图4. 氢气压缩机
高压气体储氢的质量储氢密度范围是4.0~5.7wt%,当前高压气态储氢技术比较成熟,是目前最常用的储氢技术。该技术是采用高压将氢气压缩到一个耐高压的容器里。金属高压储氢容器由对氢气有一定抗氢脆能力的金属或者通过复合材料构成,最常用的材质是奥式不锈钢。铜和铝由于在常温附近对氢免疫,不会造成氢脆,也常被选作高压储氢罐的材料。
图5. 全复合材料高压储氢容器
高压气体储氢的成本相对较低,压缩过程耗能低,释放简单快速,是目前技术最为成熟的储氢技术,但是存在体积储氢密度极低的重大缺陷。此外高压气态储氢存在泄漏、爆炸的安全隐患,因此安全性能有待提升。未来,高压气态储氢还需向轻量化、高压化、低成本、质量稳定的方向发展。
高压气态储氢的主要应用领域包括了运输用大型高压储氢容器、加氢站用大型高压储氢容器、燃料电池车用高压储氢罐、通信基站不间断电源用储氢罐、无人机燃料电池用储氢罐等。例如国内某储氢企业为上海世博会加氢站,提供了国内第一台45MPa的氢气储能器,第一台35MPa的移动加氢车,累计为国内加氢站提供储能器50套以上,为国外加氢站提供储能器达240套以上。该企业后又研制出的87.5MPa钢质碳纤维缠绕大容积储氢容器,已示范应用于大连加氢站;研发的35MPa橇装加氢站,将应用于2022年冬奥会;首创35MPa全集成橇装式移动加氢站,推动加氢站商业化运营。
2.1.1.2 低温液态储氢
低温液态储氢是先将氢气液化,然后储存在低温绝热真空容器中。低温绝热技术是低温工程中的一项重要技术,也是实现低温液体储存的核心技术手段,按照是否有外界主动提供能量可分为被动绝热和主动绝热两大方式。被动绝热技术已广泛运用于各种低温设备中; 而主动绝热技术由于需外界的能量输入,虽能达到更好的绝热效果,甚至做到零蒸发存储( Zero boil-off,ZBO) ,但也势必带来一些问题,如需要其他的附加设备而使整套装置的体积与重量增加,制冷机效率低、能耗大、成本高、经济性差。
图6. 液氢储罐和储存系统结构图示
液态氢具有很高的密度,体积比容量大,体积占比小,能够使得储运简单。但把气态的氢变成液态的氢较难,要液化1kg的氢气就要消耗4-10千瓦时的电量。并且,为了能够稳定的储存液态氢,需要耐超低温和保持超低温的特殊容器。该容器需要抗冻、抗压,且必须严格绝热。因此,这种容器除了制造难度大,成本高昂之外,还存在易挥发、运行过程中安全隐患多等问题。
当全球来看,低温液态储氢技术已应用于车载系统中,在全球的加氢站中有较大范围的应用。液氢加氢站在日本、美国及法国市场比较多。目前全球大约有三分之一以上的加氢站是液氢加氢站,氢液化设备主要由美国AP、普莱克斯、德国林德等厂商提供。而我国的液氢工厂仅为航天火箭发射服务,受法规及技术成本所限,还无法应用于民用领域,但相关企业已着手研发相应的液氢储罐、液氢槽车,如航天101所、国富氢能、鸿达兴业、中集圣达因等公司均在研发国产液氢储运产品。相关部门正在研究制订液氢民用标准,未来液氢运输将成为我国氢能发展的大动脉。