儲(chǔ)氫技術(shù)背景

氫氣能源能夠以氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)三種狀態(tài)儲(chǔ)存，而根據(jù)儲(chǔ)存機(jī)理的不同又可分為高壓儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫、固體儲(chǔ)氫、有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫等方式，不同儲(chǔ)氫技術(shù)的優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比如表1所示，其中高壓儲(chǔ)氫是應(yīng)用最廣泛的方式，也是目前車用儲(chǔ)氫的主流方式。

表1 幾種常見儲(chǔ)氫技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

低溫液態(tài)儲(chǔ)氫主要應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域，如本公眾號(hào)前面文章《CFRP在高超音速飛行器低溫先進(jìn)儲(chǔ)罐中的應(yīng)用》介紹的一種用于超音速飛行器的低溫儲(chǔ)氣罐系統(tǒng)；而有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫和固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)目前尚處于示范階段，但由于具有較好的發(fā)展前景，因此也是國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。

復(fù)材生態(tài)圈推動(dòng)復(fù)材產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、在線化、智能化，共建復(fù)材生態(tài)系統(tǒng)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)57篇原創(chuàng)內(nèi)容公眾號(hào)高壓儲(chǔ)氫作為一種最常見、應(yīng)用最廣泛的儲(chǔ)氫方式，其特點(diǎn)在于可利用氣瓶作為儲(chǔ)存容器，通過(guò)高壓壓縮方式儲(chǔ)存氣態(tài)氫。該技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于成本低、能耗小、充放氣速度快等。在高壓儲(chǔ)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，如目前工業(yè)中廣泛采用20MPa 鋼制氫瓶，并且可與 45MPa 鋼制氫瓶、98MPa 鋼帶纏繞式壓力容器進(jìn)行組合應(yīng)用于加氫站。但是鋼制氫氣瓶由于較高的重量，因此并不適宜汽車用，因此目前車用高壓儲(chǔ)氫瓶的國(guó)際主流技術(shù)通過(guò)以鋁合金/塑料作為內(nèi)膽，外層則用碳纖維進(jìn)行包覆（即所謂的III型、IV型瓶，表2），提升氫瓶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并盡可能減輕整體質(zhì)量。

表2?五種類型高壓氣瓶的特征及性能

目前國(guó)外氫燃料電池汽車已經(jīng)廣泛使用?70MPa 碳纖維纏繞 IV 型瓶，與之相比，目前我國(guó)車載儲(chǔ)氫方式大多為 35MPa 碳纖維纏繞 III 型瓶，而70MPa 碳纖維纏繞 III 型瓶也已少量用于國(guó)產(chǎn)汽車中。國(guó)內(nèi)?70MPa 碳纖維纏繞 IV 型瓶的制備面臨主要難題在于技術(shù)不成熟、無(wú)法規(guī)?；a(chǎn)，因此導(dǎo)致成本極高，據(jù)估計(jì)125kg 的儲(chǔ)氫系統(tǒng)價(jià)格上萬(wàn)元，表3顯示高壓儲(chǔ)氫瓶和車載氫系統(tǒng)生產(chǎn)成本與規(guī)模之間關(guān)系，當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模越大，儲(chǔ)氫瓶成本也就越低，如當(dāng)氣瓶生產(chǎn)規(guī)模由1萬(wàn)套提高到50萬(wàn)套時(shí)，氫氣瓶成本會(huì)下降20%。

表3 儲(chǔ)氫瓶成本與規(guī)?；瘜?duì)應(yīng)關(guān)系（來(lái)源：USCAR ）

國(guó)外高壓儲(chǔ)氫行業(yè)現(xiàn)狀

目前國(guó)外高壓儲(chǔ)氫瓶應(yīng)用技術(shù)最為成熟的國(guó)家為美國(guó)和日本，美、日從事復(fù)合材料氫氣瓶研發(fā)與生產(chǎn)代表性企業(yè)包括美國(guó) Quantum 公司、美國(guó)通用汽車、美國(guó) Impco 公司、日本豐田、日本Jari等，其他法國(guó)、加拿大、韓國(guó)、德國(guó)等也有企業(yè)開展70MPaIV瓶生產(chǎn)（表4）。

表4 國(guó)外高壓儲(chǔ)氫瓶主要生產(chǎn)企業(yè)

按照日本豐田公司的設(shè)計(jì)與規(guī)劃，燃料類型會(huì)取決于車輛的續(xù)航里程和尺寸大小，通常而言，短續(xù)航里程和小尺寸車輛使用動(dòng)力電池系統(tǒng)，中等續(xù)航里程和中尺寸車輛使用燃油對(duì)應(yīng)的混合動(dòng)力/插電混合動(dòng)力系統(tǒng)，而長(zhǎng)續(xù)航里程和大尺寸車輛則最好使用氫燃料電池系統(tǒng)（圖1所示）。

圖1?動(dòng)力系統(tǒng)與汽車尺寸和行駛距離對(duì)應(yīng)關(guān)系

豐田Mirai中設(shè)計(jì)了一種一大一小的兩儲(chǔ)氫瓶系統(tǒng)，并通過(guò)高壓方式盡可能多充入一些氫氣。并且選擇了70MPa的高壓儲(chǔ)氣瓶，兩儲(chǔ)氫瓶系統(tǒng)容量總計(jì)122.4L，能夠存儲(chǔ)約5kg的氫氣，汽車?yán)m(xù)航里程可達(dá)650km（圖2）。

圖2 豐田Mirai汽車中的兩儲(chǔ)氣瓶系統(tǒng)（來(lái)源：電動(dòng)邦）

豐田Mirai汽車研發(fā)成功使其銷量增加明顯，自 2013 年氫燃料電池車商業(yè)化到 2017 年年底，在全球氫燃料電池乘用車總銷量的 6475 輛中，豐田 Mirai 占比高達(dá) 75%（圖3）；而在2017 年， 全球售出 3382 輛氫燃料電池乘用車，豐田 Mirai 更是接近 3000 輛。

圖3?日本豐田公司開發(fā)Mirai汽車銷量情況

國(guó)內(nèi)高壓儲(chǔ)氫行業(yè)現(xiàn)狀

目前在高壓儲(chǔ)氫瓶領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)與國(guó)外存在較大的差距，如目前國(guó)外氫能源汽車已經(jīng)開始大量使用質(zhì)量更輕、成本更低、質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度更高的 IV 型瓶，而國(guó)內(nèi)IV?型瓶還處于研發(fā)階段，目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較成熟的產(chǎn)品只有?35 MPa?和?70 MPa III?型瓶，其中?70MPa III?型瓶應(yīng)用也有限。在III型、IV型高壓氣瓶領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)技術(shù)和產(chǎn)品現(xiàn)狀與國(guó)外對(duì)比如表5所示。雖然目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)廣泛應(yīng)用35MPaIII型瓶，但是加工高壓氣瓶所使用的關(guān)鍵碳纖維材料大多為進(jìn)口碳纖維。

表5?國(guó)內(nèi)外高壓儲(chǔ)氫瓶技術(shù)和產(chǎn)品對(duì)比

國(guó)內(nèi)主要高壓儲(chǔ)氣瓶生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的III型儲(chǔ)氫瓶與國(guó)外IV型瓶性能對(duì)比如表6所示，從表中可以看出IV型瓶質(zhì)量輕但質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度高。同等體積下，壓力越大儲(chǔ)氫量越高，車輛行駛里程就更遠(yuǎn)。

表6?國(guó)內(nèi)外高壓儲(chǔ)氫瓶產(chǎn)品性能對(duì)比

在三部委發(fā)布的《汽車產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》，短期內(nèi)國(guó)內(nèi)儲(chǔ)氫技術(shù)仍然會(huì)以高壓儲(chǔ)氫為主，因此估計(jì)十四五期間，國(guó)家在高壓儲(chǔ)氫瓶領(lǐng)域?qū)?huì)繼續(xù)發(fā)布系列支持政策，尤其是在目前國(guó)內(nèi)與國(guó)外技術(shù)差距比較明顯的情況下，加速提高國(guó)內(nèi)IV型瓶的關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品水平刻不容緩。

圖4?國(guó)家發(fā)布的氫能源汽車產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃

在IV型高壓儲(chǔ)氫瓶中碳纖維復(fù)合材料系統(tǒng)占比將近80%，而國(guó)內(nèi)大部分高壓儲(chǔ)氣瓶生產(chǎn)企業(yè)所用碳纖維仍以國(guó)外產(chǎn)品為主，但值得慶幸的是，近年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，已有部分國(guó)內(nèi)碳纖維企業(yè)開始進(jìn)入高壓儲(chǔ)氫氣瓶市場(chǎng)，相信未來(lái)國(guó)內(nèi)碳纖維產(chǎn)品大量應(yīng)用將會(huì)為降低IV型瓶成本做出積極貢獻(xiàn)。

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