上一期文章（從35MPa到70MPa，儲氫瓶成本能控制住嗎？）發(fā)出去后，在《今日頭條》（以下稱“頭條"）得到了較多的反饋，與公眾微信號服務的專業(yè)讀者不同，頭條的讀者大多都是真正的公眾讀者，專業(yè)讀者的反饋是文章的專業(yè)表述的科技邏輯、產業(yè)邏輯、以及數據的真實性等問題，而大眾讀者關心最多還是氫氣儲運與應用的安全性。盡管氫氣儲運的方式有很多種，但目前高壓儲氫處于全球氫氣儲運的主導地位。因為氫能來源廣泛、應用場景豐富，氫能產業(yè)規(guī)模化后，便利、高效的高壓儲氫將依然發(fā)揮重要的作用。

鄭津洋院士及其博士團隊專注于壓力容器的材料、設計、制造和檢驗研究。鄭院士是我國儲氫高壓容器、深冷壓力容器、柔性高壓復合管等方面的專家，從2002年開始氫氣高效儲存科研攻關，將我國大容量高壓氫氣儲存裝備技術推至國際水平，他的“氫氣規(guī)模化提純與高壓儲存裝備關鍵技術及工程應用"項目獲得2020年度國家科學技術進步獎二等獎。

《產業(yè)觀察者》旨在搭建氫能產業(yè)科研、生產和消費之間的溝通平臺，傳播氫能文化，反映市場聲音，所以，本期我們就市場關心的安全問題整理了鄭津洋院士相關報告，希望借此提升從業(yè)人員的安全意識，也能幫助消費者更好地認知氫能產業(yè)、理解氫能安全的專業(yè)知識，避免談氫色變的恐慌。總之，無論是氫能從業(yè)人員還是消費者，我們都需要尊重市場、敬畏科學、重視安全。

                                                                                                    ——鄭賢玲

氫能作為來源多樣、應用高效、清潔環(huán)保的二次能源，廣泛應用于交通、化工、能源和儲能，將在能源結構轉型中發(fā)揮關鍵作用。氫能的開發(fā)利用已經成為新一輪世界能源技術變革的重要方向，也是實現碳中和目標的重要的途徑。發(fā)達國家上世紀就開始布局氫能產業(yè)，美國、日本、德國、韓國先后制定氫能國家戰(zhàn)略推進氫能產業(yè)發(fā)展，我國氫能也進入到產業(yè)化規(guī)模的示范階段，發(fā)展速度非常快。

由于氫氣易泄漏爆炸、易引發(fā)材料高壓氫脆，導致國內外最近一些年的氫安全事故不斷發(fā)生，例如2019年美國、挪威、韓國均發(fā)生了儲氫裝備的爆炸事故，我國雖然加氫站運行的時間不是特別長，但也出現了不少的問題，如儲氫容器水壓實驗時的爆炸、壓縮機膜片開裂、閥斷裂等。

因此，氫能儲運裝備安全對我們來說還是一個共同的挑戰(zhàn)。為此，我們必須建立氫能安全的研究體系與行業(yè)標準，為氫能產業(yè)的健康發(fā)展提供基礎保障。

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氫氣儲存主要方式

氫能發(fā)展涉及到經濟規(guī)模制氫、安全可靠儲運氫氣和清潔高效利用，還涉及到整個制儲用全過程的安全問題。目前儲氫技術路線主要有高壓儲氫、液態(tài)儲氫、固態(tài)儲氫等，在眾多的儲氫方式中，高壓儲氫具有充放氫速度快、裝備結構簡單、溫度適應范圍廣等優(yōu)點，是目前占主導地位的儲氫方式，在氫氣儲運中發(fā)揮非常重要的作用。

目前對應的儲氫裝備主要有四種：氣態(tài)儲氫裝備、液態(tài)儲氫裝備、固態(tài)儲氫裝備和復合儲氫裝備。這些儲氫裝備所具有的共同特點是，它們都承受一定的壓力，絕大多數都屬于承壓類特種設備，具有潛在的氫氣泄漏和爆炸危險。 

首先是氣態(tài)儲氫。高壓儲氫是在常溫下通過壓縮機將氫氣壓縮到儲氫容器中，以提高單位體積的氫氣密度。根據應用場景不同分為固定式儲氫和移動式儲氫，固定式儲氫主要應用于加氫站、應急電源、備用電源和氫儲能等場合。國內外固定式儲氫壓力均在100MPa左右；國內移動式儲氫30MPa，國外已經超過50MPa。

第二是液態(tài)儲氫。液氫的溫度是-253℃， 在標準沸點下的密度為70.78 kg/m3，儲存的壓力在1MPa左右。不同的設計方案有一些差異，固定式液氫容器目前主要還是在航天領域應用。液氫容器顯著的優(yōu)點是體積儲存密度高，但是面臨高投資、高能耗、運輸安全等挑戰(zhàn)。2020年6月13日溫嶺發(fā)生了液化石油氣槽罐車爆炸事故，造成20人遇難，約170人受傷，液化燃料儲存運輸容器依然面臨較大的安全挑戰(zhàn)。

第三是固態(tài)儲氫。該技術具有儲氫壓力低，體積儲存密度高和純化氫氣等特點，通常儲氫壓力在3MPa左右，但也有到25MPa。

第四是復合儲氫。目前研究比較多的復合儲氫有兩種，一種是低溫或者深冷和高壓來復合，因為溫度低了以后，氫氣的密度會增加，壓力高了密度也會增加，把兩個結合在一起，使得他們單位儲氫密度，可以進一步提高。另一種是高壓固態(tài)復合，常用的復合壓力包括35MPa、45MPa、90MPa。

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氫氣輸運的主要方式

輸氫裝備主要有兩類，即氣態(tài)輸氫裝備和液態(tài)儲氫裝備。氣態(tài)輸氫主要有長管拖車、管束式集裝箱和管道輸氫三種方式。長管拖車的一個重要發(fā)展趨勢是進一步提升工作壓力。現在國內是30MPa，國外已經超過50MPa。

還有一個方向是從鋼制的容器發(fā)展到復合材料的Ⅲ型、Ⅳ型瓶，進一步減輕它的重量，提高運輸效率。另外一個是管道的輸送，包括長距離輸氫管道、場區(qū)內輸氫管道，前者直徑大，后者壓力高。對各種方法進行綜合的比較，我們發(fā)現管道的輸送具有運輸的體量大、輸送距離遠、能耗損失低等優(yōu)點，有望實現氫能經濟規(guī)模的長距離輸送。

全球范圍內氫氣的輸送管道已經超過4600公里，其中最多的國家是美國，總里程已經達到2700km，運行壓力到10.3MPa，主要位于墨西哥灣的沿岸有1000km左右的管線。2001年荷蘭開始天然氣管道摻氫研究，此后歐盟、德國、法國、美國、英國、澳大利亞和中國都開展了天然氣摻氫方面的研究。

我國在工業(yè)管道和專業(yè)管道方面積累了不少經驗，但天然氣摻氫方面相對起步要晚一些。目前國內管道輸氫相關技術研究、技術和標準尚不完善，亟待加強。除了氣態(tài)輸氫外，液態(tài)輸氫也是重要發(fā)展方向。例如日本在開發(fā)液氫的船運，從澳大利亞往日本運液氫。

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高壓儲運規(guī)模化運行的挑戰(zhàn)：安全性與經濟性

全球每年氫氣產量超過7000萬噸，中國是的產氫國。但氫氣從工業(yè)產品到能源是一個巨大的跨越，氫氣的制備方式、運輸距離、氫氣的純度要求、應用領域都將發(fā)生深刻的變化，現有主流的高壓儲運設備大規(guī)模作用于純氫面臨諸多的挑戰(zhàn)，其中安全性和經濟性是必須跨越的兩個門檻。包括：

個問題是高安全。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力、環(huán)境、材料，制造等，影響因素多，機制也非常復雜，亟待開展氫與材料作用機制，高壓、深冷等惡劣氫環(huán)境材料性能數據，低成本、抗氫脆材料，氫能儲輸裝備性能預測和調控技術等方面的研究。在國家重點研發(fā)計劃等項目的持續(xù)支持下，我們團隊持續(xù)開展了高壓氫環(huán)境中材料服役性能的研究，材料包括金屬和非金屬，載荷從靜載荷到沖擊載荷。

第二個問題是輕量化。豐田公司的四型瓶單位質量的儲存密度已達到5.7%，我們國家現在的水準大概在4.5%左右，相差約一個百分點。2020年立項的國家重點專項中，公稱工作壓力70MPa的車載氣瓶質量儲存密度目標是5.0%（包括瓶口閥），距離豐田公司產品依然具有一定的差距。

第三個問題是極化。主要表現在兩個方面，一方面是壓力往上走，美國做的Ⅳ型瓶壓力已經到95MPa，另一方面是溫度往下走，到極低溫，例如液氫儲運裝備的發(fā)展。我國重點專項正在支持液氫制取、儲運與加注關鍵裝備及安全性研究。

第四個問題是低成本，現在加氫站和氫燃料電池汽車對氫能儲運裝備的成本提出了很高的要求。對于固定式儲氫和車載儲氫系統(tǒng)，美國能源部分別制定了成本目標，例如，對于車載儲氫系統(tǒng)，DOE目標是每公斤氫氣266美元。從目前來看，儲氫裝備的成本與DOE的目標還有很大的差距。

總體而言，我國加氫站儲氫高壓容器，已實現自主可控，可以滿足國內加氫站建設的需求，Ⅲ型氫氣瓶已實現批量生產，Ⅳ型氫氣瓶已制定團體標準（國家標準正在報批），即將形成產能。氫氣管道、液氫儲運裝備、氫氣儲運裝備輕量化與國外差距明顯，亟待加強基礎研究，攻克關鍵核心技術，在提高裝備安全性的同時，進一步降低成本，以滿足氫能產業(yè)快速發(fā)展的需求。

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儲運裝備材料的特殊性要求：抗氫脆

研究發(fā)現，同樣型號的奧氏體不銹鋼在同樣壓力（如87.5MPa）的氬氣和氫氣里的斷口特征明顯不同：在氬氣里是典型韌性斷裂的韌窩，而同樣的材料氫氣里就會發(fā)生脆性斷裂。

也就是說，在高壓工作環(huán)境下，氫氣會影響金屬材料的力學性能，這就是氫氣儲運領域面臨的的難題之一——氫脆。因為材料與氫氣長期的接觸，氫會侵入到材料內部，導致金屬材料塑性的損減、裂紋擴展速率的加快和斷裂韌性的下降。

高壓儲氫容器的壓力高達98MPa，高壓氫氣易引起材料氫脆，造成容器突然斷裂甚至爆炸，危害極大；此外，由于氫氣分子小，易泄漏，高壓密封難，侵入傳感材料的氫會導致檢測信號漂移，高壓氫環(huán)境應變檢測難度大。

首先，我們需要了解氫氣與儲氫裝備材料和環(huán)境之間的關系。氫氣的儲運有純氫，也有摻氫天然氣。

對于氫脆的研究，我們希望能夠獲得真實氣體環(huán)境當中材料的性能。通過純氫環(huán)境和天然氣摻氫環(huán)境的比較發(fā)現，在天然氣管網的運行的工況下，摻氫對我們現在常用的材料X70、X80、X52的屈服強度和抗拉強度影響不大，但是會導致材料的斷裂韌性和疲勞性能下降，這些性能的下降，會導致材料對缺陷的敏感性加大，如果有同樣的缺陷，在同樣的狀況下，就有可能導致管道使用的壽命下降。

對于摻氫的天然氣我們研究還發(fā)現，因為摻氫天然氣里面，除了甲烷、氫氣以外，還會有水分、二氧化碳、氧氣等。有的組分會加劇材料的劣化，而有的會延遲或阻礙材料的劣化，我們需要去研究不同的組分對性能劣化的影響。

例如，二氧化碳和氫氣一起會發(fā)生協(xié)同的作用，促進20號鋼的疲勞裂紋擴展速率比氫氣當中還要加快，因此，對于摻氫天然氣，現在世界上面臨的一個問題是：實驗室的項目都是通過一個一個案例來研究，但是還沒有找到一種普適性的可推廣可復制的技術。我們要做的是找出影響安全的條件，如何獲得對材料性能影響的工況。

同樣，氫氣還會對非金屬的性能產生影響，主要是氫致損傷和氫的滲漏，因為氫的分子很少，它有可能通過非金屬來滲漏。

其次，除了材料之外，我們還要關注管道設備和零部件對氫氣或者摻氫天然氣的適應性，如壓縮機、加氫機、閥門、密封接頭等等。

第三個是管道運行安全保障。由于氫氣分子小，容易泄漏，且漏出來以后又跑得快，但是需要去研究摻氫以后，或者在氫氣環(huán)境當中，它的泄漏擴散、燃燒爆炸的特點，需要加強這方面的研究。

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氣態(tài)儲氫裝備的性能要求：抗高壓

由于氫氣的物理和化學性能，固定式儲氫裝備與傳統(tǒng)的氣體裝備相比具有一些特點。以加氫站高壓儲氫設備為例，其典型特征包括：（1）高壓常溫且氫氣純度高，壓力可達98MPa，具有高壓氫環(huán)境氫脆危險；（2）壓力波動頻繁（商用站尤為突出）、波動范圍大，具有疲勞破壞危險；（3）容積大，儲存的壓縮能量多，氫氣易燃易爆，失效危害嚴重；（4）面向公眾，涉及公共安全問題。

對于加氫站高壓儲氫設備的基本要求，包括：（1）耐高壓，壓力超過35兆帕；（2）抗爆抑爆，要求設備在工作狀態(tài)即使失效也不會爆炸，只會泄漏，即只漏不爆；（3）在線檢漏，應該實時監(jiān)測儲氫設備的氫氣泄漏情況，在氫氣泄漏后發(fā)出警報的同時，自動卸壓，安全排放泄漏的氫氣；（4）經濟簡便，材料在滿足安全要求的前提下價格要低，可獲得性好，不使用或減少使用貴重、特殊、不常見的材料；制造工藝簡單，不需要大型、重型裝備；使用方便，操作簡單，少維修等。

加氫站高壓儲氫設備主要有幾類結構形式，類是通過旋壓成型或鍛造成型的單層高壓儲氫容器，這類裝備比較常見，我國現在的這類產品的壓力上升到50MPa，有效容積1000L左右。這類容器容積小，一般采用鉻鉬鋼制造，材料對氫脆敏感。

另外一類是多層高壓儲氫容器，有以下幾種，一種是全多層儲氫高壓容器，主要結構由雙層半球形封頭和鋼帶錯繞筒體構成。經過近20年的努力，我們團隊打通了從技術理論建立、關鍵技術攻克、到檢測氫平臺構建、技術標準制定，再到核心裝備研制、推廣應用的全技術創(chuàng)新鏈。成功研發(fā)了25MPa、50MPa、70MPa、98MPa的全多層儲氫高壓容器。

該類容器的全多層技術解決了高壓氫脆問題，與氫直接接觸的內筒采用抗氫脆性能良好的材料制造，其余部分采用成本較低的普通壓力容器用鋼制造，顯著降低了產品成本。此外，該容器可方便地實現安全狀態(tài)在線監(jiān)測。

98MPa全多層儲氫高壓容器的容器達到1m3，50MPa容器的容積到了7.3m3，已成功應用于豐田常熟加氣站、國家能源集團江蘇如皋加氣站等30多座加氫站。第二種是層板包扎儲氫高壓容器。單層半球形封頭或多層包扎筒體結構，在設計制造的時候仍然引用了目前國內的通用標準，如 JB4732。

以上三種儲氫容器，目前在我國加氫站應用較多，在全國270座加氫站中應用了二千多臺。總體而言，我國已實現加氫站儲氫壓力容器的自主可控，可滿足加氫站的經濟需要。除了以上幾種儲氫容器外，我國還在開發(fā)復合材料儲氫高壓容器，包括Ⅲ型和Ⅳ型瓶。

這種結構的優(yōu)點是抗氫脆，缺點是成本高，單個容器容積受到限制。移動式高壓儲氫裝備主要用于交通領域，如燃料電池乘用車、物流車、大巴車、重卡、軌道交通，移動式儲氫對輕量化要求更高，目前移動式儲氫多采用碳纖維纏繞復合材料氣瓶，一類是鋁內膽碳纖維全纏繞儲氫瓶，即Ⅲ型瓶，另一類是塑料內膽碳纖維全纏繞儲氫瓶，即Ⅳ型瓶。

從質量儲氫密度的角度來看，Ⅳ型瓶要比Ⅲ型瓶更好一些。因為Ⅲ型瓶我國已頒布了GB/T35544-2017國家標準，具備了35MPa、70MPaⅢ型瓶的批量生產能力，有資質的制造企業(yè)超過10家。據初步統(tǒng)計，我國在用的Ⅲ型瓶已超過四萬只。對于Ⅳ型瓶，國外已具備了70MPa氣瓶的批量生產能力，例如挪威的海格斯康公司、日本的豐田公司等。

近年來，我國高度重視Ⅳ型瓶發(fā)展，提出了“優(yōu)生優(yōu)育、先低后高、穩(wěn)步發(fā)展"的技術路線。2019年頒布實施了液化石油氣Ⅳ型瓶產品團體標準，產能已超70萬噸，車載高壓儲氫Ⅳ型瓶產品團體標準也已經發(fā)布，國家標準也已報批，已初步形成生產能力。

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氫能儲運的行業(yè)管理要求：定標準

標準是在科學驗證的基礎上做出的規(guī)范，氫能的儲運涉及到一系列的安全標準。我們知道，目前,我國管束車實施的標準是20MPa，剛剛過渡到30MPa，而國外的產品已到52MPa。

在輸氫管道規(guī)范標準方面，美國機械工程師協(xié)會（ASME)、美國的壓縮氣體協(xié)會（CGA）、歐洲工業(yè)氣體協(xié)會（EIGA）等已經頒布了一些跟氫氣管道相關的標準，在國際上，現在影響比較大的是美國機械工程師協(xié)會頒布的ASME B31.12標準。標準涉及到設計、施工、操作、維護等。

在該標準中，我們舉一個例子來說明氫氣管道跟天然氣管道之間的差異，在ASME里面給出了一個計算公式，這個公式是用來計算某一厚度、直徑、材質的管道能夠承受的壓力的大小，這個公式里面，參數 Hf，這是天然氣管道的計算公式里面沒有的，這個系數是用來反映氫對金屬材料的劣化。

這個系數小于等于1，當X42、X52鋼在13.79MPa壓力以下的時候該系數為1，其他的材料或者在其他的壓力等級下面這個系數都是小于1的。這表明同樣的管道如果輸送氫氣的話，它輸送的壓力要比輸送天然氣的壓力要小，到目前為止國內還沒有完整的氫能管道輸送標準，只是在一些相關的標準里面，給出了一些要求，像氫氣輸送系統(tǒng)的部分、第二部分和第三部分，以及修訂的GB 50516里面也對管道作了一些規(guī)定。

各國標準規(guī)范一定程度上也代表了本國對相關技術的掌握程度，標準也是隨著技術成熟不斷修訂的。

ASME B31.12的前言里面也提到，隨著對氫脆的進一步認識以及數據的積累，將對標準中的有關數據進行完善和修改，說明氫脆是一個全球性的問題。我們需要根據生產技術實際情況不斷修訂和完善相關儲運標準，并加快制定純氫管道以及摻氫管道標準，包括對臨氫材料能夠給出指導性文件。對氫能儲運裝備的設計、建造、運行、維護進行規(guī)范，并包含密封、儲氫容器和管道的風險評估、定期檢驗等等。

氫能必須在安全規(guī)范的標準下運行，而標準的尺度往往決定了行業(yè)發(fā)展的效率與規(guī)模。我們團隊牽頭起草了金屬高壓氫脆檢測評價方法的國家標準，并牽頭制定了首部高壓儲氫容器產品國家標準；建立了國產材料高壓氫脆數據庫，為氫能高壓儲運設備研制提供了關鍵基礎數據。

總體來看，要實現大規(guī)模的氫能儲運，特別是穩(wěn)定可靠的氫能或者摻氫天然氣的管道的輸送，我們還面臨著諸多的挑戰(zhàn)，還需要企業(yè)與科研機構、國內國外科研技術人員不懈的努力。

文章來源：產業(yè)觀察者

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