為成熟且成本較低的技術(shù)是鋼制氫瓶和鋼制壓力容器，但是鋼制氫氣瓶由于較高的重量，不適宜汽車用，因此車用高壓儲氫瓶的國際主流技術(shù)通過以鋁合金/燃料作為內(nèi)膽，外層則用碳纖維進(jìn)行包覆（即所謂的Ⅲ型、Ⅳ型瓶），提升氫瓶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并盡可能減輕整體質(zhì)量。國內(nèi)車載儲氫氣瓶的企業(yè)較多，特別是Ⅲ型。隨著氫燃料車的發(fā)展，車載儲氫瓶是競爭最大的領(lǐng)域。

管束集裝箱：現(xiàn)階段，我國普遍采用20MPa氣態(tài)高壓儲氫與管束集裝箱運(yùn)輸?shù)姆绞健Ｔ诩託湔救招枨罅?00kg以下，運(yùn)輸距離在200公里以內(nèi)經(jīng)濟(jì)性較高。

高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)作為氫能產(chǎn)業(yè)鏈中的核心環(huán)節(jié)，其應(yīng)用領(lǐng)域正不斷拓展，不僅應(yīng)用于氫能源汽車領(lǐng)域，還將逐漸拓展到電力、工業(yè)等領(lǐng)域，以滿足日益多樣化的能源需求。在氫能產(chǎn)業(yè)鏈中，儲運(yùn)環(huán)節(jié)的成本占據(jù)了相當(dāng)大的比重，氫氣儲運(yùn)成本的高低直接影響到氫能應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性和普及度。因此，降低氫氣儲運(yùn)成本成為了行業(yè)內(nèi)的共識和努力方向。希望高壓氣態(tài)儲氫行業(yè)的企業(yè)可以通過技術(shù)創(chuàng)新、優(yōu)化布局和政策支持等措施，可以有效降低氫氣的儲運(yùn)成本，提高氫能應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性和普及度，為氫能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展提供有力支持。