1.2.1 高压气瓶

根据高压储氢容器的不同使用要求，高压储氢可分为固定式高压储氢和移动式高压储氢（车载轻质高压储氢和运输用高压储氢）。

（1）固定式高压储氢

固定式高压储氢主要应用于加氢站储氢，是为适应氢气大规模、低成本储存的要求发展起来的。据H2stations.org的统计，截至2020年底，全球共建成加氢站553座，其中约430座加氢站采用高压储氢技术。同年底，中国共建有118个加氢站（不包括3个拆除的加氢站），投产率超过85%，均采用高压储氢技术，其中大部分，如安亭加氢站、张家口加氢站、东华能源加氢站等采用35MPa的加氢标准，少部分如常熟丰田加氢站采用70MPa加氢标准，而其他国家地区大部分（如德国汉堡港口新城加氢站、美国加利福尼亚本田加氢站）等均采用70MPa的加氢标准。

氢气的存储是加氢站中最重要的一环，一般有两种存储类型：一种是使用较大容积的压力容器进行存储；另一种是采用小容积的压力容器组进行存储。加氢站站内储氢系统所用高压储氢容器主要分为无缝高压储氢容器和钢带错绕式高压储氢容器两种。其中，前者主要是45MPa大容积钢制无缝储氢容器，该类储氢容器组参照美国机械工程师协会（American Society of Mechanical Engineers, ASME）标准及TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》的要求进行设计制造，主体材质为4130X高强度结构钢[1]，单个容器公称容积为0.895m3。后者一般是大容积多层钢制高压储氢容器，例如浙江大学设计的容积为1～20m3的50MPa与98MPa压力容器，具体参数见表1-2。由于加氢站主要利用储氢容器和车载供氢系统间的压力差进行加氢，因此其最高设计压力等级通常与加注车辆车载储氢的压力等级相匹配，除了利用长管拖车作为20MPa移动储氢设施外，35MPa加氢站站内最高固定储氢设计压力一般取45MPa、47MPa、50MPa，而70MPa加氢站站内最高固定储氢设计压力一般取82MPa、87.5MPa、98MPa、103MPa[2]。通常情况下，加氢站内所用的储氢容器采用低压（20～30MPa）、中压（30～40MPa）和高压（40～75MPa）三级压力进行储氢，有时氢气长管拖车也作为一级储气（10～20MPa）设施，构成4级储气的方式[3]。

（2）移动式高压储氢

在移动式高压储氢中，运输用高压储氢容器主要用于将氢气由产地运往使用地或加氢站，而车载轻质高压储氢则是为适应氢能汽车移动式供氢要求发展而来的。运输用高压储氢容器早期多采用长管拖车来运输，其由数个旋压收口成型的高压容器组成，氢气存储压力为16～21MPa，整车运输氢气量一般不超过380kg。为进一步增大单车运输氢气量，降低运输成本，国外部分研究单位开始将缠绕技术用于研制运输用高压储氢容器，并成功开发了相关产品。如2008年Spencer复合材料有限公司成功研制玻璃纤维全缠绕结构的低成本大容器高压储氢容器，挪威Hexagon Lincoln复合材料有限公司也成功开发出碳纤维缠绕结构大容积高压储氢容器，其工作压力为25MPa，单台有效容积达8.5m3，储氢量约150kg。随后，该公司又研制出公称压力达25～54MPa的纤维全缠绕高压储氢容器，并将其应用于长管拖车，单车运输氢气量达560～720kg。在我国，石家庄安瑞科气体机械有限公司生产的20MPa大容积钢质无缝压力容器应用较为广泛。

为保障氢燃料电池汽车的续驶里程，车载轻质高压储氢需在车用有限空间中最大限度地存储尽可能多的氢气，这便对车载高压储氢容器提出了更高的要求。2003年美国能源部（Department of Energy, DOE）提出的车载轻质高压储氢单位质量和单位体积储氢密度要求分别为6wt%[1] H2和60kg H2/m3，但考虑到现有示范成果的技术基础、成本等因素，DOE随后对这一目标做出了修正。现阶段DOE针对轻型燃料电池车辆车载储氢的技术指标目标为：到2020年，质量储氢密度（系统）达到4.5wt%，体积储氢密度（系统）达到30g/L；到2025年，质量密度（系统）达到5.5wt%，体积密度（系统）达到40g/L；最终质量密度（系统）要达到6.5wt%，体积密度（系统）应达到50g/L。为达到这一目标，车载高压储氢容器不仅要轻，而且储氢压力还要高。国外许多企业近年来已研制出多种规格型号的复合材料高压储氢容器，其高压储氢容器的设计制造技术已处于世界领先水平。日本汽车研究所已开发出储氢压力达35MPa和70MPa的复合材料高压储氢瓶，但70MPa气瓶的储氢能力较35MPa气瓶仅增加60%，其极限储氢能力和密闭性能还有待进一步提高和完善。丰田最新款氢燃料电池车“Mirai二代”所搭载的70MPa Ⅳ型储氢瓶数量，从一代的2个变成3个（布置图如图1-3所示），储氢密度从5.7wt%提升至6.0wt%，储氢容量从122.4L提高至142.2L，储氢量增加到5.6kg。韩国现代公司的Nexo燃料电池汽车，也搭载了3个70MPa储氢瓶（布置图如图1-4所示），储氢容量为156.6L，共储存6.33kg氢气，储氢质量密度为5.7wt%。在我国，车载储氢瓶的研发和设计工作开始于“十五”期间，相较于国外起步较晚。浙江大学化工机械研究所在国内率先试制成功了工作压力40MPa，容积在0.1～100L的高压储氢瓶。同济大学开发了35MPa与70MPa的铝合金内胆复合材料储氢瓶，并已小批量应用于上汽研发的荣威950燃料电池轿车。此外，北京天海公司和北京科泰克科技公司分别开发的54L和65L铝内胆储氢瓶，储氢压力达到70MPa。现阶段，国内只有一家企业弗吉亚斯林达取得了高压塑料内胆复合材料储氢瓶的生产制造许可，其余企业均处于探索阶段。

在高压储氢技术实际运用中，值得注意的是，氢气在高温低压时可被认为是理想气体，通过理想气体状态方程PV=nRT可计算其在不同温度和压力时的质量。然而，由于实际气体分子体积和分子相互作用力的原因，随着温度的降低和压力的升高，氢气将偏离理想气体的性质，范德华方程不再适用。实际气体与理想气体的偏差在热力学上可用气体压缩因子Z表示，定义为Z=PV/nRT。从图1-5可看出，在0℃时，氢气的压缩因子随压力的增加而增大，这意味着随着压力的增大，氢气越来越难被压缩[4]。因此，为达到更高的氢气储存量，实现DOE的技术指标或更高的质量储氢和体积储氢目标，将需要更高的储氢压力，这也对压力容器提出了更高的要求。在满足安全性的前提下，需通过改进储氢容器的材料和结构来进一步提高容器的储氢压力以增大储氢密度，同时降低储氢容器的成本，以满足商业应用。

高压气态运输是将氢气加压后储存在大容积压力容器内，将容器装载在交通工具上来运输。常温下气态氢的密度极低，高压容器能够装载的氢气质量通常只占运输设备总质量的1%～2%，同时考虑到氢渗透带来的质量损失，运输的时空距离越长，经济性越差，因此高压容器运氢方式仅适用于短距离、小需求的陆路运输场景。

1）运输方式。高压气态氢气主要通过集装格与长管拖车运输。集装格是将多个小容积的工业钢瓶以直立或躺卧的形式集装在金属结构框架中，单个钢瓶容积约40L，压力为15～20MPa，通常有12～28瓶组不同规格。虽然这种方式的空间利用率低、质量运输效率低，仅适用于50kg以下氢气的运输，但胜在应用简单、灵活，且能够使用货车等常规车辆，一次性运输多个集装格。

长管拖车装载数个圆柱形无缝高压钢瓶进行运输，按照容器在拖车上的固定方式可分为捆绑式与集装箱式。捆绑式长管拖车的气瓶通过捆绑固定在半挂车上，两端依靠支撑板固定，由于省去了固定框架的重量，能够装载更多的容器，运输效率更高，但对公路的要求较高[5]，如图1-6所示。集装箱式长管拖车是将多个无缝压力容器头部连通，装配在标准的集装箱框架内，配备有相应的控制阀门、测量仪器、连接管道与安全装置，便于整体装卸，卸下的集装管束可直接作为加氢站的气源使用，集装箱式长管拖车现已成为氢气近距离运输的主要工具。

2）运输路径。气态氢通过长管拖车输送的路径如图1-7所示。集中式工厂生产的氢气可以通过管道输送到长管拖车装载终端；而在半集中式生产过程中，生产装置与配气站或城门站位于同一地点，制得的氢可利用配气站的装载间直接注入长管拖车，而富余的氢气则存入用于应对季节需求变化的储存系统。长管拖车将压缩氢气运至加氢站，利用压缩机从长管拖车中提取氢气，补充至加氢站的高压缓冲储存系统，用于车辆的加注。

3）发展及应用现状。目前，我国多数应用工作压力为20MPa的钢制大容积无缝压力容器长管拖车，材料为4130X（CrMo钢），单车可运氢300～400kg，成本约为2元/kg，运氢的经济距离为150km以内[7]。一种常用的管束由9个工作压力为20MPa、直径约为0.5m、长约10m的钢制容器组成，共可充装氢气3500Nm3[8]。钢制容器得到广泛应用的原因之一是其制造成本较低，但钢材密度大，且容易受到氢脆问题影响，如果要进一步提升工作压力，容器的壁厚与重量也要相应增加，受到道路承重的限制，难以进一步提升单程运载量。目前，用于指导高压气体道路运输的标准法规包括GB/T 34542《氢气储存输送系统》系列标准、TSG R0005—2011《移动式压力容器安全技术监察规程》、GB/T 33145—2016《大容积钢质无缝气瓶》、NB/T 10354—2019《长管拖车》等，对于运输用大容积纤维缠绕压力容器还未有相应标准出台。

纤维缠绕压力容器相比钢制容器具有更低的密度、更薄的壁厚以及更高的强度，是提高氢气运输效率的有效技术手段。浙江蓝能已研发出9管的20MPa大容积Ⅱ型（钢内胆、碳纤维缠绕）管束箱并投放市场，充装质量达549kg，与原有的7管Ⅰ型管束相比，充装质量提高42.6%的同时整车质量降低了14%。国际上，纤维缠绕压力容器已得到广泛使用，其中也包含Ⅲ型（铝合金内胆）与Ⅳ型（塑料内胆）容器，工作压力最高可达50MPa，单车运氢量可达700～1000kg[9]。国际上相应的指导法规包括美国交通部DOT标准、ISO 11120:2015《150～3000L无缝钢质气瓶设计、制作和试验标准》、ISO 11515:2013《450～3000L复合增强气瓶设计、制作和试验标准》、BN EN ISO 11114-4:2017《移动气瓶-气瓶和瓶阀材料与盛装气体的相容性》等。

4）面临挑战。当前长管拖车运输高压氢气仍面临一定技术难题：

①同加氢站内的高压容器一样，拖车使用的长管容器同样需要考虑压力循环、充装温升对其强度的影响。由于运输过程中车体发生振动，还需要考虑动载荷的影响，采取相应的减振措施。

②最小储存压力和压缩机的流量决定了加注所需的时间，需要对配气终端操作进行详细分析，以估计所需的压缩和储存压力以及最佳操作压力。

③为了在尽可能短的时间内对长管拖车进行加注，需要提高压缩机的压缩能力，而目前市面上缺乏具备足够大流量且能够可靠运行的氢气压缩机。