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2024-10-06
未来储氢容器的经济与技术挑战
【摘要】：为了达到目前交通工具500km左右的续驶里程，使用燃料电池的车辆的储氢容器至少要有125L的容量；而使用内燃机的车辆，则至少要有250L的容量，这还没有考虑到容器壳体和辅助系统的体积。从经济性考虑，在下个十年内，用于交通工具的压力储氢容器在大批量生产的前提下，其单位预估成本应在60欧元以下，而制作壳体的复合材料的回收成本还需要进一步确定。为了降低风险，欧盟标准致力于压力50bar以下的储氢装置，最大体积为350m3，可以储存400kg的氢气。
压力储氢是一项已被工业界验证过了多年的技术，采用200bar压力下的钢管（约为10N·m3）来配送氢气。不过可以预见，以传统的钢管，采用地面运输方式，配送巨量氢气不是一种经济的方式。因此，许多国家的研究机构和世界领先的气体生产和配送公司已经开始着手开发用于交通应用的特殊容器，分350bar和700bar两种工况。
这些储氢容器的技术方案一致，包括：
1）外壳对腐蚀环境（比如酸）具有高机械抗力，同时又很轻；采用高质量碳纤维强化合成制成。
2）内壳，或称“内胆”，由聚合物或者轻金属（比如铝）制成；就水密性或气密性而言，这是最好的材料。为了制定规范，对材料性能，尤其的机械性能和爆破性能，已经进行过多次抗力和安全测试。
从能量角度看，采用压力储氢有很好的经济性，因为将氢气分别压缩到350bar和700bar，理论上仅消耗储存能量的9%和13%。不过，给容器加压意味着气体在快速压缩过程中内部温度的升高，这点必须要考虑到。因此，在设计容器时，必须考虑到200℃以上的温度时，所用材料的机械性能。在快速储氢过程中增加液氮冷却气态氢气环节，不失为解决温升的一种方案。
为了达到目前交通工具500km左右的续驶里程，使用燃料电池（FC）的车辆的储氢容器至少要有125L的容量；而使用内燃机（ICE）的车辆，则至少要有250L的容量，这还没有考虑到容器壳体和辅助系统的体积。从经济性考虑，在下个十年内，用于交通工具的压力储氢容器在大批量生产的前提下，其单位预估成本应在60欧元以下，而制作壳体的复合材料的回收成本还需要进一步确定。
在固定应用中，目前已经开发了用于储存高压（50～180bar）氢气的大容量装置，主要是为了满足氢气生产和配送公司的需求。通常采用圆柱形结构（比如，4500m3，长20m左右，压力为50bar），或者采用球形结构。为了降低风险，欧盟标准致力于压力50bar以下的储氢装置，最大体积为350m3，可以储存400kg的氢气。
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