自“碳達峰碳中和”的目標(biāo)提出以來，以可再生能源為中心的新能源產(chǎn)業(yè)加緊布局，為我國能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級助力。雙碳目標(biāo)催促我國新能源體系的加快構(gòu)建，更催促了氫能產(chǎn)業(yè)加緊跑馬圈地的步伐。

（來源：網(wǎng)絡(luò)整理）

從制氫端到儲運端再到應(yīng)用端，氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)模龐大且繁雜。作為最為清潔的二次能源，氫氣雖然廣泛存在于宇宙之中卻只能通過制取才能獲取?；谶@一“難題”，氫能在發(fā)展過程中備受掣肘。

在儲氫方面，目前國內(nèi)還處在嘗試和小批量示范階段，暫未形成規(guī)?；l(fā)展。以國內(nèi)某地為例，若該地全部氫能車輛正常運營，氫氣日需求量為15 t 左右，目前采用的高壓長管拖車輸氫量僅為200-300 kg，且氫能輸運成本較高，導(dǎo)致氫能的應(yīng)用環(huán)節(jié)難以大規(guī)模發(fā)展。

當(dāng)前，儲氫技術(shù)主要分為高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、高溫固態(tài)儲氫以及有機化合物儲氫四種。

高壓氣態(tài)儲氫是指在高壓條件下壓縮氫氣，將壓縮后的高密度氫氣存儲于耐高壓容器中的存儲技術(shù)。

目前國內(nèi)儲氫技術(shù)中最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的就是高壓氣態(tài)儲氫。高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)通常采用儲氫氣罐作為容器，具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、壓縮氫氣制備能耗低、充裝和排放速度快、溫度適應(yīng)范圍廣等優(yōu)點。因此，高壓氣態(tài)儲氫預(yù)計在未來較長的時間內(nèi)仍將占據(jù)氫能儲存技術(shù)的主導(dǎo)地位。

高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)核心問題在于儲氫氣罐（儲氫瓶）。通過高壓壓縮，氫氣以不同壓力被壓縮并裝入儲氫容器中?，F(xiàn)已開發(fā)并用于氫氣運輸和儲存容器共有4種不同類型，分別為純鋼制金屬瓶(Ⅰ型)、鋼制內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞瓶(Ⅱ型)、鋁內(nèi)膽纖維全纏繞瓶(Ⅲ型)及塑料內(nèi)膽纖維纏繞瓶(Ⅳ型)。

Ⅰ型瓶是由對氫氣有一定抗腐蝕能力的金屬構(gòu)成，它的優(yōu)點是制造容易、價格便宜，但由于金屬強度有限以及金屬密度較大，傳統(tǒng)金屬容器的單位質(zhì)量儲氫密度較低。

（左：Ⅰ型瓶  右：Ⅲ型瓶）

Ⅱ型和Ⅲ型瓶可有效提高容器的承載能力及單位質(zhì)量儲氫密度。該類容器中金屬內(nèi)襯僅起密封氫氣的作用，而壓力載荷由外層纏繞的纖維承擔(dān)。隨著纖維質(zhì)量的提高和纏繞工藝的不斷改進， 此類容器的承載能力進一步提高，單位質(zhì)量儲氫密度也隨之提高。

（左：Ⅲ型瓶  右：Ⅳ型瓶）

Ⅳ型瓶采用工程熱塑料材料替換金屬材料作為內(nèi)襯材料，同時采用金屬涂覆層提高氫氣阻隔效果，纏繞層由碳纖維強化樹脂層及玻璃纖維強化樹脂層組成，可進一步降低儲氫容器的質(zhì)量。

相比較之下，Ⅳ型瓶是最適宜儲氫的，而從Ⅰ型到Ⅳ型，技術(shù)難度逐步增大，材料國產(chǎn)化情況也在逐步降低。目前，國內(nèi)碳纖維產(chǎn)量在逐步加大，為Ⅳ型瓶的生產(chǎn)提供了廣闊的發(fā)展空間。除了儲氫瓶材質(zhì)的問題，儲氫瓶壓力也在向高壓化轉(zhuǎn)變。國內(nèi)高壓儲氫目前應(yīng)用較為廣泛的是35MPa壓力，正在向70MPa努力。而更高的壓力也面臨著對儲氫瓶材質(zhì)以及技術(shù)成熟度的挑戰(zhàn)。

根據(jù)實際的使用場景，可以將高壓儲氫容器分為運輸用儲氫容器、加氫站用儲氫容器和車載儲氫容器。

高壓氫氣的運輸設(shè)備主要用于將氫氣從產(chǎn)地運輸?shù)绞褂玫鼗蚣託湔?。氫氣量少的使用高壓鋼瓶盛裝氫氣并搭配廂車進行運輸，比如工業(yè)用氫或者實驗室用氫；量大的則使用長管拖車，例如一些加氫站在輸氫運氫過程中采用此種方式。但這其中要受制于外在環(huán)境條件，在北方或者寒冷地區(qū)，廂車運輸或者長管拖車運輸將會面臨極大困難，同時運氫安全風(fēng)險增加。當(dāng)?shù)缆窏l件較差時，拖車運輸危險系數(shù)將大大增加。

（聯(lián)悅長管拖車  來源：聯(lián)悅氣體）

成本上，目前20MPa長管拖車約66萬，30MPa長管拖車約166萬。以20MPa壓力運輸，當(dāng)運輸距離100km時，運輸成本為8.66元/kg。隨著距離增加，運輸成本受人工費和油費推動顯著上升。如果運輸壓力標(biāo)準(zhǔn)由20MPa提升至50MPa，100km的運輸成本可降至5.60元/kg。

由此可以看到，中短途（≤200公里）輸氫運氫受限較多，但短期來看，在成本壓力下長管拖車運氫也將占據(jù)一部分市場。但是在長途運輸場景（＞200公里）下，規(guī)模化儲氫運氫仍需要進步。

加氫站方面，現(xiàn)階段國內(nèi)主要以高壓氣態(tài)氫氣的形式為氫燃料電池車輛提供氫燃料，主要使用高壓瓶式容器和鋼帶錯繞式儲氫罐。目前加氫站主要有兩種壓力要求，一種是滿足35MPa加氫要求的加氫站，一種是滿足70MPa加氫要求的加氫站，國內(nèi)以35MPa為主，國外以70MPa為主。

隨著我國各地區(qū)氫能產(chǎn)業(yè)專項規(guī)劃的出臺，加氫站數(shù)量將在2025年出現(xiàn)大幅度提升。然而，目前加氫站建設(shè)極其困難。一方面，加氫站建設(shè)土地審批困難，大多數(shù)地區(qū)仍將氫氣視為?；瘜W(xué)品，加氫站只能建設(shè)在化工園區(qū)，對于城市里氫能公交車、氫能物流車以及高速口等位置都很少有加氫站的“影子”；另一方面，加氫站建設(shè)運營極為艱難，加氫站建完擱置不用、站內(nèi)缺氫、無車加氫等問題頻頻出現(xiàn)，加氫站建設(shè)成本極高，大約在1500萬元-2000萬元左右（以日加氫能力500公斤及1000公斤計算），核心部件不僅依賴進口，同時短期內(nèi)難以見到收益和成效。

車載儲氫容器是目前氣態(tài)儲氫廠商的開發(fā)重點。根據(jù)我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢可以看到，氫燃料電池汽車將在未來成指數(shù)級增長。隨著氫燃料電池汽車的快速發(fā)展，車載儲氫瓶將有極大需求。車載儲氫瓶一般使用III型瓶或Ⅳ型瓶，工作壓力一般為35-70MPa，國內(nèi)車載高壓儲氫系統(tǒng)主要采用35MPaⅢ型瓶，國外以70MPaIV型瓶為主。

（車載儲氫氣瓶  來源：網(wǎng)絡(luò)整理）

從儲運效率、輕量化、成本等角度出發(fā)，Ⅳ型瓶相較于Ⅲ型瓶具備顯著優(yōu)勢：Ⅲ型瓶重容比在0.98左右，Ⅳ型瓶重容比在0.74左右；Ⅲ型瓶儲氫密度為3.9%，Ⅳ型瓶的儲氫密度可以達到5.5%；Ⅳ型瓶單瓶氣體容積可達到375升，可降低整個系統(tǒng)復(fù)雜性。盡管Ⅳ型瓶面臨著許多阻礙，但與Ⅲ型瓶相比，其塑料內(nèi)膽取代鋁內(nèi)膽必將使成本降低，更長的高壓循環(huán)壽命、不受各種腐蝕材料影響都是儲運材料巨大的閃光點。因此國內(nèi)部分廠商、研究機構(gòu)已經(jīng)立項，開始著手Ⅳ型瓶的研發(fā)工作。

對于Ⅳ型儲氫瓶而言，重點研發(fā)方向在內(nèi)膽成型工藝和碳纖維纏繞工藝上。Ⅳ型瓶內(nèi)膽多采用PA6、高密度聚乙烯(HDPE)以及PET聚酯塑料等，對應(yīng)的成型工藝主要為注塑、吹塑和滾塑成型。豐田、現(xiàn)代已量產(chǎn)的IV型瓶均為注塑+焊接工藝，該種成型方式成本低、運用較廣泛、但良品率也較低，且必須配合后續(xù)的焊接工序。碳纖維纏繞成型工藝可分為濕法纏繞和干法纏繞，其中濕法纏繞由于其成本較低、工藝性好，因此應(yīng)用較為廣泛。

由此可以看到，我國車載儲氫瓶技術(shù)仍與國外有較大差距。國內(nèi)Ⅲ型瓶的發(fā)展阻礙主要在于碳纖維材料仍然依賴進口，成本較高。一旦實現(xiàn)碳纖維材料國產(chǎn)化，Ⅲ型瓶的成本將會進一步降低。Ⅳ型儲氫瓶除去碳纖維材料需進口外，使用也受到限制。國內(nèi)對于氫燃料電池汽車的儲氫系統(tǒng)目前仍舊限制在Ⅲ型瓶上，所以各大汽車廠商為了適應(yīng)國內(nèi)法規(guī)仍然使用Ⅲ型瓶的儲氫系統(tǒng)。受到氫燃料電池汽車應(yīng)用場景的限制，車載儲氫瓶的要求相對較高。未來，車載儲氫瓶將朝著輕量化、高壓力、高儲氫質(zhì)量以及長壽命等方向發(fā)展，車載儲氫系統(tǒng)也逐步轉(zhuǎn)向多瓶組的組合設(shè)計趨勢。

（碳纖維儲氫容器  來源：網(wǎng)絡(luò)整理）

想要詳細了解我國儲氫瓶市場現(xiàn)狀，可關(guān)注產(chǎn)能加速擴大！國內(nèi)儲氫瓶市場概述

整體來看，我國高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)存在三大壁壘。

一是標(biāo)準(zhǔn)體系的制訂。我國在儲氫方面的標(biāo)準(zhǔn)體系一直建立不夠完善，以至于長期以來車用儲氫系統(tǒng)均才采用的Ⅲ型儲氫瓶。在這方面，國內(nèi)各大企業(yè)和機構(gòu)已在逐步調(diào)研之中，并且已經(jīng)初見成效。2023年5月23日，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 42612-2023《車用壓縮氫氣塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》正式發(fā)布，該標(biāo)準(zhǔn)將于2024年6月1日正式實施，將推動車載儲氫瓶的快速發(fā)展。

二是材料供應(yīng)的國產(chǎn)化。儲氫容器需要的重要材料就是碳纖維，我國也在近兩年逐步加大國產(chǎn)碳纖維生產(chǎn)的產(chǎn)量，同時開發(fā)性能更為優(yōu)異的碳纖維材料。此外，在碳纖維纏繞技術(shù)上，國內(nèi)市場仍需努力。如何同時保證儲氫容器的輕量化和密封化的平衡，也需要更為成熟先進的技術(shù)Ⅳ型儲氫瓶的制造成本在3000~3500美元，主要包括：復(fù)合材料、閥門、調(diào)節(jié)器、組裝檢查、氫氣等，其中復(fù)合材料的成本占總成本的75%以上。由此可見，將材料盡早實現(xiàn)國產(chǎn)化并大規(guī)模生產(chǎn)，可以降低大部分成本。

三是儲氫技術(shù)的安全性及可靠性。儲氫容器的安全性至關(guān)重要，不僅關(guān)乎容器本身的使用壽命，更關(guān)乎使用時是否會發(fā)生事故等問題。在高壓臨氫的情況下，裝備服役性能的影響因素主要涉及到應(yīng)力、環(huán)境、材料，制造等，影響因素多，機制也非常復(fù)雜，亟待開展氫與材料作用機制，高壓、深冷等極端氫環(huán)境材料性能數(shù)據(jù)，低成本、抗氫脆材料，氫能儲輸裝備性能預(yù)測和調(diào)控技術(shù)等方面的研究。儲氫容器的性能要求極為嚴苛，不僅要承受住氣體的高壓力，同時也要注意氫氣本身對材料的腐蝕。抗高壓和抗氫脆是目前眾多研究團隊持續(xù)攻堅的重中之重，根據(jù)環(huán)境條件和材料性能的不同，研發(fā)出更為安全可靠的儲氫容器還需要一段時間。

參考：

1.聯(lián)悅氣體：高壓氣態(tài)儲氫：應(yīng)用廣泛的儲氫技術(shù)

2.PGO氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)研究院：簡析高壓氣態(tài)儲氫的技術(shù)現(xiàn)狀

3.碳纖維研習(xí)社：復(fù)合材料高壓氣態(tài)儲氫瓶深度解析