氫氣儲(chǔ)存和運(yùn)輸 課件 第2章 高壓氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)氫

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氫氫氣高壓存儲(chǔ)原理01高壓儲(chǔ)氫裝備技術(shù)02目錄CONTENTS氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)氫技術(shù)應(yīng)用03

《氫氣儲(chǔ)存和運(yùn)輸》01氫

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理2.1.1氫氣增壓原理氫氣在高溫低壓時(shí)可看做理想氣體，通過理想氣體狀態(tài)方程：

來計(jì)算不同溫度和壓力時(shí)的質(zhì)量。其中P為氣體壓力，V為氣體體積，n為氣體物質(zhì)的量，R為標(biāo)準(zhǔn)氣體常數(shù)（8.314J/(mol?K)），T為熱力學(xué)溫度。理想狀態(tài)時(shí)，氫氣的體積密度與壓力成正比。然而，由于實(shí)際氣體分子體積和分子相互作用力的原因，隨著溫度的降低和壓力升高，氫氣越來越偏離理想氣體的性質(zhì)，范德華方程不再適用。使用修正的范德華方程：

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理式中

A——偶極相互作用力或稱為斥力常數(shù)（a=2.476×10-2m6?Pa/mol2）；B——?dú)錃夥肿铀俭w積（b=2.661×10-5m3/mol）[1]。實(shí)際氣體與理想氣體的偏差在熱力學(xué)上可用壓縮因子Z表示，定義為Z=PV/nRT，且氫氣的壓縮因子隨壓力的增加而增大。為正確地描述真實(shí)氣體的性質(zhì)，歷史上曾提出過許多真實(shí)氣體的半經(jīng)驗(yàn)方程，著名的如范德瓦爾斯方程、Peng-Robinson方程、Redlich-Kwong方程、Beattie-Bridgeman方程、Benedict-Webb-Rubin方程、Martin-Hou方程等。這些方程的形式一般由理論分析得到，方程中含有兩個(gè)或多個(gè)與計(jì)算氣體相關(guān)的常數(shù)，適用于不同的氣體。此外，根據(jù)對比態(tài)原理又發(fā)展了各方程的對比態(tài)形式，此時(shí)方程中的常數(shù)不再隨氣體的不同而不同，而是為一定壓力溫度范圍內(nèi)的同類氣體通用。

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通過美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)所（NationalInstituteofStandardandTechnology，NIST）材料性能數(shù)據(jù)庫提供的真實(shí)氫氣性能數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得到簡化的氫氣狀態(tài)方程：

其C為系數(shù)（1.9155×10-6K/Pa）[2]。在173K<T<393K范圍內(nèi)計(jì)算，最大相對誤差為3.80%；在253K<T<393K范圍內(nèi)計(jì)算，最大相對誤差為1.10%。

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下圖比較了幾個(gè)不同狀態(tài)方程計(jì)算的不同溫度下氫氣壓力和密度的關(guān)系。T=273K和393K時(shí)氫氣的壓力和密度關(guān)系

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理2.1.2氫氣增壓設(shè)備氫氣壓縮機(jī)、高壓儲(chǔ)氫罐和加氫機(jī)是高壓氣態(tài)加氫站系統(tǒng)的三大核心裝備。加氫站通過外部供氫和站內(nèi)制氫獲得氫氣后，經(jīng)過調(diào)壓干燥系統(tǒng)處理后轉(zhuǎn)化為壓力穩(wěn)定的干燥氣體，隨后在氫氣壓縮機(jī)的輸送下進(jìn)入高壓儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)存，最后通過氫氣加注機(jī)為燃料電池汽車進(jìn)行加注。高壓氫氣一般由壓縮機(jī)得到。壓縮機(jī)可視作是增壓泵，將系統(tǒng)低壓側(cè)的壓力降低，并將系統(tǒng)高壓側(cè)的壓力提高，使氫氣從低壓側(cè)向高壓側(cè)流動(dòng)。工程上，氫氣的壓縮主要有兩種方式：一是直接用壓縮機(jī)將氫氣壓縮至儲(chǔ)氫容器所需要的壓力后儲(chǔ)存在體積較大的儲(chǔ)氫容器中，二是先將氫氣壓縮至較高壓力存儲(chǔ)起來，需要加注時(shí)，先引入一部分氣體充裝，然后啟動(dòng)氫壓縮機(jī)以增壓，使儲(chǔ)氫容器達(dá)到所需的壓力。氫氣壓縮機(jī)有膜式、往復(fù)活塞式、回轉(zhuǎn)式、螺桿式、渦輪式等各種類型。應(yīng)用時(shí)根據(jù)流量、吸氣及排氣壓力選取合適的類型?；钊綁嚎s機(jī)流量大，單級壓縮比一般為3:1~4:1；膜式壓縮機(jī)散熱快，壓縮過程接近于等溫過程，可以有更高的壓縮比，最高達(dá)20:1，但是由于流量小，主要用于需求氫氣壓力較高但流量不大的場合。

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理一般來說壓力在30MPa以下的壓縮機(jī)，通常用活塞式，經(jīng)驗(yàn)證明其運(yùn)轉(zhuǎn)可靠程度較高，并可單獨(dú)組成一臺(tái)由多級構(gòu)成的壓縮機(jī)。壓力在30MPa以上、容積流量較小時(shí)，可選擇用膜式壓縮機(jī)。膜式的優(yōu)點(diǎn)是在高壓時(shí)密封可靠：因?yàn)槠錃馇坏拿芊饨Y(jié)構(gòu)是缸頭和缸體間夾持的膜片，通過主螺栓緊固成為靜密封形式，可以保證氣體不會(huì)逸漏，而且膜腔是封閉的，不與任何油滴、油霧以及其他雜質(zhì)接觸，能保證進(jìn)人的氣體在壓縮氣體時(shí)不受外界的污染。這對要求高純凈介質(zhì)的場合，更顯示出特殊的優(yōu)越性。D150Z750型氫氣膜式壓縮機(jī)氫氣壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)包括基礎(chǔ)部件（如曲軸箱、曲軸、連桿等）、缸體部件、柱塞部件、冷卻器部件、安全保護(hù)控制系統(tǒng)以及其他附屬部件。下圖是型號為D150Z750的氫氣膜式壓縮機(jī)（功率為37kW）。

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加氫站用氫氣壓縮機(jī)為高純無油氫氣壓縮機(jī)，將氫源加壓注入儲(chǔ)氣系統(tǒng)的核心裝置，輸出壓力和氣體封閉性能是其最重要的性能指標(biāo)。全球范圍內(nèi)來看，各種類型的壓縮機(jī)都有使用。高純無油氫氣壓縮機(jī)主要分為金屬隔膜式壓縮機(jī)與高純無油增壓器壓縮機(jī)。高純無油增壓器壓縮機(jī)金屬隔膜式壓縮機(jī)

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（1）隔膜壓縮機(jī)隔膜壓縮機(jī)又稱為膜式壓縮機(jī)，是一種特殊結(jié)構(gòu)的容積式壓縮機(jī)。氣缸內(nèi)有一組膜片，缸蓋和膜片之間所包含的空間構(gòu)成氣體壓縮室，膜片的另一側(cè)為油壓室?；钊谟透變?nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，膜片在油壓、氣壓和自身彈性變形力的作用下來回折動(dòng)，周期性改變氣體壓縮室的容積，實(shí)現(xiàn)對氣體的壓縮和運(yùn)輸。該壓縮方式?jīng)]有二次污染，對被壓縮氣體有非常好的保護(hù)，且具有壓縮比大、密封性好、壓縮氣體不受潤滑油和其他固體雜質(zhì)污染的特點(diǎn)，適用于壓縮高純度、稀有貴重、易燃易爆、有毒有害及高壓氣體。然而其蓋板的穹形表面為特殊型面，膜片容易損壞，因此加工、維護(hù)成本較高。此外，隔膜壓縮機(jī)的排氣量受制于壓縮比和氣腔容積而相對較小。

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國內(nèi)外生產(chǎn)中低壓隔膜壓縮機(jī)的廠家很多，但是能提供壓力45MPa以上的廠家并不是很多。表21列出了可以提供可用于加氫站的隔膜式氫氣壓縮機(jī)的國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)。國家品牌制造廠家備注中國天高北京天高隔膜壓縮機(jī)有限公司為國內(nèi)首個(gè)國產(chǎn)加氫站（北京綠能公司）提供隔膜壓縮機(jī)，在國內(nèi)已提供了七個(gè)加氫站的隔膜壓縮機(jī)，且連續(xù)運(yùn)行時(shí)間最長，國內(nèi)唯一具備90MPa氫氣隔膜壓縮機(jī)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。中國恒久江蘇恒久機(jī)械股份有限公司排氣壓力有20~45MPa中國中鼎恒盛北京中鼎恒盛氣體設(shè)備有限公司排氣壓力有45MPa和70MPa兩種，45MPa氫氣隔膜壓縮機(jī)單機(jī)最大流量達(dá)2000標(biāo)方/小時(shí)中國京城北京京城壓縮機(jī)有限公司與美國PDC簽署了氫壓縮機(jī)合作協(xié)議加氫站用隔膜氫氣壓縮機(jī)的國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)（接下頁）

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國家品牌制造廠家備注英國HowdenHowdenBurtonCorblin主要為雙螺桿工藝壓縮機(jī)和單級離心鼓風(fēng)機(jī)以及金屬隔膜玉縮機(jī)和活塞壓縮機(jī)。美國PDCPDCMachinesInc.具有三層金屬隔膜結(jié)構(gòu)的氫氣壓縮機(jī)制造技術(shù)，輸出壓力上限超過85MPa。加氫站用壓縮機(jī)市場占有率高。德國HOFERAndreasHoferHochdrucktechnikGmbH單機(jī)最高排氣壓力為300MPa。美國PPIPressureProductIndustries單機(jī)最大排氣流量680標(biāo)方/小時(shí)，最高排氣壓力為200MPa。加氫站用隔膜氫氣壓縮機(jī)的國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)（接上頁）

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目前，隔膜式氫氣壓縮機(jī)在國內(nèi)外的加氫示范站大量使用，在國外主要是排氣量20kg/h以下為多。國內(nèi)加氫站所用的氫氣隔膜機(jī)以排氣壓力45MPa，排氣量41.6kg/h機(jī)型為多，且主要為國內(nèi)自主開發(fā)的隔膜壓縮機(jī)，國家能源集團(tuán)如皋加氫站采購的美國PDC的氫氣隔膜壓縮機(jī)，排氣壓力為87.5MPa。國內(nèi)針對70MPa加氫站用的氫氣隔膜壓縮機(jī)，目前只有北京天高和同濟(jì)大大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的“863”計(jì)劃科研項(xiàng)目成果90MPa氫氣隔膜壓縮機(jī)樣機(jī)，并在大連同新加氫站進(jìn)行了示范運(yùn)行，樣機(jī)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到70MPa加氫站運(yùn)行要求，但可靠性距離商業(yè)化應(yīng)用有待進(jìn)一步提高。國內(nèi)外加氫站所裝備的隔膜壓縮機(jī)都缺乏大規(guī)模高密度頻繁加氫的應(yīng)用案例，對于國內(nèi)日漸增加的高密度加氫需求，為國內(nèi)外的氫氣隔膜壓縮機(jī)的可靠性驗(yàn)證提供了非常好的機(jī)會(huì)。

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（2）高純無油增壓器壓縮機(jī)高純無油增壓器氫氣壓縮機(jī)，也稱液壓驅(qū)動(dòng)無油氫氣往復(fù)活塞壓縮機(jī)。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)產(chǎn)品最高排氣壓力為100MPa。目前，此類型壓縮機(jī)在撬裝加氫站內(nèi)用的比較多，主要規(guī)格為排氣壓力45MPa，排氣量41.6~66.6kg/h（進(jìn)氣壓力12.5MPa，500kg/12h）；排氣壓力87.5MPa，排氣量41.6~66.6kg/h（進(jìn)氣壓力28MPa，500kg/12h）。下表統(tǒng)計(jì)了可以提供用于加氫站的液驅(qū)柱塞氫氣壓縮機(jī)的國外相關(guān)企業(yè)。國家品牌制造廠家德國MAXIMATORMAXIMATORGmbH德國HOFERAndreasHoferHochdrucktechnikGmbH意大利IdroMeccanicaIdroMeccanicasrl美國HPHYDRO-PAC,Inc.美國HASKELHASKELInternational荷蘭RESATORESATOInternationalB.V.加氫站用液驅(qū)柱塞氫氣壓縮機(jī)相關(guān)企業(yè)

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（3）離子壓縮機(jī)離子壓縮機(jī)的基本特征是使用某種離子液體代替活塞直接與被壓縮工質(zhì)接觸完成壓縮過程。目前離子壓縮機(jī)還處在研發(fā)推廣階段，在國際上還沒有形成統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)壓縮機(jī)廠商推出的離子壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)也各有千秋。德國Linde公司近年來推出了一款用于90MPa加氫站的離子壓縮機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖23所示，采用液壓系統(tǒng)推動(dòng)氣缸內(nèi)的固體活塞運(yùn)動(dòng)，固體活塞上部注入離子液體，將活塞和被壓縮的氣體分隔開，這一設(shè)計(jì)將壓縮系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過固體活塞分隔開來。

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Linde離子壓縮機(jī)示意圖

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2.1.3材料氫脆原理（1）氫脆現(xiàn)象壓力容器的氫脆現(xiàn)象又稱為白點(diǎn)，是指容器壁受到氫的腐蝕，造成材料的塑性和強(qiáng)度降低，并因此而導(dǎo)致的開裂或延遲性的脆性破壞。氫脆現(xiàn)象是由于材料缺陷中存在氫引起，通常表現(xiàn)為延展性、韌性等機(jī)械性能的下降。式中K——平衡常數(shù)；[gas]——熔融金屬中特定氣體的濃度（wt%）；Pgas21/2——雙原子分子形成的特定氣體的分壓。

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可以假設(shè)氫脆的程度與氫氣壓力的平方根成正比。一般地，氫脆對溫度和壓力的敏感性很大程度上取決于材料本身，例如Barthélémy進(jìn)行了一項(xiàng)調(diào)查以確定氫壓力對高屈服強(qiáng)度鋼的影響，觀察到開裂閾值達(dá)到約為60MPa，高屈服強(qiáng)度鋼如果用于儲(chǔ)氫，風(fēng)險(xiǎn)很高。相比之下，在70MPa高壓氫氣測試中，316型和A286型鋼表現(xiàn)出較好的性能。同樣，現(xiàn)階段也對其他金屬材料（鋁合金等）在高壓下的儲(chǔ)氫性能進(jìn)行了探究。這些材料已被證明對氫脆有抵抗力，盡管在高氫壓下觀察到一定的強(qiáng)度損失，但它們的延展性卻不會(huì)降低。氫脆可以在很寬的溫度范圍內(nèi)發(fā)生，但對于大多數(shù)材料來說，接近室溫時(shí)對氫脆最敏感。當(dāng)?shù)陀谑覝貢r(shí)，氫的擴(kuò)散率太低而無法填充足夠的截留位點(diǎn)，高于室溫時(shí)，氫的遷移率增加，導(dǎo)致截留減少。對于一些鐵基高溫合金，由于它們的成分是從普通不銹鋼演變而來的，因此在較低溫度范圍內(nèi)傾向于表現(xiàn)出氫脆。在具有足夠熱活化能的高溫下，氫反應(yīng)脆化的可能性很高，氫原子與晶界中的某些成分或雜質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

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Sugimoto和Fukai進(jìn)行了研究，他們計(jì)算了幾種面心立方金屬Pt、γ-Fe、Cu、Au、Al、Ag和Ni，以及體心立方金屬Cr、α-Fe、Mo和W的溶解度關(guān)于溫度和氫壓力的函數(shù)。對于氫與空位的相互作用，氫可以降低形成空位簇的生成能，在高溫高壓下促進(jìn)空位過剩的形成?？瘴粷舛瓤山咏?0~20%，最多可結(jié)合6個(gè)氫原子，這導(dǎo)致表觀溶解度增加，并對擴(kuò)散率產(chǎn)生影響。與其他缺陷位置相比，空位密度通常在較低的溫度下相對較低；然而，金屬的快速溶解會(huì)在裂紋表面附近產(chǎn)生大量的局部空穴，或者在裂紋尖端產(chǎn)生局部塑性變形[8]。部件制造過程中的某些操作會(huì)導(dǎo)致金屬吸收氫（例如焊接、電鍍、酸洗等）。為了減少敏感金屬中的氫脆，使用烘烤熱處理以排出任何氫。同樣，當(dāng)環(huán)境允許陰極反應(yīng)產(chǎn)生氫時(shí)，氫可以作為腐蝕過程的副產(chǎn)物出現(xiàn)，這會(huì)導(dǎo)致氫以原子形式解離并進(jìn)入金屬基體而不是分散在金屬基體中。在這種情況下，開裂可能是由另一種稱為應(yīng)力腐蝕開裂的故障引起的。另一方面，如果鋼基體中氫滲透的原因是由于硫化氫的存在，這種現(xiàn)象稱為硫化物應(yīng)力開裂。

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（2）氫脆分類01環(huán)境氫脆當(dāng)金屬浸入氫氣氣氛（例如儲(chǔ)罐）中時(shí)，氫氣可以被吸收或吸附，這會(huì)改變材料的機(jī)械性能，而不必形成第二相。材料所承受的應(yīng)力在很大程度上決定了氫造成的影響，氫在室溫下也會(huì)增加。03氫反應(yīng)脆化當(dāng)材料的一種成分與氫發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以形成氣態(tài)氫氣泡（稱為起泡）或新相或微結(jié)構(gòu)元素（例如氫化物）時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況，并且通常發(fā)生在高溫下。在這些條件下，這種現(xiàn)象通過出現(xiàn)起泡或膨脹而發(fā)生，由此材料變?nèi)醪㈤_始開裂。內(nèi)部可逆氫脆加工材料時(shí)，氫會(huì)進(jìn)入基體，即使材料沒有暴露于氫，也會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。最顯著的特征之一是內(nèi)部裂縫顯示出不連續(xù)的增長。這種類型的氫脆已在173至373K的溫度范圍內(nèi)以及平均0.1至10ppm的氫氣中觀察到。在接近室溫的溫度下，內(nèi)部可逆氫脆更為嚴(yán)重。02

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氫脆產(chǎn)生所必需的氫擴(kuò)散現(xiàn)象可以在低溫和高溫下發(fā)生。在焊接過程中，在填充金屬和母材金屬之間會(huì)產(chǎn)生熱影響區(qū)域，這是出現(xiàn)氫脆的關(guān)鍵點(diǎn)，即使母材金屬不易受到這種現(xiàn)象的影響。在酸洗過程中，金屬表面暴露于酸性、潮濕環(huán)境中，會(huì)發(fā)生腐蝕損壞，從而加速氫脆發(fā)生。氫脆和應(yīng)力腐蝕開裂有很多相似之處；然而，根本區(qū)別之一是陰極保護(hù)的行為，盡管陰極保護(hù)是最有效的腐蝕保護(hù)方法之一，但它并不能減少氫在金屬中的擴(kuò)散。

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理（3）不同材料的氫脆銅及銅合金鎳及鎳基合金鈦及鈦合金不銹鋼碳鋼鋁及鋁合金

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理1）不銹鋼在不銹鋼的氫脆過程中，氫通過擴(kuò)散過程進(jìn)入晶界，與合金中的碳與鐵結(jié)合，生成甲烷氣體。由于生成甲烷氣體的不移動(dòng)而產(chǎn)生了巨大的壓力增加，從而促進(jìn)了裂紋的萌生。在使用鋁以外的金屬制造部件的核電站中，反應(yīng)堆冷卻劑的pH值保持在中性或堿性，以防止出現(xiàn)氫脆。原子氫可在室溫下被金屬晶格吸收，通過晶粒擴(kuò)散，并傾向于在夾雜物或晶格缺陷中積累。在這些條件下，產(chǎn)生的裂紋將是穿晶的。另一方面，在高溫下，擴(kuò)散的氫傾向于在晶界聚集，從而產(chǎn)生晶間裂紋。當(dāng)由于環(huán)境條件的變化而停止產(chǎn)生氫氣且裂紋尚未開始時(shí)，被困的氫氣再次擴(kuò)散，從而恢復(fù)了材料的延展性，因此氫脆不是永久現(xiàn)象。氫脆問題可以通過不同的控制方法得到解決，例如控制殘余氫的量，減少制造過程中收集的氫量，研究抗氫脆的合金，開發(fā)抗脆化涂層，以及減少材料服役環(huán)境中存在的氫量。

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2）碳鋼由于氫脆現(xiàn)象，在低于金屬屈服強(qiáng)度的施加載荷下，結(jié)構(gòu)元件會(huì)受到裂紋和脆性斷裂的影響。圖24顯示了室溫下碳鋼中原子氫的吸收情況。吸收機(jī)制可能涉及氫的原子或分子形式。氫吸收后，氫通過金屬塊擴(kuò)散并被捕獲在晶界中形成氣泡，這些氣泡對金屬晶粒施加內(nèi)部壓力，隨著時(shí)間的推移而增加，并降低延展性和強(qiáng)度。碳鋼合金吸收的氫原子

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在結(jié)構(gòu)元件的加工或裝配操作過程中，富氫環(huán)境下的氫會(huì)在室溫下擴(kuò)散。例如酸洗用于清潔鋼表面以去除氧化物，以及電鍍等工藝。另外當(dāng)金屬暴露于酸或者發(fā)生腐蝕時(shí)也會(huì)產(chǎn)生氫脆。下圖展示了鍍鋅螺栓鋼的斷口，其中單個(gè)晶粒發(fā)生沿晶斷裂。氫脆失效[1]

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3）鋁及鋁合金干燥的氫氣環(huán)境對鋁及其合金影響不大。氫氣的主要問題是它與水分的接觸以及通過鑄造廠的熔化、鑄造和凝固過程產(chǎn)生的充氣空隙。這些空隙是材料缺陷，會(huì)影響鑄鋁和鍛造鋁的機(jī)械性能，例如延展性和斷裂韌性。在從熔體冷卻過程中，氫擴(kuò)散到析出物和鑄造缺陷中，由于氫在較低溫度下在固體金屬中的溶解度降低而產(chǎn)生裂紋。室溫下的干燥氫氣可承受高達(dá)69MPa的壓力，并且在鋁合金中不會(huì)產(chǎn)生顯著的氫脆效應(yīng)。然而，當(dāng)高強(qiáng)度鋁合金用氫進(jìn)行電化學(xué)充電時(shí)，其延展性降低。鋁合金在水介質(zhì)上脆化的主要機(jī)制可能是硫化物應(yīng)力開裂而不是純氫脆效應(yīng)。4）銅及銅合金銅和銅合金通常對氫脆不敏感，除非它們含有氧或氧化銅。含氧銅及銅合金在氫氣介質(zhì)中退火時(shí)，原子氫擴(kuò)散并與氧化銅或氧氣反應(yīng)生成工藝水，當(dāng)溫度高于375°C時(shí)變?yōu)楦邏赫羝?。蒸汽?huì)以裂縫和水泡的形式促進(jìn)氫損傷，即使沒有施加外部壓力，也會(huì)降低銅的斷裂韌性和延展性。

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5）鎳及鎳基合金鎳和鎳基合金具有可接受的高溫強(qiáng)度、抗氧化性和抗熱腐蝕性能。然而，并不是所有的鎳基合金都具有良好的抗氧化等級，化學(xué)腐蝕環(huán)境并不一定意味著它們也不受氫脆的影響。作為一種元素，純鎳會(huì)被氫嚴(yán)重脆化。因此，大多數(shù)具有富鎳成分的二元合金，例如鎳銅、鎳鐵、鎳鈷和鎳鎢，在富鎳區(qū)域會(huì)因氫而變得非常易于脆化。在一些富鎳合金系統(tǒng)中，進(jìn)行了相同的觀察。例如，已知稱為K-Monel1的富鎳合金會(huì)在高壓下被氫脆化，但不受電解充電的影響，氫環(huán)境敏感性包括金屬表面的裂紋萌生，在這種情況下，裂紋尖端的氫吸附導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展速率增加，進(jìn)而引起脆化。

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6）鈦及鈦合金鈦及其合金在水環(huán)境中具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，而這種較高的耐蝕性是由氧化條件下在空氣和水中自然形成的薄而穩(wěn)定的氧化鈦膜引起的。然而，在外加電流的極端陰極充電下，這些鈦合金中的一些在水性介質(zhì)中經(jīng)歷了氫脆。在低到中等的陰極充電條件下，鈦上自然形成的氧化鈦膜可以有效地抑制氫吸收。然而，在高陰極充電電流密度下，這種保護(hù)膜會(huì)破裂，對鈦合金失去保護(hù)作用，并使氫原子穿透鈦塊。處于近中性電解質(zhì)（如海水）與金屬（如鋅、鋁和鎂）且溫度高于80°C的環(huán)境時(shí)，會(huì)加速氫吸收和氫化物形成。在干燥的氫氣環(huán)境中，隨著溫度和壓力的增加，鈦及其合金很容易吸收氫氣。適度少量的氫化鈦沉淀不會(huì)損害大多數(shù)應(yīng)用，特別是在40~80ppm的氫濃度范圍內(nèi)。然而，當(dāng)溫度高于250°C時(shí)，會(huì)迅速形成過量的氫化鈦。這種類型的氫脆屬于氫反應(yīng)脆化類型；然而，在高溫過程中，例如焊接或在氫氣存在下的熱處理，它也被某些行業(yè)認(rèn)為是內(nèi)部氫脆類型。

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（4）氫脆預(yù)防材料的氫脆敏感性評價(jià)，可以通過高溫真空定氫技術(shù)測定金屬中氫含量、氫在金屬中的滲透率，以及通過斷面收縮測定氫脆系數(shù)（0~1），所測的值越小，氫脆敏感性越小。氫脆的預(yù)防措施有許多，現(xiàn)階段有且不限于以下幾種：010302進(jìn)行真空脫氫，通常在工業(yè)中用于去除鋼中的氫。更換強(qiáng)度較低的鋼和合金以降低氫脆的風(fēng)險(xiǎn)，但必須考慮特殊情形，以確保材料能夠在整個(gè)過程中承受施加的載荷。如果高強(qiáng)度鋼和合金是最佳材料選擇，可以進(jìn)行一些熱處理以降低可能導(dǎo)致脆化的硬度和殘余應(yīng)力。進(jìn)行焊接后熱處理。焊接后熱處理通常在焊接后不久進(jìn)行，以避免殘余應(yīng)力并調(diào)節(jié)操作條件和焊接程序之間的溫度變化。添加大標(biāo)題內(nèi)容

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2.2.1高壓儲(chǔ)氫裝備分類高壓儲(chǔ)氫裝備是實(shí)現(xiàn)高壓儲(chǔ)氫技術(shù)的重要物質(zhì)保障，它可憑借其足夠高的設(shè)計(jì)強(qiáng)度容納下高壓氫氣，并實(shí)現(xiàn)氫氣的儲(chǔ)存、運(yùn)輸與使用。為了更好地定義與描述高壓儲(chǔ)氫裝備，現(xiàn)階段可根據(jù)監(jiān)管規(guī)程或制造材料對其進(jìn)行分類。0102按監(jiān)管規(guī)程分類按制造材料分類高壓儲(chǔ)氫裝備分類

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（1）按監(jiān)管規(guī)程分類根據(jù)高壓儲(chǔ)氫裝備的不同使用要求，結(jié)合TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)管規(guī)程》、TSGR0005-2011《移動(dòng)式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)管規(guī)程》兩大監(jiān)管規(guī)程，可將其分為固定式壓力容器和移動(dòng)式壓力容器兩大類。為了保障壓力容器的安全使用，預(yù)防和減少事故，保護(hù)人民生命和財(cái)產(chǎn)安全，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，該類壓力容器的設(shè)計(jì)、制造、安裝等，都應(yīng)滿足相關(guān)監(jiān)管規(guī)程中的要求。移動(dòng)式壓力容器固定式壓力容器根據(jù)使用要求

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（2）按照制造材料分類根據(jù)制造高壓儲(chǔ)氫裝備時(shí)使用的不同材料類別，共分為四種類型：Ⅰ型—全金屬壓力容器、Ⅱ型—金屬內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞壓力容器、Ⅲ型—金屬內(nèi)膽纖維全纏繞壓力容器、Ⅳ型—塑料內(nèi)膽纖維全纏繞壓力容器，如下圖和下表所示?；谥圃觳牧系母邏簝?chǔ)氫裝備分類

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高壓儲(chǔ)氫瓶的類型與特點(diǎn)類型I型瓶II型瓶III型瓶IV瓶瓶V型瓶結(jié)構(gòu)與材質(zhì)純金屬結(jié)構(gòu)金屬內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞金屬內(nèi)膽纖維全纏繞非金屬內(nèi)膽纖維全纏繞全纖維纏繞常用工作壓力10～45MPa30～45MPa30～90MPa50～70MPa10～45MPa常用材料30CrMo鋼30CrMo鋼玻璃纖維增強(qiáng)6061鋁合金碳纖維增強(qiáng)高密度聚乙烯碳纖維增強(qiáng)碳纖維增強(qiáng)成本低一般較高較高高質(zhì)量儲(chǔ)氫密度低一般較高較高高常見用途工業(yè)用氣瓶高壓長管拖車叉車儲(chǔ)氫加氫站儲(chǔ)氫高壓長管拖車加氫站用儲(chǔ)氫適合各種車輛的車載儲(chǔ)氫乘用車儲(chǔ)氫高壓長管拖車加氫站儲(chǔ)氫無人機(jī)飛行器

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術(shù)

Ⅰ型壓力容器、Ⅱ型和Ⅲ型壓力容器的內(nèi)襯材料通常采用鋁（6061或7060）或鋼（不銹鋼或鉻-鉬鋼）制成。該部分可由3種不同的工藝進(jìn)行制造：010302將坯料加熱后先沖壓出凹形封頭，后經(jīng)過拉拔制成敞口的瓶坯，再按照擠壓或者旋壓的方法制成頂封頭及接口管等；將板材通過深拉成型，形成凹形封頭，再利用擠壓或者旋壓的方式對另一端收口；利用無縫管材，直接將兩端通過擠壓或者旋壓的方式收口制成。最后對成品進(jìn)行熱處理以獲得所需的機(jī)械性能。添加大標(biāo)題內(nèi)容

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術(shù)從I型到IV型壓力容器，其優(yōu)缺點(diǎn)各不相同。Mori等人比較了在相同儲(chǔ)存條件下，不同類型壓力容器所需材料的壁厚情況。據(jù)圖可得，從I型到IV型，壓力容器壁厚逐漸減少，加之內(nèi)襯材料的更換，意味著整個(gè)壓力容器的質(zhì)量變輕，質(zhì)量儲(chǔ)氫密度增加。在實(shí)際運(yùn)用中，雖然I型和II型壓力容器的重容比大，質(zhì)量儲(chǔ)氫密度低，但由于其成本低，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)中，例如氫氣常以20~30MPa的壓力儲(chǔ)存在I型壓力容器中（質(zhì)量儲(chǔ)存效率約為1wt%）。III型和IV型壓力容器由于采用了輕質(zhì)、高強(qiáng)度的纖維，不僅質(zhì)量輕，還能夠承受更高的壓力，因而被廣泛應(yīng)用于燃料電池汽車上，以便在有限空間中儲(chǔ)存足夠量的氫氣來保障其續(xù)駛里程。目前我國燃料電池汽車上主要采用的是35MPa的III型儲(chǔ)氫瓶，而性能更優(yōu)、儲(chǔ)量更大的IV儲(chǔ)氫瓶在國外應(yīng)用較多、較為成熟，國內(nèi)仍處于研發(fā)階段。35MPa相同容積下各類型壓力容器壁厚比較

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2.2.2固定式儲(chǔ)氫容器根據(jù)TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，固定式壓力容器定義為安裝在固定位置使用的壓力容器，容器工作壓力在10MPa以上時(shí)視為高壓容器。為了利用壓差進(jìn)行加注并滿足燃料電池汽車的加氫需求，加氫站用固定式儲(chǔ)氫容器的壓力通常要高于車載儲(chǔ)氫壓力（35MPa或70MPa）。GB50516-2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》規(guī)定加注壓力35MPa對應(yīng)的儲(chǔ)氫系統(tǒng)壓力不宜超過45MPa，而70MPa加注壓力對應(yīng)的儲(chǔ)氫系統(tǒng)壓力不宜超過90MPa。壓力通常按2~3級分級設(shè)置。固定式高壓儲(chǔ)氫容器按照結(jié)構(gòu)形式可分為無縫高壓儲(chǔ)氫容器、鋼帶錯(cuò)繞式高壓儲(chǔ)氫容器以及纖維纏繞高壓儲(chǔ)氫容器。在加氫站中常配備有不同類型的固定式容器，以滿足不同的加氫需求。

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（1）無縫高壓儲(chǔ)氫容器無縫高壓儲(chǔ)氫容器材料常用CrMo鋼，常用牌號為4130X，具有成本低、綜合機(jī)械性能優(yōu)良、在高強(qiáng)度水平下仍能保持較好的塑性和韌性的優(yōu)點(diǎn)。容器整體由無縫高強(qiáng)鋼管經(jīng)兩端鍛造收口而成，避免了焊接引起的裂紋、氣孔、夾渣等缺陷。鋼制儲(chǔ)氫容器的缺點(diǎn)在于容易受到氫脆的影響，且單個(gè)容器容量受到標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)與材料強(qiáng)度的限制，美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASMEBPVC—VIII—1—2019《鍋爐與壓力容器》將整體鍛造容器的內(nèi)徑限制在600mm內(nèi)，而通常單個(gè)容器的水容積不會(huì)超過2600L。為了滿足大容量儲(chǔ)氫需求，可以將多個(gè)容器并聯(lián)使用，但此舉又會(huì)增加可能的氫氣泄漏點(diǎn)，降低設(shè)備運(yùn)行的可靠性。大容積鋼制無縫儲(chǔ)氫容器組

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在我國加氫站建設(shè)的起步時(shí)期，有關(guān)高壓儲(chǔ)氫設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范仍未成型，大容積無縫鋼制儲(chǔ)氫瓶多數(shù)參考美國ASME標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)與制造。目前國內(nèi)的相關(guān)規(guī)范正在逐漸完善，根據(jù)容器的公稱工作壓力，需要對應(yīng)不同的設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)規(guī)范，見下表。標(biāo)準(zhǔn)號T/CATSI05003—2020GB/T33145—2016標(biāo)準(zhǔn)名稱加氫站儲(chǔ)氫壓力容器專項(xiàng)技術(shù)要求大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶標(biāo)準(zhǔn)類型團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)國家標(biāo)準(zhǔn)工作壓力>41MPa10~30MPa設(shè)計(jì)溫度-40~85oC-40~60oC推薦材料4130X、30CrMo、S31603具有良好的低溫沖擊性能的優(yōu)質(zhì)鋼材檢驗(yàn)項(xiàng)目失效評定（塑性垮塌、脆性斷裂、疲勞、局部過度應(yīng)變、泄漏）；熱處理后材料與焊接試件性能檢驗(yàn)；耐壓試驗(yàn)；泄漏試驗(yàn)等鋼管超聲檢測；金相檢查；硬度檢測；無損檢測；拉伸、沖擊、壓扁、冷彎、水壓、氣密性、水壓爆破、疲勞試驗(yàn)等其它還適用于奧氏體不銹鋼襯里儲(chǔ)氫容器與纖維環(huán)向纏繞儲(chǔ)氫容器除可用作固定容器外，也可用作長管拖車或管束式集裝箱上的移動(dòng)式容器國內(nèi)無縫高壓儲(chǔ)氫容器設(shè)計(jì)及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對比

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除進(jìn)行容器材料性能相關(guān)的研究外，也有學(xué)者嘗試通過改進(jìn)容器結(jié)構(gòu)來提升無縫容器的承壓能力與可靠性。一種新型夾套式高壓儲(chǔ)氫結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由內(nèi)、外雙層容器組成，內(nèi)容器為奧氏體鋼制成的大容積無縫氣瓶，外容器為單面敞口的高強(qiáng)度鋼大容積無縫氣瓶，通過支撐桿與端塞板實(shí)現(xiàn)內(nèi)容器在外容器中的支撐。外容器內(nèi)充裝有高壓氮?dú)?，通過平衡氣體壓力可以調(diào)節(jié)內(nèi)容器的應(yīng)力水平，從而降低內(nèi)容器的裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力，這種結(jié)構(gòu)有望解決現(xiàn)有單層儲(chǔ)氫容器材氫脆的難題，并克服多層高壓儲(chǔ)氫裝置制造工藝復(fù)雜、焊縫多且密集、焊接質(zhì)量控制難度大、生產(chǎn)周期長、成本高的缺點(diǎn)。

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夾套式鋼制高壓儲(chǔ)氫容器1-外容器上端蓋；2-連接套；3-連接桿；4-內(nèi)容器上端蓋；5-內(nèi)筒體；6-外筒體；7-壓緊螺蓋；8-外容器下端蓋；9-支腿

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（2）鋼帶錯(cuò)繞式儲(chǔ)氫容器鋼帶錯(cuò)繞式容器（MultifunctionalSteelLayeredVessel，MSLV）是我國首創(chuàng)的一種壓力容器結(jié)構(gòu)形式，自1964年研制成功以來，我國在該類型容器的設(shè)計(jì)、制造、使用、優(yōu)化方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，目前已形成適用于高壓儲(chǔ)氫的標(biāo)準(zhǔn)GB/T26466-2011《固定式高壓儲(chǔ)氫用鋼帶錯(cuò)繞式容器》，MSLV的制造規(guī)范還被美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)列為規(guī)范案例。固定式高壓儲(chǔ)氫用鋼帶錯(cuò)繞式容器結(jié)構(gòu)簡圖

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MSLV在儲(chǔ)氫領(lǐng)域具備眾多優(yōu)勢：0103050204利于制造高壓、大容積容器鋼帶錯(cuò)繞的工藝突破了無縫鋼管長度和壁厚的限制，能夠保障容器在大尺寸下仍具有優(yōu)良的強(qiáng)度；具有抑爆抗爆性薄鋼板與窄薄鋼帶的斷裂韌性好，且在鋼帶纏繞預(yù)拉力與摩擦阻力的作用下，容器只會(huì)發(fā)生泄漏失效，不會(huì)發(fā)生整體脆性破壞；缺陷分散容器全長無深環(huán)焊縫，且繞帶層與封頭處采用承載面積大的階梯斜面焊縫，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力水平的平滑過渡，結(jié)構(gòu)可靠性高；可實(shí)時(shí)監(jiān)測泄漏只要在容器的外保護(hù)殼上部與兩端的外層封頭上開孔，并連接氫氣泄漏收集接管，利用傳感器即可監(jiān)測氫泄漏情況；制造經(jīng)濟(jì)簡便MSLV僅臨氫部分采用抗高壓氫脆性能優(yōu)良的材料，其余則采用普通高壓容器用鋼，鋼帶成本低廉，而繞帶層設(shè)計(jì)避免了大量焊接、無損檢測與熱處理的工作量，且不需要大型重型設(shè)備和困難技術(shù)。

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浙江大學(xué)與巨化集團(tuán)合作解決了MSLV應(yīng)用中臨氫特殊不銹鋼材料冶煉、焊接工藝評定、高壓螺紋密封結(jié)構(gòu)制造等難題，成功研制42MPa、容積達(dá)到5m3的MSLV，并在位于中關(guān)村的中國第一座加氫站展開示范應(yīng)用；北京飛馳競立加氫站采用了77MPa、47MPa及42MPa的三級MSLV，保持著良好的運(yùn)行記錄；2017年江蘇常熟的豐田加氫站應(yīng)用了98MPa的MSLV，是現(xiàn)有壓力最高的MSLV。在后續(xù)對98MPa容器的研究中，浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)又提出通過適當(dāng)降低設(shè)計(jì)安全系數(shù)或采用更高強(qiáng)度的鋼帶材料能夠在保證安全性的同時(shí)有效減輕容器重量，并依此設(shè)計(jì)了一款50MPa、7.3m3的MSLV。浙江大學(xué)與巨化集團(tuán)研制的98MPa鋼帶錯(cuò)繞式儲(chǔ)氫容器

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（3）纖維纏繞高壓儲(chǔ)氫容器纖維纏繞高壓儲(chǔ)氫容器通過使用與氫相容性好的材料制成內(nèi)筒，外層使用纖維加強(qiáng)，從而能夠克服臨氫材料尺寸、厚度對容器強(qiáng)度與成本的影響。相較于MSLV，纖維纏繞容器更為輕量化，且避免了焊接缺陷，但碳纖維材料的使用大幅增加了容器制造的成本。目前的纖維纏繞大容積高壓儲(chǔ)氫容器仍以II型為主，適用T/CATSI05003-2020標(biāo)準(zhǔn)。2016年起開展示范運(yùn)營的大連同新加氫站采用的87.5MPa大容積儲(chǔ)氫容器[17]是我國首臺(tái)Ⅲ型大容積固定儲(chǔ)氫容器，是“十二五”863項(xiàng)目石家莊安瑞科和同濟(jì)大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的成果，其水容積達(dá)580L，解決了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、成型工藝、密封、氫脆等多個(gè)技術(shù)難題，填補(bǔ)了我國在碳纖維纏繞鋼質(zhì)內(nèi)膽儲(chǔ)氫容器技術(shù)領(lǐng)域的空白。浙江藍(lán)能于2021年獲得了碳纖維纏繞奧氏體不銹鋼內(nèi)膽容器的專利[18]，適用于儲(chǔ)存壓力在70MPa以上的500~2000L大容積儲(chǔ)氫容器的設(shè)計(jì)制造。

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2.2.3移動(dòng)式儲(chǔ)氫容器（1）運(yùn)輸用高壓儲(chǔ)氫容器根據(jù)TSGR0005-2011《移動(dòng)式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，移動(dòng)式壓力容器定義為由罐體或者大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶與走行裝置或者框架采用永久性連接組成的運(yùn)輸裝備，包括鐵路罐車、汽車罐車、長管拖車、罐式集裝箱和管束式集裝箱等。目前用于氫氣運(yùn)輸?shù)脑O(shè)備主要是集裝管束與長管拖車，受到道路承重與運(yùn)輸成本的限制，僅適用于200km以內(nèi)的公路運(yùn)輸。除了用作運(yùn)輸用途外，該類容器也能夠?qū)錃饨?jīng)由壓縮機(jī)直接加注到燃料電池車儲(chǔ)罐當(dāng)中。

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（2）車用輕質(zhì)高壓儲(chǔ)氫容器車用輕質(zhì)高壓儲(chǔ)氫容器的設(shè)計(jì)制造要求相較于運(yùn)輸用高壓儲(chǔ)氫容器更高，主要涵蓋以下要求：0103050204體積小、布置形式合理，不能占用過多的座艙空間；

輕量化，容器過重會(huì)導(dǎo)致行駛能耗增加，續(xù)駛里程減少；質(zhì)量儲(chǔ)氫密度更高，需要滿足車輛數(shù)百公里的續(xù)駛里程，因此需要裝載35MPa甚至70MPa壓力的氫氣；與高壓氫相容性更好，更安全可靠，發(fā)生車禍意外時(shí)不致破裂、傷及乘員；經(jīng)濟(jì)性好，當(dāng)燃料電池汽車的購車成本達(dá)到與燃油車同等水平時(shí)，才有可能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣。

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術(shù)

參照DOE設(shè)定的發(fā)展目標(biāo)，車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)最終的質(zhì)量與體積能量密度需要分別達(dá)到2.2kWh/kg（6.5wt%）與1.7kWh/L（50gH2/L），系統(tǒng)成本降至8美元/kWh，儲(chǔ)氫瓶用高強(qiáng)度碳纖維成本下降到13美元/kg。綜合考慮以上因素，具備高安全性、高儲(chǔ)氫密度的III、IV型車載儲(chǔ)氫瓶將是當(dāng)今乃至未來車載儲(chǔ)氫容器的重要發(fā)展方向，也是各大整車與零部件企業(yè)、機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)。

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術(shù)我國主要應(yīng)用III型瓶作為車載高壓儲(chǔ)氫容器。上汽大通2020年發(fā)布的多功能車型EUNIQ7裝載的儲(chǔ)氫瓶，在底盤中部配備有三個(gè)70MPa的III型儲(chǔ)氫瓶，3分鐘即可加注滿6.4kg的高壓氫氣，在NEDC工況下可提供605km的續(xù)航里程，氣瓶在整車碰撞測試后仍完好無損。國內(nèi)III型瓶的主要制造商包括天海工業(yè)、中材科技、斯林達(dá)安科與科泰克等。上汽大通EUNIQ7搭載的70MPa碳纖維纏繞鋁合金氣瓶

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術(shù)

IV型氣瓶是國際上主流的車載儲(chǔ)氫容器。以豐田2021款Mirai二代為例，其搭載的儲(chǔ)氫系統(tǒng)配備有三個(gè)70MPa的IV型儲(chǔ)氫瓶。豐田Mirai動(dòng)力系統(tǒng)

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2021年8月，Mirai從美國加州的TOYOTATechnicalCenter中心出發(fā)，在滿氫狀態(tài)下累計(jì)行駛1360公里，創(chuàng)下了氫能源車行駛里程最遠(yuǎn)的吉尼斯世界紀(jì)錄。就IV型瓶的生產(chǎn)制造而言，挪威的HexagonComposites是復(fù)合材料氣瓶行業(yè)的領(lǐng)頭者之一，能夠規(guī)?；a(chǎn)高儲(chǔ)氫密度的IV型儲(chǔ)氫瓶，以供豐田、本田、奔馳等汽車廠商安裝應(yīng)用。此外，法國佛吉亞、德國NPROXX、日本JFE與韓國ILJINComposite等廠商也具備高性能IV型瓶的生產(chǎn)能力。在國內(nèi)，車用IV型儲(chǔ)氫瓶的生產(chǎn)許可正逐步開放，斯林達(dá)安科是國內(nèi)第一家獲得非金屬內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶生產(chǎn)許可的本土廠商，現(xiàn)已成功研制70MPaIV型儲(chǔ)氫瓶產(chǎn)品并亮相國際展會(huì)。從整體上看，我國IV型儲(chǔ)氫瓶的生產(chǎn)制造技術(shù)與國外依舊存在較大差距，距離商業(yè)化應(yīng)用仍需進(jìn)一步努力。

《氫氣儲(chǔ)存和運(yùn)輸》03氣

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用2.3.1高壓氣瓶儲(chǔ)運(yùn)氫應(yīng)用目前，高壓氣瓶儲(chǔ)運(yùn)氫技術(shù)主要用于高壓氫氣長管拖車運(yùn)氫、車載高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)和固定式高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)等三個(gè)方面?；诟邏簹馄績?chǔ)運(yùn)氫技術(shù)的應(yīng)用如圖所示，高壓氫氣長管拖車運(yùn)氫主要用于氫氣的規(guī)模運(yùn)氫，車載高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)主要用于氫燃料電池汽車，而固定式高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)主要用于加氫站、固定式/分布式儲(chǔ)能等領(lǐng)域的氫氣規(guī)模儲(chǔ)存。基于高壓氣瓶儲(chǔ)運(yùn)氫技術(shù)的應(yīng)用示意圖

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（1）高壓氫氣長管拖車運(yùn)氫應(yīng)用高壓氫氣長管拖車運(yùn)氫是指將氫氣壓縮儲(chǔ)存到幾只到十幾只鋼制無縫氣瓶中，用配管和閥門將氣瓶連接在一起固定在拖車中進(jìn)行氫氣運(yùn)輸，也是目前最成熟的氫氣運(yùn)輸方式。長管拖車最早于1960年由美國CPI公司研制，1987年引入我國，并于1999年成功制造我國第一年長管拖車。2002年，石家莊安瑞科氣體機(jī)械有限公司實(shí)現(xiàn)了長管拖車的量產(chǎn)，隨后十多年，我國長管拖車的設(shè)計(jì)制造水平取得巨大的進(jìn)步，已達(dá)到國際先進(jìn)水平。但是長管拖車多用于充裝天然氣，高壓氫氣長管拖車的數(shù)量在2011年起有顯著提升，多在長三角和珠三角一帶。近年來，隨著氫能產(chǎn)業(yè)的興起與發(fā)展，高壓氫氣長管拖車的應(yīng)用更廣泛。

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長管拖車按其結(jié)構(gòu)形式可以分為捆綁式長管拖車和捆綁式長管拖車兩種。

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目前，我國高壓長管拖車主要將氫氣加壓到20MPa左右，單車運(yùn)氫量僅為300~400kg。典型的20MPa高壓氫氣長管拖車的技術(shù)參數(shù)如表所示[25]。實(shí)際運(yùn)行的充氫壓力一般為19.0~19.5MPa，泄氣至瓶內(nèi)的壓力≤0.6MPa，每次實(shí)際運(yùn)氫量3750~3920m3（即334~350kg），單車充氣時(shí)間1.5~2.5h，卸車時(shí)間1.5~3h。但是，由于鋼瓶質(zhì)量重，20MPa高壓氫氣長管拖車的系統(tǒng)儲(chǔ)氫密度僅1~2%，僅適用于小規(guī)模、短距離的氫氣運(yùn)輸，其運(yùn)輸成本隨著距離的增加而顯著上升。參數(shù)參數(shù)值參數(shù)參數(shù)值公稱工作壓力/MPa20鋼瓶外徑×長度/mm×mm559×10975環(huán)境工作溫度/℃-40~60單瓶公稱容積/m32.25鋼瓶設(shè)計(jì)厚度/mm16.5鋼瓶數(shù)量/只10瓶體材料（結(jié)構(gòu)鋼）4130集裝管束公稱容積/m322.5水壓試驗(yàn)/MPa33.4充裝介質(zhì)氫氣氣密性實(shí)驗(yàn)壓力/MPa20充裝量（20MPa，20℃）/m33965典型的20MPa高壓氫氣長管拖車的技術(shù)參數(shù)

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（2）車載高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)應(yīng)用輕量化、高壓力、高儲(chǔ)氫質(zhì)量比和長壽命是車載高壓儲(chǔ)氫瓶的主要特點(diǎn)。目前，車載高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫瓶主要包括鋁內(nèi)膽纖維纏繞瓶（III型）和塑料內(nèi)膽纖維纏繞瓶（Ⅳ型）。車載高壓儲(chǔ)氫瓶的質(zhì)量直接影響氫燃料電池汽車的行駛里程，Ⅳ型高壓儲(chǔ)氫瓶因其內(nèi)膽為塑料，質(zhì)量相對較小，具有輕量化的潛力，比較適合乘用車使用。國外日本、法國、英國等國家已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)70MPa的Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶的量產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶的制造與商業(yè)應(yīng)用，如表26所示。2014年，豐田就量產(chǎn)了世界上首臺(tái)氫燃料車型Mirai，續(xù)航里程達(dá)到了550km。之后，日本本田Clarity、韓國現(xiàn)代ix35等乘用車車型陸續(xù)發(fā)布，美國通用、福特等車廠也陸續(xù)部署基于高壓儲(chǔ)氫瓶的氫燃料電池車。

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機(jī)構(gòu)名稱技術(shù)特點(diǎn)70MPaIV型儲(chǔ)氫瓶應(yīng)用情況美國QUANTUM35/70MPa，壽命15~20年，容積26~994L，可用儲(chǔ)氫量0.8~22.2kg（70MPa）美國通用汽車配套日本TOYOTA70MPa，容積156L，5.6kg日本豐田汽車配套挪威HEXAGON70MPa，容積244L，9.8kg美國福特汽車配套戴勒姆汽車配套韓國ILJIN70MPa，容積156L，~5kg韓國現(xiàn)代汽車配套國外主要商用IV型儲(chǔ)氫瓶

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我國自從2010年35MPa鋁合金內(nèi)膽全纏繞儲(chǔ)氫瓶首次應(yīng)用于上海世博會(huì)新能源汽車上，到現(xiàn)在為止，儲(chǔ)氫瓶仍以35MPa的III型瓶為主?？紤]到車輛空間的限制，70MPa才是車載更為經(jīng)濟(jì)的儲(chǔ)存壓力，但是隨著壓力的增加，氣瓶的制造難度和危險(xiǎn)性也同樣增加。我國在2017年實(shí)施了GB/T35544-2017《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》[26]的國家標(biāo)準(zhǔn)，將Ⅲ型儲(chǔ)氫瓶的瓶體結(jié)構(gòu)劃分為T型和S型結(jié)構(gòu)。鋁內(nèi)膽纖維纏繞瓶結(jié)構(gòu)簡圖

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（3）固定式高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)應(yīng)用固定式高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)多用于加氫站、儲(chǔ)能等領(lǐng)域的氫氣儲(chǔ)存。目前，根據(jù)氫燃料電池車的氫氣加注壓力，加氫站同樣分為35MPa和70MPa兩種。我國絕大多數(shù)在用或在建的是35MPa加氫站。一般設(shè)計(jì)壓力50MPa的固定式儲(chǔ)氫容器用于35MPa的加氫站建設(shè)，設(shè)計(jì)壓力98~99MPa的固定式儲(chǔ)氫容器用于70MPa的加氫站建設(shè)[27]。國外70MPa加氫站使用的高壓儲(chǔ)氫容器有多種形式，有鋼質(zhì)單層結(jié)構(gòu)、多層金屬補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)、無縫內(nèi)膽碳纖維纏繞補(bǔ)強(qiáng)的結(jié)構(gòu)形式等。而我國現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)商品化的只有鋼帶錯(cuò)繞式儲(chǔ)氫容器，該儲(chǔ)氫容器重量較重，生產(chǎn)成本較高、生產(chǎn)效率較低，制造難度較大。而國外應(yīng)用成熟、廣泛的高壓儲(chǔ)氫容器為鋼質(zhì)無縫瓶式容器和鋼質(zhì)無縫內(nèi)膽碳纖維纏繞增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，比較典型的為日本JFE公司的全鋼質(zhì)瓶式容器結(jié)構(gòu)和美國FIBA公司設(shè)計(jì)壓力為100MPa的鋼內(nèi)膽碳纖維纏繞儲(chǔ)氫容器，已經(jīng)在韓國加氫站應(yīng)用。

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而固定式儲(chǔ)氫容器的高壓環(huán)境氫脆問題，是固定式儲(chǔ)氫容器實(shí)現(xiàn)“未爆先漏”的關(guān)鍵。高壓環(huán)境氫脆是指高壓氫氣環(huán)境中的氫進(jìn)入金屬后，在應(yīng)力及氫的聯(lián)合作用下，局部氫濃度達(dá)到臨界值時(shí)，發(fā)生金屬延性和韌性損減或氫致滯后斷裂的現(xiàn)象。高壓環(huán)境氫脆存在氫的溶解、擴(kuò)散和偏聚過程，都會(huì)引起氫致開裂失效[27]。金屬材料氫脆試驗(yàn)方法大致可分為兩類：一類用于材料初步篩選，快速評價(jià)材料是否可用于制造臨氫零部件，如圓片試驗(yàn)、氫致開裂應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值試驗(yàn)等；另一類用于材料力學(xué)性能原位測試，為臨氫零部件的設(shè)計(jì)或者材料適用性評估提供性能數(shù)據(jù)，如慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)、疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)、疲勞壽命試驗(yàn)等。

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試驗(yàn)?zāi)康脑囼?yàn)名稱測試方法概述測試標(biāo)準(zhǔn)材料初步篩選圓片試驗(yàn)高壓氫氣和氦氣環(huán)境下對圓片試樣進(jìn)行爆破試驗(yàn)，以氦氣和氫氣環(huán)境下的爆破壓力之比作為氫脆系數(shù)，用于評定材料氫脆敏感度ISO11114-4ASTMF1459GB/T34542.3氫致開裂應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值試驗(yàn)高壓氫環(huán)境下，對試樣進(jìn)行單調(diào)加載，獲得材料的氫致開裂應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值。該試驗(yàn)可根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)采用不同的方法ISO11114-4ASMEBPVCⅧ-3KD-10ANSI/CSACHMC1ASTMF1624GB/T34542.2性能原位測試慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)高壓氫環(huán)境下，對光滑圓棒試樣或帶缺口試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，獲得材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率等力學(xué)性能ANSI/CSACHMC1ASTMG142GB/T34542.2疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)高壓氫環(huán)境下，對試樣循環(huán)加載，獲得材料的疲勞裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍的關(guān)系曲線ASMEBPVCⅧ-3KD-10ANSI/CSACHMC1GB/T34542.2疲勞壽命試驗(yàn)高壓氫環(huán)境下，對光滑圓棒試樣或帶缺口試樣循環(huán)加載，獲得材料應(yīng)力/應(yīng)變-壽命曲線ANSI/CSACHMC1GB/T34542.2表2-7金屬材料氫脆試驗(yàn)方法

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2.3.2管道輸氫應(yīng)用氫氣管道可分為長距離輸送管道和短距離配送管道。長輸管道輸氫壓力較高，管道直徑較大，主要用于制氫單元與氫氣站之間的高壓氫氣的長距離、大規(guī)模輸送；配送管道輸氫壓力較低，管道直徑較小，主要用于氫氣站與各個(gè)用戶之間的中低壓氫氣的配送。氫氣配送管道建設(shè)成本較低，但氫氣長輸管道建設(shè)難度大、成本高，目前氫氣長輸管道的造價(jià)約為63萬美元/公里，天然氣管道的造價(jià)僅為25萬美元/公里左右，氫氣管道的造價(jià)約為天然氣管道的2.5倍[28]。

管道輸氫應(yīng)用示意圖

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由于氫氣長輸管道昂貴一次性的建設(shè)投入成本，利用現(xiàn)存天然氣管道輸送摻氫天然氣，或?qū)⑻烊粴夤艿栏脑鞛闅錃夤艿赖募夹g(shù)受到了廣泛關(guān)注。相較于天然氣管道，目前氫氣管道的建設(shè)量仍然較少，管道直徑和設(shè)計(jì)壓力也均小于天然氣管道。世界范圍內(nèi)氫氣管道與天然氣管道建設(shè)現(xiàn)狀對比見表

。因此，如何利用現(xiàn)有天然氣管道輸氫并進(jìn)一步發(fā)展成純氫管道，是輸氫管道快速發(fā)展的主要途徑之一。管道類型管道直徑/mm設(shè)計(jì)壓力/MPa建設(shè)里程/km常用材料氫氣304~9142~106000X42，X52天然氣1016~14206~201270000X70，X80

世界氫氣管道與天然氣管道建設(shè)現(xiàn)狀對比

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2019年，世界上第一條由天然氣管道改造而成的氫氣管道已在DowBenelux和Yara之間投入使用。我國在2018年由國家電投啟動(dòng)朝陽可再生能源摻氫示范項(xiàng)目，將可再生能源電解水制取的“綠氫”與天然氣摻混后供燃?xì)忮仩t使用，已按10%摻氫比例安全運(yùn)行1年。但是，國內(nèi)摻氫天然氣輸氫短期內(nèi)仍將以實(shí)驗(yàn)研究和試點(diǎn)示范為主。而且，氫氣和天然氣的物理性質(zhì)差異較大。性質(zhì)氫氣天然氣密度/（kg/m3）304~9141016~1420定壓比熱/（kJ/(kg·K）2~106~20熱值/（kJ/kg）~142~47.5可燃極限/vol%4~755~15爆轟極限/vol%18.3~596.5~12最小點(diǎn)火能量/MJ0.020.28燃燒速度/（m/s）2.650.4在鐵中的擴(kuò)散系數(shù)（100℃）/（cm2/s）2.5×10-7Nil氫氣和天然氣的主要物性對比

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用國外的氫氣管道的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)主要包括ASMEB31.12-2019《Hydrogenpipingandpipelines》[32]、CGAG-5.6-2005《Hydrogenpipelinesystems》[33]，兩者均適用于長距離氫氣輸送管道和短距離氫氣配送管道的設(shè)計(jì)。但是我國目前暫無長距離氫氣輸送管的適用標(biāo)準(zhǔn)，僅GB4962-2008《氫氣使用安全技術(shù)規(guī)程》[34]和GB50177-2005《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》[35]適用于供氫站、車間內(nèi)的短距離氫配送管道，適用于氫氣長輸管道的標(biāo)準(zhǔn)GB/T34542.5《氫氣儲(chǔ)存輸送系統(tǒng)第5部分：氫氣輸送系統(tǒng)技術(shù)要求》正在編制過程中。在標(biāo)準(zhǔn)的編制過程中，尤其需要考慮氫脆引起的管道性能變化。

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