【氫能】儲氫技術新拐點：零部件國產化利好Ⅳ型瓶，固態儲氫潛力可期
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北京天海氫能裝備有限公司總工程師岳增柱老師作《IV型車載儲氫氣瓶關鍵技術與應用》報告，復材網期待與大家一起聆聽！
氣液固三條儲氫路線特點不同，有各自適應場景
氫氣的儲存方式主要有氣態儲氫、液態儲氫和固態儲氫三種形式。氣態儲氫技術相對成熟，主要通過高壓儲氫瓶實現；液態儲氫和固態儲氫技術尚未實現商業化，但近年來持續有技術進展，具備發展潛力。
高壓氣態儲氫是指通過高壓將氫氣壓縮到一個耐高壓的容器或地下儲氣庫中，其儲氫量與儲存壓力成正比。目前應用最多的容器是儲氣罐和車載儲氫瓶，壓力通常分為35MPa和70MPa兩個級別。氣態儲氫在當前所有儲氫路線中應用最為廣泛，當下制約國內高壓儲氫進一步發展的主要因素是儲氫瓶部分材料、工藝、零部件仍然依賴進口，國產替代品性能仍有差距。
液態儲氫包含低溫液態儲氫和有機液態儲氫兩種技術路線。低溫液態儲氫基本原理是將氫氣壓縮冷卻至-253℃使其液化，并儲存在低溫絕熱容器中，液氫密度可達70.78kg/m³。該技術具備儲量大、純度高、占地小、充裝快等優勢，但氫氣液化溫度低，導致液化過程能耗高，液化1kg的氫氣需要耗電4-10千瓦時，且需要特殊的抗凍、抗壓、高絕熱儲氫容器，綜合成本居高不下，因此應用限制在航空等少數場景，未能拓展至民用領域。
有機液態儲氫是利用氫氣與有機介質發生可逆化學反應，實現氫的儲存和釋放。烯烴、炔烴、芳烴等不飽和液態有機物是目前較為常見的有機液態儲氫材料。該技術具備穩定性高、安全性好、儲氫密度大、儲氫介質可循環使用等優勢，但存在脫氫溫度高、效率低、能耗大等問題。受制于高昂的成本，目前兩條液態儲氫路線仍處于研發示范階段。
固態儲氫是近年來的新亮點，分為物理吸附儲氫和化學儲氫兩種路線。物理吸附儲氫是指通過范德華力將氫氣分子吸附在固體表面，儲氫材料包括碳基材料、無機多孔材料和金屬有機骨架化合物等，其缺點主要在于大多數物理吸附類材料在較低的溫度下才能達到一定的儲氫密度，常溫常壓下吸氫量很低?；瘜W儲氫材料主要包括金屬氫化物、配位氫化物、化學氫化物等。其中，金屬氫化物因其高氫儲存容量和良好的循環穩定性而成為研究重點。固態儲氫可在接近常溫常壓的環境中完成儲放，兼具體積儲氫密度高、可逆性、循環壽命高、安全性好、供氫純度高等優點，應用前景為市場所看好。
中國能建華北電力設計院高級工程師田江南對第一財經表示，三種儲氫路線有各自適用的應用場景，沒有孰優孰劣之分。他指出，氫能儲運成本與儲運距離和儲運量有密切關系，短距離、低用量的氫氣需求（運距200km以內）適合高壓氣態儲運和固態合金儲運，但前者需要用氫端投資建設高壓氫氣存儲設施；中距離低用量的氫氣需求（運距200-500km以內）適合液氫儲運，但目前氫氣液化成本仍然較高，另外需考慮液氫日常儲存過程中產生的汽化損失；長距離高用量的氫氣需求（運距大于500km）適合長輸管道運輸，但是氫氣長輸管道初始投資較高。
Ⅳ型瓶性能成本更優，但取代Ⅲ型瓶仍待時日
儲氫瓶是高壓氣態儲氫的關鍵載體，也是氫儲運中商業化程度較高的環節。當前國內車載儲氫瓶仍以35MPa的Ⅲ型瓶為主，已經批量應用；Ⅳ型儲氫瓶不斷取得研發進展，迎來了國家標準規范，正在加速發展，是下階段值得關注的重點。
二者主要區別在于Ⅲ型瓶內膽材料為鋁合金，Ⅳ型瓶內膽材料為高復合塑料；共同點在于外部均為全向纏繞碳纖維復合材料。與Ⅲ型儲氫瓶相比，Ⅳ型儲氫瓶具備更多優點：
自重輕：Ⅲ型瓶重容比約為0.98，Ⅳ型瓶重容比約為0.74，重容比越小，相同容積下儲氫瓶的質量越輕，從而可以提高有效載荷；
儲氫量高：Ⅳ型瓶的儲氫密度在6%以上，Ⅲ型瓶的儲氫密度在4%左右，儲氫密度越大，同等質量的儲氫瓶儲存的氫氣越多；
壽命長：Ⅳ型瓶的內膽是塑料材質，更不易疲勞失效，使用年限可延長至15年；
氫脆風險低：Ⅳ型儲氫瓶的內膽通常采用高復合塑料，相比Ⅲ型瓶的金屬內膽更耐腐蝕，可以有效避免應力腐蝕和氫脆現象。
Ⅳ型儲氫瓶不僅性能更優，成本也低于Ⅲ型儲氫瓶。根據中國科學院寧波材料技術與工程研究所近期的測算，35MPa、70MPa的儲氫Ⅲ型瓶成本價格分別為3084美元、3921美元，而35MPa、70MPa的儲氫Ⅳ型瓶成本價格分別為2865美元和3486美元，分別低7%和11%。
其主要原因有三點：
內膽材料：Ⅳ型瓶的內膽采用高復合塑料，如聚酰胺（PA）或高密度聚乙烯（HDPE），相比Ⅲ型瓶的金屬鋁內膽，在單位質量上的價格更低，且易于成型，從而降低了整體制造成本；
纏繞工藝：Ⅳ型瓶的塑料內膽不需要熱處理，且成型更加容易，相比Ⅲ型瓶的金屬內膽，其纏繞工藝更為簡便，降低了制造成本；
材料節約性：碳纖維是儲氫瓶成本的最主要部分，Ⅳ型瓶在設計時可以提高碳纖維復合材料利用率，減少材料的使用量，從而降低成本，隨著纏繞設備的生產效率、現行設計的精準度等方面的提升，Ⅳ型瓶的成本優勢將更加明顯。
2023年5月23日，我國國家標準《車用壓縮氫氣塑料內膽碳纖維全纏繞氣瓶》發布，于2024年6月1日正式實施，標志著Ⅳ型瓶的標準化向前邁進了重要一步，產業化進程有望加速。
但這并不意味著Ⅳ型瓶替代Ⅲ型瓶的進程會一蹴而就。
在今年6月的2024國際氫能與燃料電池汽車大會上，中材科技副總經理李樺圣表示，在35MPa的工作壓力下，大容積Ⅲ型瓶與Ⅳ型瓶子相比更具成本優勢，對于公交車、城市物流車、專用車等對輕量化和續航并不會有很高要求的車型，35MPa的Ⅲ型瓶方案基本可以滿足運營需求，Ⅳ型瓶的性能優勢并不明顯。而在70MPa的工作壓力下，Ⅳ型瓶輕量化、低成本的優勢才得以凸顯。重卡車型對于輕量化和續航需求就更高，大容積、高壓力的Ⅳ型瓶產品在重卡領域可能也會擁有更多機會。
此外，也有業內分析指出，Ⅳ型瓶的塑料內膽與金屬接頭之間密封可靠性不足、塑料內膽剛度偏低、對溫度更敏感的問題也有待進一步解決。
以此判斷，Ⅲ型瓶和Ⅳ型瓶在未來一段時間內將形成錯位競爭關系，而非完全替代。
儲氫瓶廠商中，中集安瑞科是能源儲運設備的生產廠商和工程服務廠商，其業務覆蓋整個氫能產業鏈，包括高壓管束氫氣運輸車、液氫儲罐、加氫機等設備的生產。公司2021年與Hexagon Purus AS合作，計劃建立年產能約為10萬個儲氫瓶的生產線，并預計在2024年投產。
中材科技已建設完成年產10萬只氫氣瓶智能化纏繞生產線，并具備3萬只儲氫瓶產能，計劃在“十四五”末期形成20萬只產能。公司是國內首家既掌握70MPa IV型儲氫氣瓶關鍵核心技術、擁有自主知識產權，又同時具備自動化批量生產能力的企業。
京城股份子公司天海工業2021年推出具有完全自主知識產權的新一代車載儲氫IV型瓶，已建成一條柔性化IV型瓶生產線。
國富氫能是國內較早開展IV型儲氫瓶技術研發的企業之一，已經實現70MPa IV型儲氫瓶的量產，并在2022年建成氫能裝備產業基地二期IV型瓶產線，產能可達1萬只。
碳纖維國產化已見成效，部分零部件仍依賴進口
Ⅳ型儲氫瓶推廣的另一大障礙在于其原材料、制造工藝、核心零部件尚未完全實現國產化。
碳纖維復合材料是儲氫瓶成本的最主要構成部分，占比60%-80%。早期，高壓儲氫瓶用碳纖維采用的T700、T800碳纖維主要由日本東麗供應。近年來，隨著國內企業中復神鷹、光威復材、吉林化纖取得技術突破，國產高性能碳纖維產能、質量等方面均有了顯著提升，打破了國外壟斷。
其中，中復神鷹已建成國內首條具有自主知識產權的千噸級干噴濕紡碳纖維產業化生產線，掌握了T300級、T700級、T800級等碳纖維的千噸級技術和T1000級百噸級技術。光威復材今年2月接受投資者調研時稱，公司T700S級/T800S級目前2000噸產能處于滿產狀態。
碳纖維復合材料的纏繞工藝也對Ⅳ型儲氫瓶的制造過程起到關鍵作用。良好的纏繞工藝不僅能減少碳纖維的使用量，從而降低成本，還能有效增強復合材料的耐壓能力，進而提升儲氫瓶的整體性能和使用壽命。目前，國內廠商在纏繞設備的工作效率、設計精準度以及材料利用效率等方面，仍有待進一步提高和優化。
瓶口閥是儲氫瓶的另一重要零部件，集成了TPRD、電磁閥、壓力傳感器、溫度傳感器等功能部件，起到密封、降壓穩壓、溫度壓力實時監測等作用。瓶口閥需要避免發生侵蝕氫脆，技術難度較高。Ⅳ型儲氫瓶的可靠密封技術是決定其儲氫安全的關鍵。
國內70MPa的Ⅳ型瓶所應用的瓶口閥目前以進口為主，主要供應商包括加拿大GFI、意大利OMB和美國Luxfer等公司，成本較高，為35MPa的Ⅲ型儲氫瓶瓶口閥的3-5倍。國內瓶口閥廠商如未勢能源、富瑞特裝、江蘇神通等正在開展Ⅳ型瓶瓶口閥相關研發，但設計、制造和測試方面與國外尚存差距，大部分處于送樣階段，未形成批量供應能力。
Ⅳ型儲氫瓶的內膽通常采用高復合塑料材料，研發內膽材料和精進成型工藝是實現Ⅳ型儲氫瓶國產化的技術挑戰之一。在充注氫氣時，為防止內膽材料受損，需將氫氣冷卻至-40℃，這要求內膽材料具備良好的低溫力學性能以抵抗變硬和脆化。此外，內膽材料還需具備優異的阻隔性和低氫氣滲透率，以防內膽失穩或屈服，確保氣瓶的使用壽命和安全性。
當前國內Ⅳ型儲氫瓶內膽材料主要由國外企業供應，包括日本宇部興產、荷蘭帝斯曼、美國杜邦（塞拉尼斯）、法國阿科瑪等，成本較高，是下一階段國產化突破的重點。
