什么是高压气态储氢？

氢能源全产业链包括生产、储存、运输、应用等几方面，而决定氢能是否广泛应用的关键是安全可靠的储氢技术。

氢气储运是连接氢气生产端和需求端的关键桥梁，氢储运技术的发展水平直接影响着整个行业的进步。

在氢能的广泛应用中，高压气态储氢技术扮演着至关重要的角色，尤其是在燃料电池汽车领域，其地位更是举足轻重。

那么什么是高压气态储氢？

高压气态储氢有哪几种类型？

高压气态储氢发展到现在到了什么阶段？

高压气态储氢定义与历史

高压气态储氢是指在高压条件下压缩氢气，将压缩后的高密度氢气存储于耐高压容器中，从而实现氢气的有效储存和按需释放。



在最初发展期，高压气态储氢技术的历史可以追溯到20世纪中叶。随着对氢能研究的深入，科学家们发现，通过高压压缩的方式，可以在常温常压下存储气态的氢气。这种储氢方法因其设备结构简单、压缩氢气制备能耗低、充装和排放速度快、温度适应范围广等优点，逐渐成为最常用、最成熟的储氢技术。

技术成熟期在20世纪末至21世纪初，高压气态储氢技术得到了快速发展，并在燃料电池汽车上得到广泛应用。在这个时期，各国政府和企业加大对氢能领域的研发和支持力度，推动了高压气态储氢技术的进步和商业化应用。

高压气态储氢工作原理

高压气态储氢技术是一种高效的氢气储存与运输方式，其工作原理在于通过压缩机将氢气压缩至高压状态，以便安全地存储在容器中。这一过程既可以直接进行高压一次性压缩，也可以采用分步压缩策略，根据实际需求灵活调整。

在高压气态储氢整个过程中，压缩机占重要的位置，目前压缩机可分为两种，其结构和工作原理具体如下：

1）压缩机



隔膜式压缩机是高压气态储氢中常用的一种类型，它利用隔膜的往复运动来压缩气体。在氢气压缩过程中，压缩机需具备高功率输出和高效的冷却系统。高功率确保了足够的压缩能力，而高效的冷却系统则负责及时移除压缩过程中产生的大量热量，防止设备过热及氢气性质的变化。对于分步压缩策略，虽然初始压力较低，但精确的控制和监测系统至关重要，以确保整个压缩过程的稳定性和安全性。



液驱压缩机是一种利用液压油作为驱动介质的压缩机，其主要工作原理是通过液压泵提供液压油，将液体压力转化为机械能，从而驱动压缩机内部的活塞进行往复运动。这种压缩机主要分为单级压缩和双级压缩，其工作过程包括气体的吸入和压缩并排出。

2）设计与制造

先进的压缩机设计采用高性能材料和精密制造工艺，以提高运行效率和可靠性。这些材料能够承受高压、高温及氢气特有的化学环境，确保压缩机的长期稳定运行。同时，冷却系统的优化也是提升压缩机性能的关键因素之一。

3）监测与控制系统

在压缩和增压过程中，一系列传感器和控制系统被用于实时监测关键参数，如压力、温度和流量。这些数据不仅为操作人员提供了系统的即时状态反馈，还为实现压缩过程的优化和能源利用效率的提升提供了数据支持。通过智能控制算法，系统能自动调整压缩机的工作状态，以适应不同的储氢需求。

4）储氢容器设计

储氢容器作为氢气的最终存储单元，其设计需充分考虑高压环境下的安全性、稳定性和耐久性。容器通常采用高强度金属材料或复合材料制成，这些材料具有优异的承压能力和良好的密封性能，能够有效防止氢气泄漏。此外，储氢容器还需经过严格的压力测试和安全评估，以确保其在各种工况下的安全可靠。

高压气态储氢装备类型

高压气态储氢技术通常采用储氢气罐作为容器，高压气态储氢的制备、运输、加氢站储存及车载等多个环节均需要使用储氢瓶。目前，储氢瓶可分为I～V型五种类型：

I型瓶（钢或者铝合金瓶，无纤维缠绕）；II型瓶（钢瓶，部分包裹缠纤维）；III型瓶（铝或铝合金内胆，缠纤维）;IV型瓶（复合塑料内胆，缠纤维）;V型瓶（无内胆纤维全缠绕瓶）



伴随氢燃料电池和电动汽车的迅速发展与产业化，Ⅳ型储氢气瓶因其质量轻、耐疲劳等特点正成为全世界的研究热点。

Ⅳ型储氢瓶的结构主要包括以下部分：

（1）内胆：瓶壁最内层与氢气直接接触的是阻气层，厚度约为2~3mm，材料是PA6、PA612、PA11、HDPE等，起阻隔氢气的作用。

（2）中间层：也称耐压层，是CFRP碳纤维增强复合材料，由碳纤维和环氧树脂构成，在保证耐压等级的前提下，尽量减小该层厚度以提高储氢效率。

（3）表层：表层是保护层，厚度约为2~3mm，材料是GFRP玻纤增强复合材料，由玻璃纤维和环氧树脂构成。

了解了高压储氢装备的类型，对于高压储氢瓶的合格指标，国家也有相关政策规定。2023年发布的标准GB/T 42612-2023《车用压缩氢气塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶》规定了高压储氢瓶的各项型式试验的要求及合格指标，该标准于2024年6月1日正式实施。

该标准明确了车用压缩氢气塑料内胆碳纤维缠绕气瓶的设计、制造、测试、检验及储运等全方位要求，为行业提供了详尽技术规范，促进了储氢瓶标准体系的完善，对氢能技术及产业的快速发展具有重要推动作用。

高压气态储氢优点

高压气态储氢作为一种常见的储氢方式，具有多方面的优势，这些优势使得它成为了燃料电池汽车和其它氢能应用中的一个重要选项。以下是其主要的优点：

1、 较高的储氢密度尽管高压气态储氢的质量体积密度相比其他储氢方法较小，但它可以通过提高压力来增加单位体积的氢气密度，从而提高储氢效率。

2、较快的充放氢速度高压气态储氢具有较快的充放氢速度，这意味着它可以快速地补充氢气，这对于燃料电池汽车的日常使用非常有利。

3、 较低的能耗与液态储氢相比，高压气态储氢的能耗较低，因为它不需要将氢气冷却到极低的温度，这在一定程度上降低了能源消耗和运行成本。

4、 较广的温度适应性高压气态储氢能够在常温下工作，甚至在零下几十度的低温环境下也能正常运行，这使得它在各种气候条件下都能稳定地发挥作用。

5、较少受工作环境影响与其他储氢方式相比，高压气态储氢受工作环境的影响较小，这使得它更适合在不同的应用场景中使用。

高压气态储氢仍存在的问题

高压储氢技术虽然具有一些优势，但在实际应用中仍面临一些主要问题：

1、储氢效率问题：高压储氢的质量体积密度相对较低，这意味着在相同体积下，氢气的质量较少，这限制了其在需要大量氢气的应用中的使用效率。

2、安全性问题：由于氢气的爆炸极限较高，高压储氢系统需要严格的安全措施来防止氢气泄漏和爆炸的风险。此外，高压环境可能导致储氢容器的金属发生化学反应，即所谓的“氢脆”现象，这增加了系统的安全性风险。

3、存储密度和成本问题：为了提高氢气的体积能量密度，通常需要降低压力，但这会导致存储密度的提升存在边际递减的趋势，并且成本会大幅增大。例如，从35MPa的压力升级到70MPa，存储系统的容量虽然可以增加，但成本也会显著增加。

4、技术和监管要求：高压储氢技术对储氢瓶的材料和制造工艺有较高要求，这增加了生产成本。此外，储氢瓶需要定期进行自检和第三方检验，以确保其安全性和可靠性，这增加了维护成本和复杂性。