目前,最常见的储氢技术有:高压气态储氢、低温液态储氢和固态储氢。其中,高压气态储氢技术最为成熟,其依靠低成本、充放氢速度快、能耗低、结构简单等优点,成为国内主推的储氢技术。
四类储氢瓶
除了尚处萌芽阶段的Ⅴ型无内胆全复合材料气瓶,四类储氢瓶已进入市场应用阶段:
1、Ⅰ型全金属气瓶:容量比大,工作压力在17.5~20MPa,成本较低,少量用于CNG货车、客车;
2、Ⅱ型金属内复合材料环向缠绕气瓶:容量比较大,工作压力在26~30MPa,金属内胆(钢质),成本中等,广泛用于CNG车用气瓶;
3、Ⅲ型金属内复合材料全缠绕气瓶:容量比较小,工作压力在30~70MPa,金属内胆(钢/铝质),成本较高,市场应用轻量化,氢燃料电车;
4、Ⅳ型塑料内胆复合材料全缠绕气瓶:容量比小,工作压力在30~70MPa,内胆采用聚酰胺 (PA6) 、高密度聚乙烯 (HDPE) 以及聚酯塑料(PET)等材质。
Ⅳ型储氢瓶更具优势
目前而言,国外市场普遍应用Ⅳ型储氢瓶,国内商用储氢瓶以Ⅲ型为主。
我们知道,当氢气大于30MPa时,易发生不可逆的“氢脆”现象,即氢对金属内胆产生腐蚀,导致金属的塑性失效,从而产生裂纹、断裂。这种情况可能导致氢气泄漏,从而引起爆炸!
不仅如此,铝金属与缠绕层中的碳纤维存在电位差,如果铝内胆与碳纤维缠绕层直接接触,也易产生腐蚀。为了防止此情况,科研人员在内胆与缠绕层间增加了放电偶腐蚀层,但这样也加重了储氢瓶的总体重量,增加了物流难度与成本。
储运氢能,一定要系好“安全带”。相比Ⅲ型,Ⅳ型储氢瓶在安全性方面优势更大。首先,Ⅳ型采用的非金属内胆,也就是由聚酰胺 (PA6) 、高密度聚乙烯 (HDPE) 以及聚酯塑料(PET)等复合材料。其中,聚酰胺 (PA6) 具有良好的拉伸度、耐冲击性等力学性能,它的熔融温度较高,但热变形温度较低,熔点可达220℃。高密度聚乙烯(HDPE)有良好的耐热性和耐环境开裂性,且具有较高的韧性与耐冲击性。在这些塑料复合材料的加持下,Ⅳ型储氢瓶拥有更优越的抗氢脆腐蚀性,使用寿命也延长了,更具安全优势。其次,塑料复合材料的质量更加轻便,节省了金属内胆的重量,降低了物流成本。
今年6月,由浙江大学、国家市场监督管理总局特种设备安全监察局等单位联合起草的国家标准《车用压缩氢气塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶》发布,将于2024年6月1日正式实施,进一步推动了Ⅳ型储氢瓶的商业化进程。
放眼国内氢能储运市场,以储氢瓶生产为主营业务的企业均有进展:
中材科技 今年,中材科技70MPa-Ⅳ型氢气瓶通过国家市场监督管理总局核准的特种设备型式试验机构全套型式试验。这意味着,中材科技成为国内首家成功掌握70MPa-Ⅳ型储氢气瓶核心技术,又兼具自动化批量生产能力的企业。
中材科技70MPa-IV型储氢气瓶生产线
(图片来源:中材科技(苏州))
亚普股份 亚普股份于2020年3月开始布局70MPa-Ⅳ型储氢气瓶生产,其表示正在研发的70MPa-Ⅳ型储氢气瓶取得了阶段性进展,具备容量大、耐腐蚀、重量轻等优势。
京城股份 目前京城股份已经建成一条柔性化Ⅳ型气瓶生产线,所生产的70MPa-Ⅳ型储氢气瓶已批量应用于氢能汽车、燃料电池备用电源等领域。
Ⅳ型储氢气瓶其质量轻、耐冲击性等特点正成为世界科研人员的研究热点。就我国而言,Ⅳ型气瓶相关技术尚处于起步阶段,研发人员仍在积极探索更加安全、更具经济性的生产方式。