氫能高壓儲運設備是指用于氫能儲存、運輸的高壓設備。儲氫高壓設備包括固定式儲氫高壓容器和高壓氫氣瓶，輸氫高壓設備則包括道路輸氫設備和氫氣管道。由于高壓氫氣儲量大、充放頻繁且易導致氫脆，因此，氫能高壓儲運設備具有潛在的泄漏和爆炸危險。

近年來(lái)，國內外已發(fā)生數起事故。2019年6月，美國加州圣塔克拉拉發(fā)生長(cháng)管拖車(chē)氫氣泄漏爆炸事故；同月，挪威桑威卡發(fā)生加氫站儲氫容器爆炸事故；2021年8月，沈陽(yáng)市發(fā)生氫氣罐車(chē)軟管破裂爆燃。這為氫能安全儲運敲響了警鐘。隨著(zhù)氫能快速發(fā)展，我國氫能高壓儲運設備的種類(lèi)和數量快速增長(cháng)，使用條件極端化，風(fēng)險程度加大，安全保障面臨新的挑戰。

基本特點(diǎn)

與壓縮天然氣儲運設備、加氫反應器等高壓設備相比，氫能高壓儲運設備具有以下三個(gè)基本特點(diǎn)。

氫氣易漏易燃易爆且儲量大，一旦失效，危害嚴重

與汽油和天然氣相比，氫氣的密度小、擴散系數大、點(diǎn)火能量低、燃燒和爆炸范圍寬、燃燒火焰速度快，具有易漏易燃易爆的特性。氫能高壓儲運設備的儲氫量大。例如，根據GB50516-2010《加氫站技術(shù)規范（2021年版）》，一級、二級、三級加氫站單臺儲氫高壓容器的最大氫氣容量分別為2000，1500，800kg，一旦泄漏爆炸，危害嚴重。若氫氣泄漏后被立即點(diǎn)燃，就會(huì )形成氫噴射火；若泄漏至受限空間，則易形成可燃氫氣云，一旦被點(diǎn)燃就會(huì )產(chǎn)生爆燃、爆轟，對設備安全運行和人民生命財產(chǎn)安全造成嚴重危害。

壓縮氫氣壓力高，存在氫脆風(fēng)險

如圖所示，氫能高壓儲運設備的儲氫壓力高，這些設備長(cháng)期在高壓氫氣環(huán)境下運行，其臨氫材料易因氫脆而產(chǎn)生性能劣化。

圖1 氫能高壓儲運設備及其儲氫壓力

金屬材料氫脆主要表現為韌性降低、疲勞裂紋擴展速率加快、氫致開(kāi)裂應力強度因子門(mén)檻值減小等。

非金屬材料氫脆主要表現為氫氣溶解引起的材料彈性模量、拉伸強度、摩擦系數等發(fā)生變化，以及快速降壓使材料內部產(chǎn)生氫鼓泡和裂紋等缺陷。

服役性能影響因素多且機制復雜，調控困難

氫能高壓儲運設備的服役性能受到材料（抗拉強度、化學(xué)成分、微觀(guān)組織等）、環(huán)境（氫氣壓力、環(huán)境溫度、氫氣純度等）、應力（載荷、結構、加載方式等）及制造（成型工藝、熱處理、表面質(zhì)量等）等諸多因素的綜合影響。

通常，材料強度越高，疲勞裂紋擴展速率越快，氫致開(kāi)裂應力強度因子門(mén)檻值越低；氫氣壓力越高，氫脆敏感性越高；加載頻率越低，材料氫脆越嚴重；應力強度因子范圍ΔK較小時(shí)，氫對材料疲勞裂紋擴展速率影響較小，但ΔK超過(guò)一定值后，影響顯著(zhù)；臨氫材料表面粗糙度越大，高壓氫氣對設備疲勞性能的損減越嚴重。

此外，各因素之間還可能存在耦合作用。例如：有研究發(fā)現，當氫氣壓力小于40MPa時(shí)，Cr-Mo鋼的氫脆敏感性隨著(zhù)加載頻率的減小反而降低。由于影響因素眾多且機制復雜，對氫能高壓儲運設備的服役性能預測和調控非常困難。

發(fā)展現狀

1、儲氫高壓設備

固定式儲氫高壓容器

固定式儲氫高壓容器主要用于加氫站、氫儲能、應急電站等，目前在加氫站中應用最為廣泛。根據結構特點(diǎn)，我國固定式儲氫高壓容器主要包括單層鋼質(zhì)儲氫高壓容器和多層鋼質(zhì)儲氫高壓容器。

單層鋼質(zhì)儲氫高壓容器主要有旋壓式儲氫高壓容器和單層整鍛式儲氫高壓容器。旋壓式儲氫高壓容器由無(wú)縫鋼管旋壓而成，其設計壓力通常不超過(guò)50MPa，目前主要用于35MPa加氫站。該類(lèi)容器結構簡(jiǎn)單、制造成本低、可批量生產(chǎn)，但其容積受到限制。目前，單臺容器的水容積通常不超過(guò)1000L，因此多以容器組形式（有的容器數高達21臺）使用，需要加強火災、撞擊等極端條件下多臺容器間的相互作用機制及其對失效行為影響的研究。此外，該類(lèi)容器多采用Cr－Mo鋼（主要為4130X）制造，材料氫脆敏感性較高。

多層鋼質(zhì)儲氫高壓容器主要有鋼帶錯繞式全多層儲氫高壓容器、層板包扎式儲氫高壓容器。相比單層鋼質(zhì)儲氫高壓容器，該類(lèi)容器的儲氫壓力更高，容積也更大。例如，50MPa、98MPa鋼帶錯繞式全多層儲氫高壓容器的容積分別達到7.3，1m3。此外，該類(lèi)容器的臨氫材料常采用抗氫脆性能好的奧氏體不銹鋼，有利于防止氫脆引起的失效，但該類(lèi)容器的結構較為復雜，制造周期較長(cháng)，對焊接接頭質(zhì)量要求較高。

在國家973計劃項目“高壓氫系統大型承載件設計制造的基礎研究”、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目“氫能儲運裝備性能檢測及質(zhì)量評價(jià)技術(shù)研究”等持續支持下，經(jīng)過(guò)20多年努力，我國已實(shí)現固定式儲氫高壓容器的自主可控。據統計，截至2021年底，我國已建成加氫站191座，在役固定式儲氫高壓容器超1500臺。

圖2 佛吉亞70MPaIV型高壓車(chē)載儲氫瓶

高壓氫氣瓶

高壓氫氣瓶主要用于氫能交通運載，如氫燃料電池乘用車(chē)、物流車(chē)、大巴車(chē)、叉車(chē)、重卡、輪船、無(wú)人機等。氫燃料電池叉車(chē)主要采用鋼質(zhì)高壓氫氣瓶，其余則采用鋁內膽碳纖維全纏繞氫氣瓶（簡(jiǎn)稱(chēng)Ⅲ型瓶）和塑料內膽碳纖維全纏繞氫氣瓶（簡(jiǎn)稱(chēng)Ⅳ型瓶）。除具有氫能高壓儲運設備的基本特點(diǎn)外，高壓氫氣瓶還具有以下特點(diǎn)：

（1）體積、重量受限，受車(chē)內空間限制，氣瓶的容積通常不大于450L，其質(zhì)量越輕，越有利于提高整車(chē)性能及降低成本；

（2）充裝要求特殊，氣瓶充裝速度快且需與加氫機實(shí)時(shí)通訊，乘用車(chē)的充裝時(shí)間通常為3~5min，氫氣快充會(huì )導致溫升，進(jìn)而影響氣瓶性能；

（3）使用壽命長(cháng)，設計使用年限通常為10~15年，甚至更長(cháng)；

（4）使用環(huán)境復雜多變，使用環(huán)境和車(chē)輛所在的地域、路況條件等有關(guān)，存在機械損傷、環(huán)境侵蝕等風(fēng)險。

在國家市場(chǎng)監督管理總局特種設備安全監察局領(lǐng)導下，我國高壓氫氣瓶的總體發(fā)展思路是：結構從Ⅲ型到Ⅳ型，壓力從低到高，穩步推進(jìn)。

目前，公稱(chēng)工作壓力為35MPa和70MPa的Ⅲ型瓶已實(shí)現自主設計制造和批量生產(chǎn)，質(zhì)量?jì)涿芏?.8%～4.5%，達到國際先進(jìn)水平，廣泛用于氫燃料電池電動(dòng)汽車(chē)等氫燃料電池交通運載工具，目前在役數量超過(guò)4萬(wàn)只。Ⅳ型瓶在國外的研發(fā)和應用較早，美國Hexagon、日本豐田、韓國ILJIN等都已研發(fā)出了70MPa的Ⅳ型瓶產(chǎn)品，質(zhì)量?jì)涿芏纫堰_5.7%?？萍疾坑?019年立項支持“70MPa車(chē)載高壓儲氫瓶技術(shù)”研究，2019年和2020年我國分別頒布了團體標準T/CATSI02005—2019《液化石油氣高密度聚乙烯內膽玻璃纖維全纏繞氣瓶》和T/CATSI02007—2020《車(chē)用壓縮氫氣塑料內膽碳纖維全纏繞氣瓶》，有力推動(dòng)了我國Ⅳ型瓶的發(fā)展。目前，我國LPG-Ⅳ型瓶產(chǎn)能已超100萬(wàn)只/年，Ⅳ型氫氣瓶產(chǎn)品也已面市。

2、輸氫高壓設備

道路輸氫設備

道路輸氫設備通過(guò)公路、鐵路等輸送、分配氫氣，適用于距離短、氫氣使用量較少的場(chǎng)合，主要包括長(cháng)管拖車(chē)和管束式集裝箱。我國已有較成熟的長(cháng)管拖車(chē)和管束式集裝箱設計制造和使用經(jīng)驗。該類(lèi)設備的公稱(chēng)工作壓力通常為20~30MPa，容積不大于3000L，單車(chē)運氫量不超過(guò)500kg，運輸效率低、成本高。為提高單車(chē)氫氣運輸量，科技部于2020年將“公路運輸用高壓、大容量管束集裝箱氫氣儲存技術(shù)”列入“可再生能源與氫能技術(shù)”重點(diǎn)專(zhuān)項，研制50MPa以上大容量碳纖維纏繞儲氫瓶與管束式集裝箱。

氫氣管道

氫氣管道具有種類(lèi)多、管徑和壓力范圍大、量大面廣等特點(diǎn)，分類(lèi)及用途如上圖所示。

圖3 氫氣管道分類(lèi)及用途

目前，歐美地區已建成多條氫氣長(cháng)輸管線(xiàn)，總長(cháng)度逾5000km。相比之下，我國雖然在氫氣工業(yè)管道、專(zhuān)用管道方面積累了較為豐富的管道設計、施工、運行和維護經(jīng)驗，但氫氣長(cháng)輸管道建設起步較晚。

圖4 氫氣及摻氫管道分布情況

3、規范標準

為了引導氫能高壓儲運設備的健康發(fā)展，我國對規范標準的制定極為重視，已經(jīng)在測試方法、產(chǎn)品等方面制定了系列標準。如圖所示。

圖5 氫能高壓儲運設備相關(guān)標準

目前，我國正在組織起草加氫站儲氫壓力容器、氫氣瓶組合閥、氫氣瓶定期檢驗、加氫站氫氣充裝協(xié)議等相關(guān)國家標準。

面臨挑戰

1、安全性

安全可靠是氫能高壓儲運設備最基本的要求，目前該類(lèi)設備依然在法規、技術(shù)及管理等方面存在風(fēng)險。

法規方面，現有的特種設備安全技術(shù)規范缺少針對35MPa以上氫能儲運設備的基本安全要求；

技術(shù)方面，存在材料氫環(huán)境性能數據缺失、產(chǎn)品設計方法選擇不當、產(chǎn)品性能一致性差、設備檢驗檢測能力不足及方法缺失等風(fēng)險；

管理方面，存在設備與使用場(chǎng)景不匹配（如氣瓶直接用于加氫站儲氫）、盲目進(jìn)口國外產(chǎn)品等風(fēng)險。

此外，隨著(zhù)從示范階段向商用階段逐步轉變，氫燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)載供氫系統壓力逐漸從35MPa向70MPa發(fā)展，加氫站儲氫容器設計壓力也逐漸從50MPa提升到98MPa，這對氫能高壓儲運設備提出了更高的安全要求。

2、輕量化

輕量化是車(chē)載高壓氫氣瓶、長(cháng)管拖車(chē)及管束式集裝箱等氫能高壓儲運設備的基本要求。實(shí)現輕量化不但有益于提升整車(chē)的動(dòng)力性能，而且有益于提高燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的續航能力，以及長(cháng)管拖車(chē)和管束式集裝箱的輸氫能力。

為了推動(dòng)我國氫能高壓儲運設備的輕量化發(fā)展，國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目“70MPa車(chē)載高壓儲氫瓶技術(shù)”的技術(shù)指標中要求質(zhì)量?jì)涿芏炔恍∮?.0%。對于長(cháng)管拖車(chē)和管束式集裝箱等設備，目前主要通過(guò)提升儲氫壓力以及優(yōu)化復合材料結構等方式實(shí)現輕量化，國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目“公路運輸用高壓、大容量管束集裝箱氫氣儲存技術(shù)”的技術(shù)指標中要求公稱(chēng)工作壓力不小于50MPa，質(zhì)量?jì)涿芏炔恍∮?.5%。

3、低成本

氫能高壓儲運設備在加氫站、氫燃料電池電動(dòng)汽車(chē)等系統中所占的成本比例較高。例如，加注能力為800kg/天的70MPa加氫站中儲氫容器所占成本比例約為15%，且加氫站規模越大，儲氫容器所占成本比例越高。因此，降低氫能高壓儲運設備的成本對氫能產(chǎn)業(yè)整體成本的降低有重要意義。DOE發(fā)布了固定式儲氫容器和燃料電池汽車(chē)用氫氣瓶的成本目標：固定式低壓（16MPa）儲氫容器儲存1kg氫氣的最終成本目標為450美元，中壓（43MPa）和高壓（92.5MPa）容器為600美元；車(chē)載氫氣瓶?jì)Υ?kg氫氣的最終成本目標為266美元。

目前，在滿(mǎn)足安全性等基本要求的前提下，降低成本依然是氫能高壓儲運設備面臨的挑戰。在氫能高壓儲運設備的建造成本中，材料成本所占比例最高，因此通過(guò)開(kāi)發(fā)高性能、低成本抗氫材料可以有效降低設備成本。此外，通過(guò)優(yōu)化結構、改進(jìn)設計方法和制造工藝、實(shí)現規?；a(chǎn)也可以降低設備成本。