1.2.1 高壓氣瓶

根據高壓儲氫容器的不同使用要求，高壓儲氫可分為固定式高壓儲氫和移動式高壓儲氫（車載輕質高壓儲氫和運輸用高壓儲氫）。

（1）固定式高壓儲氫

固定式高壓儲氫主要應用于加氫站儲氫，是為適應氫氣大規模、低成本儲存的要求發展起來的。據H2stations.org的統計，截至2020年底，全球共建成加氫站553座，其中約430座加氫站采用高壓儲氫技術。同年底，中國共建有118個加氫站（不包括3個拆除的加氫站），投產率超過85%，均采用高壓儲氫技術，其中大部分，如安亭加氫站、張家口加氫站、東華能源加氫站等采用35MPa的加氫標準，少部分如常熟豐田加氫站采用70MPa加氫標準，而其他國家地區大部分（如德國漢堡港口新城加氫站、美國加利福尼亞本田加氫站）等均采用70MPa的加氫標準。

氫氣的存儲是加氫站中最重要的一環，一般有兩種存儲類型：一種是使用較大容積的壓力容器進行存儲；另一種是采用小容積的壓力容器組進行存儲。加氫站站內儲氫系統所用高壓儲氫容器主要分為無縫高壓儲氫容器和鋼帶錯繞式高壓儲氫容器兩種。其中，前者主要是45MPa大容積鋼制無縫儲氫容器，該類儲氫容器組參照美國機械工程師協會（American Society of Mechanical Engineers, ASME）標準及TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》的要求進行設計制造，主體材質為4130X高強度結構鋼[1]，單個容器公稱容積為0.895m3。后者一般是大容積多層鋼制高壓儲氫容器，例如浙江大學設計的容積為1～20m3的50MPa與98MPa壓力容器，具體參數見表1-2。由于加氫站主要利用儲氫容器和車載供氫系統間的壓力差進行加氫，因此其最高設計壓力等級通常與加注車輛車載儲氫的壓力等級相匹配，除了利用長管拖車作為20MPa移動儲氫設施外，35MPa加氫站站內最高固定儲氫設計壓力一般取45MPa、47MPa、50MPa，而70MPa加氫站站內最高固定儲氫設計壓力一般取82MPa、87.5MPa、98MPa、103MPa[2]。通常情況下，加氫站內所用的儲氫容器采用低壓（20～30MPa）、中壓（30～40MPa）和高壓（40～75MPa）三級壓力進行儲氫，有時氫氣長管拖車也作為一級儲氣（10～20MPa）設施，構成4級儲氣的方式[3]。

（2）移動式高壓儲氫

在移動式高壓儲氫中，運輸用高壓儲氫容器主要用于將氫氣由產地運往使用地或加氫站，而車載輕質高壓儲氫則是為適應氫能汽車移動式供氫要求發展而來的。運輸用高壓儲氫容器早期多采用長管拖車來運輸，其由數個旋壓收口成型的高壓容器組成，氫氣存儲壓力為16～21MPa，整車運輸氫氣量一般不超過380kg。為進一步增大單車運輸氫氣量，降低運輸成本，國外部分研究單位開始將纏繞技術用于研制運輸用高壓儲氫容器，并成功開發了相關產品。如2008年Spencer復合材料有限公司成功研制玻璃纖維全纏繞結構的低成本大容器高壓儲氫容器，挪威Hexagon Lincoln復合材料有限公司也成功開發出碳纖維纏繞結構大容積高壓儲氫容器，其工作壓力為25MPa，單臺有效容積達8.5m3，儲氫量約150kg。隨后，該公司又研制出公稱壓力達25～54MPa的纖維全纏繞高壓儲氫容器，并將其應用于長管拖車，單車運輸氫氣量達560～720kg。在我國，石家莊安瑞科氣體機械有限公司生產的20MPa大容積鋼質無縫壓力容器應用較為廣泛。

為保障氫燃料電池汽車的續駛里程，車載輕質高壓儲氫需在車用有限空間中最大限度地存儲盡可能多的氫氣，這便對車載高壓儲氫容器提出了更高的要求。2003年美國能源部（Department of Energy, DOE）提出的車載輕質高壓儲氫單位質量和單位體積儲氫密度要求分別為6wt%[1] H2和60kg H2/m3，但考慮到現有示范成果的技術基礎、成本等因素，DOE隨后對這一目標做出了修正?，F階段DOE針對輕型燃料電池車輛車載儲氫的技術指標目標為：到2020年，質量儲氫密度（系統）達到4.5wt%，體積儲氫密度（系統）達到30g/L；到2025年，質量密度（系統）達到5.5wt%，體積密度（系統）達到40g/L；最終質量密度（系統）要達到6.5wt%，體積密度（系統）應達到50g/L。為達到這一目標，車載高壓儲氫容器不僅要輕，而且儲氫壓力還要高。國外許多企業近年來已研制出多種規格型號的復合材料高壓儲氫容器，其高壓儲氫容器的設計制造技術已處于世界領先水平。日本汽車研究所已開發出儲氫壓力達35MPa和70MPa的復合材料高壓儲氫瓶，但70MPa氣瓶的儲氫能力較35MPa氣瓶僅增加60%，其極限儲氫能力和密閉性能還有待進一步提高和完善。豐田最新款氫燃料電池車“Mirai二代”所搭載的70MPa Ⅳ型儲氫瓶數量，從一代的2個變成3個（布置圖如圖1-3所示），儲氫密度從5.7wt%提升至6.0wt%，儲氫容量從122.4L提高至142.2L，儲氫量增加到5.6kg。韓國現代公司的Nexo燃料電池汽車，也搭載了3個70MPa儲氫瓶（布置圖如圖1-4所示），儲氫容量為156.6L，共儲存6.33kg氫氣，儲氫質量密度為5.7wt%。在我國，車載儲氫瓶的研發和設計工作開始于“十五”期間，相較于國外起步較晚。浙江大學化工機械研究所在國內率先試制成功了工作壓力40MPa，容積在0.1～100L的高壓儲氫瓶。同濟大學開發了35MPa與70MPa的鋁合金內膽復合材料儲氫瓶，并已小批量應用于上汽研發的榮威950燃料電池轎車。此外，北京天海公司和北京科泰克科技公司分別開發的54L和65L鋁內膽儲氫瓶，儲氫壓力達到70MPa?，F階段，國內只有一家企業弗吉亞斯林達取得了高壓塑料內膽復合材料儲氫瓶的生產制造許可，其余企業均處于探索階段。

在高壓儲氫技術實際運用中，值得注意的是，氫氣在高溫低壓時可被認為是理想氣體，通過理想氣體狀態方程PV=nRT可計算其在不同溫度和壓力時的質量。然而，由于實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的升高，氫氣將偏離理想氣體的性質，范德華方程不再適用。實際氣體與理想氣體的偏差在熱力學上可用氣體壓縮因子Z表示，定義為Z=PV/nRT。從圖1-5可看出，在0℃時，氫氣的壓縮因子隨壓力的增加而增大，這意味著隨著壓力的增大，氫氣越來越難被壓縮[4]。因此，為達到更高的氫氣儲存量，實現DOE的技術指標或更高的質量儲氫和體積儲氫目標，將需要更高的儲氫壓力，這也對壓力容器提出了更高的要求。在滿足安全性的前提下，需通過改進儲氫容器的材料和結構來進一步提高容器的儲氫壓力以增大儲氫密度，同時降低儲氫容器的成本，以滿足商業應用。

高壓氣態運輸是將氫氣加壓后儲存在大容積壓力容器內，將容器裝載在交通工具上來運輸。常溫下氣態氫的密度極低，高壓容器能夠裝載的氫氣質量通常只占運輸設備總質量的1%～2%，同時考慮到氫滲透帶來的質量損失，運輸的時空距離越長，經濟性越差，因此高壓容器運氫方式僅適用于短距離、小需求的陸路運輸場景。

1）運輸方式。高壓氣態氫氣主要通過集裝格與長管拖車運輸。集裝格是將多個小容積的工業鋼瓶以直立或躺臥的形式集裝在金屬結構框架中，單個鋼瓶容積約40L，壓力為15～20MPa，通常有12～28瓶組不同規格。雖然這種方式的空間利用率低、質量運輸效率低，僅適用于50kg以下氫氣的運輸，但勝在應用簡單、靈活，且能夠使用貨車等常規車輛，一次性運輸多個集裝格。

長管拖車裝載數個圓柱形無縫高壓鋼瓶進行運輸，按照容器在拖車上的固定方式可分為捆綁式與集裝箱式。捆綁式長管拖車的氣瓶通過捆綁固定在半掛車上，兩端依靠支撐板固定，由于省去了固定框架的重量，能夠裝載更多的容器，運輸效率更高，但對公路的要求較高[5]，如圖1-6所示。集裝箱式長管拖車是將多個無縫壓力容器頭部連通，裝配在標準的集裝箱框架內，配備有相應的控制閥門、測量儀器、連接管道與安全裝置，便于整體裝卸，卸下的集裝管束可直接作為加氫站的氣源使用，集裝箱式長管拖車現已成為氫氣近距離運輸的主要工具。

2）運輸路徑。氣態氫通過長管拖車輸送的路徑如圖1-7所示。集中式工廠生產的氫氣可以通過管道輸送到長管拖車裝載終端；而在半集中式生產過程中，生產裝置與配氣站或城門站位于同一地點，制得的氫可利用配氣站的裝載間直接注入長管拖車，而富余的氫氣則存入用于應對季節需求變化的儲存系統。長管拖車將壓縮氫氣運至加氫站，利用壓縮機從長管拖車中提取氫氣，補充至加氫站的高壓緩沖儲存系統，用于車輛的加注。

3）發展及應用現狀。目前，我國多數應用工作壓力為20MPa的鋼制大容積無縫壓力容器長管拖車，材料為4130X（CrMo鋼），單車可運氫300～400kg，成本約為2元/kg，運氫的經濟距離為150km以內[7]。一種常用的管束由9個工作壓力為20MPa、直徑約為0.5m、長約10m的鋼制容器組成，共可充裝氫氣3500Nm3[8]。鋼制容器得到廣泛應用的原因之一是其制造成本較低，但鋼材密度大，且容易受到氫脆問題影響，如果要進一步提升工作壓力，容器的壁厚與重量也要相應增加，受到道路承重的限制，難以進一步提升單程運載量。目前，用于指導高壓氣體道路運輸的標準法規包括GB/T 34542《氫氣儲存輸送系統》系列標準、TSG R0005—2011《移動式壓力容器安全技術監察規程》、GB/T 33145—2016《大容積鋼質無縫氣瓶》、NB/T 10354—2019《長管拖車》等，對于運輸用大容積纖維纏繞壓力容器還未有相應標準出臺。

纖維纏繞壓力容器相比鋼制容器具有更低的密度、更薄的壁厚以及更高的強度，是提高氫氣運輸效率的有效技術手段。浙江藍能已研發出9管的20MPa大容積Ⅱ型（鋼內膽、碳纖維纏繞）管束箱并投放市場，充裝質量達549kg，與原有的7管Ⅰ型管束相比，充裝質量提高42.6%的同時整車質量降低了14%。國際上，纖維纏繞壓力容器已得到廣泛使用，其中也包含Ⅲ型（鋁合金內膽）與Ⅳ型（塑料內膽）容器，工作壓力最高可達50MPa，單車運氫量可達700～1000kg[9]。國際上相應的指導法規包括美國交通部DOT標準、ISO 11120:2015《150～3000L無縫鋼質氣瓶設計、制作和試驗標準》、ISO 11515:2013《450～3000L復合增強氣瓶設計、制作和試驗標準》、BN EN ISO 11114-4:2017《移動氣瓶-氣瓶和瓶閥材料與盛裝氣體的相容性》等。

4）面臨挑戰。當前長管拖車運輸高壓氫氣仍面臨一定技術難題：

①同加氫站內的高壓容器一樣，拖車使用的長管容器同樣需要考慮壓力循環、充裝溫升對其強度的影響。由于運輸過程中車體發生振動，還需要考慮動載荷的影響，采取相應的減振措施。

②最小儲存壓力和壓縮機的流量決定了加注所需的時間，需要對配氣終端操作進行詳細分析，以估計所需的壓縮和儲存壓力以及最佳操作壓力。

③為了在盡可能短的時間內對長管拖車進行加注，需要提高壓縮機的壓縮能力，而目前市面上缺乏具備足夠大流量且能夠可靠運行的氫氣壓縮機。