加氫站儲氫容器技術路徑及發展前景簡析

解相華

摘要：近年來伴隨著世界能源革命技術的快速發展，同時環境保護全球戰略地位的進一步提升，氫能產業的發展進入了快車道，在清潔能源方面占據著重要地位。我國在能源生產消費、節能環保領域愈來愈發揮著舉足輕重的示范引領作用，也相繼研究出臺了一系列的產業引導政策，在資金和技術方面都提供了良好的發展支撐，鼓勵加速發展綠氫制取、儲運和應用等氫能產業鏈技術裝備，促進氫能燃料電池技術鏈、氫燃料電池汽車產業鏈發展。通過分析該類型的容器的技術路徑，掌握其發展動向。

關鍵詞： 加氫站;儲氫容器;設計標準

引言：儲氫容器作為加氫站的核心裝置，一直以來也是制約技術發展的瓶頸，從管理角度也是涉及到造價、安全和強制檢驗管理等各種問題，目前國內的加氫站的儲氫容器研究水平相對落后于國際發達國家，隨著氫能各領域的發展，其發展的技術路線也是多元化的，相關標準也在不斷完善。

1各種技術路線的儲氫容器的優劣勢比較

氫氣是一種無色、無味、無嗅、易燃易爆、無毒的氣體。它是地球上已知最輕的一種氣體，其密度為0.083 kg/m3 （1atm，21.1℃），相對密度僅為0.07。氫在空氣中燃燒時發出幾乎看不見的淡藍色。它和氯、氧、一氧化碳或空氣的混合物均有爆炸的危險。氫氣與空氣混合物的爆炸限為4%～75%，與氧氣混合物的爆炸限為4%～95%。

1.1無縫氣瓶或容器（無縫容器）

該類型容器的主要優點為：無縫鋼管端部旋壓成形，結構簡單、形狀連續整個容器沒有明顯的應力集中，耐疲勞性能好。產品標準化、系列化，批量生產，產品生產效率高、性能穩定，成本較低。國外已有大批量氫氣站使用案例，運行時間久，可以堆碼式安裝，匹配靈活，性價比最高，為加氫站主流儲氫容器。

該類型容器的主要缺點為：單支容器容積小，組裝成儲氣瓶組后容器數量多，管路復雜，相對的泄漏點多，儲氣瓶組多用于臥式結構，占地面積較大，Ⅱ型和Ⅲ型碳纖維纏繞無縫容器，碳纖維成本較高。

1.2鋼帶錯繞式容器，包扎式容器（焊接容器）

該類型容器的主要優點為：單容器容積大，可以做到單容器5m3甚至更大，規格多，管路連接件少，泄露點少，內筒采用奧氏體不銹鋼，耐氫脆性能好，設計中無需考慮氫脆對疲勞壽命的影響，研發設計成本較低，并且其立式結構節約占地空間。

該類型容器的主要缺點為：單支容器爆炸當量大，容器為焊接結構，工藝性復雜，單臺制造，質量不穩定，制造成本高。

2儲氫瓶式容器和瓶組的使用注意事項

2.1瓶式容器的運行

氫氣應符合GB/T3634.1《工業氫》或GB/T3634.2《純氫、高純氫和超純氫》的要求。用于燃料電池電動汽車的氫氣，應符合GB/T34872《質子交換膜燃料電池供氫系統技術要求》或SAE J2719《燃料電池驅動車輛氫燃料質量》的規定。瓶式容器有以下情況不得使用：

超過定檢周期未經檢驗合格的;

介質不符合標準要求的;

容器內無余壓的;

外部有損傷的及其它影響安全的缺陷的;

對其安全性有懷疑的。

2.2瓶式容器的定期檢驗

瓶式容器的定期檢驗應嚴格遵守TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》中第8章：定期檢驗的規定，容器定期檢驗機構應當按照TSG Z7001-2004《特種設備檢驗檢測機構核準規則》規定，取得容器定期檢驗核準證。定期檢驗應核查瓶式容器運行以來的有效壓力循環范圍和循環次數，并檢測有無裂紋狀缺陷以及裂紋擴展情況，評估后續允許的循環次數。如果經檢測確定不存在裂紋狀缺陷，可將檢測前的循環次數清零。鋼質儲氫容器必須專用，不得改裝使用。瓶式容器發生事故時，發生事故單位必須按照鍋爐壓力容器壓力管道及特種設備事故處理規定及時報告和處理。

2.3儲氣瓶組的使用注意事項

儲氫瓶組吊裝時，應采用兩個噸位相同的吊車平行起吊支架上的吊裝孔，防止發生扭曲、影響管路的密封。嚴禁吊裝容器及管路。儲氫瓶組安裝的地基基礎按不低于整體設備和介質最大充裝質量之和，按照建筑施工規范布置設備基礎，地基基礎高度建議高于地平高度，根據設備具體情況預留地腳螺栓澆注孔。所有的儲氣瓶組瓶式容器的螺塞處的密封均采用了O型圈密封，建議6年內更換一次，防止O型圈老化影響密封。儲氣瓶組安全閥前可安裝截止閥，在安全閥進口處設置，容器在正常運行期間必須保證安全閥前的截止閥處于全開狀態（加鉛封或者鎖定）。使用單位主管壓力容器安全的技術負責人批準制定可靠的防范措施，保證異常狀態安全閥處于工作狀態。

3儲氫容器的發展前景簡析

從市場前景看，伴隨著綜合能源站的概念提出和規劃，目前在市場的宣傳推廣上多已不再單獨宣傳氫氣加氣站，而是以綜合能源站（油、氣、電、氫）為概念對外宣傳。2020年國內市場上主流的儲氫容器為無縫瓶式容器，其次為焊接容器，特別是工作壓力為45MPa的儲氫容器，后續將有更多的企業介入此類產品的生產制造，目前國內只要較少企業具備批量化生產此類容器的能力，在標準和相關實驗完善后會有其它企業相繼進入市場，批量化生產和競爭帶來的效果是瓶式儲氫容器的價位將會有一定程度的降低，用戶的選擇范圍也更大。

從設計方法看，按照ASME相關規定，工作壓力大于41Mpa的臨氫無縫容器和工作壓力大于17Mpa的焊接容器，其疲勞分析應該用斷裂力學的方法。基于斷裂力學和氫環境下裂紋擴展速率數據的疲勞分析相對以往基于光滑無缺陷小試樣疲勞曲線的疲勞分析，更加符合實際情況。隨著這種設計方法的普及和設計水平的提高，會有更多類型的儲氫容器采用這種設計方法。

從材料問題：瓶式容器材料需要進行材料氫環境下的疲勞裂紋擴展速率試驗和氫致開裂應力強度因子閾值試驗，并需要采用斷裂力學的方法進行設計，以確保預期的疲勞壽命。目前國內具備該試驗能力的企業或單位很少，未來伴隨著儲氫產業的發展，相關材料試驗機構和新型材料的研發機構會逐步增多，以適應市場和技術需求。

4 結語

從國際上使用類型和中國未來氫能發展需求上來判斷，瓶式容器將成為中國加氫站的首選高壓儲氫設備。隨著加氫站建設的提速以及未來長周期使用的需求，高壓儲氫容器的安全性特別是保證使用過程中不發生泄漏問題將是未來高壓儲氫設備的重點研發方向。

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