氢储存与运输技术：原理及应用 课件 第3章 高压储氢

第3章高压储氢储存原理·增压技术·高压气瓶·瓶阀·应用CONTENTS目录01第一部分氢气高压储存原理与增压技术02第二部分高压储氢气瓶03第三部分气瓶标准与瓶阀04第四部分高压储氢技术应用学习目标与课程导入学习目标1掌握车载高压气瓶的分类及相关法规、制造标准。2掌握车用储氢系统的关键技术要求与高压气瓶的制造工艺。3了解氢气不同存储状态的发展现状及高压储氢的商业化优势。4了解Ⅲ型、Ⅳ型储氢气瓶内胆的制造工艺。本章将带您深入探索高压储氢的原理、装备与应用。课程导入截至2024年6月底，我国燃料电池电动汽车保有量已超过2万辆，预计2025年达5万辆，2030年将达百万辆。国家和地方支持政策不断出台，大型央企及地方企业争相建设氢能产业链。然而，氢气有着不同的存储方式，何种方式将成为未来车用的主流趋势呢？思考：现阶段的高压储氢和其他形式的储氢各有哪些优缺点？PART01氢气高压储存原理与增压技术High-PressureStoragePrinciples壹氢气的高压储存原理氢在常温常压下为气态，密度仅为空气的1/14，提高氢的储运效率是产业发展的关键。目前氢储运技术主要包括气态储运、低温液态储运、固态储运和有机液态储运等。图3-2不同温度压力下氢气不同状态的质量密度高压储氢的气体压力级别20~35常用等级MPa50~70车载高压MPa100+超高压MPa液态储氢的存储密度更高，但存储容器制造难度大、成本高，目前主要用于航天领域，民用领域仍在探索。气态储氢成本低、能耗小，充放气速度快、动态响应好，是目前商业工程化程度最高的储氢方式。高压储氢设备按用途分类：车用储氢容器、高压运输设备和固定式高压储存设备三大类。高压气态储氢的优势与挑战高压气态储氢通过对氢气加压压缩至较小体积，提高储存密度和储存能力，是目前商业工程化程度最高的储氢方式。四大优点①储氢效率高：高压可将氢气体积压缩至原来的1/300左右。②方便携带：体积小，可通过集装箱或车辆运输，便于搬运和储存。③安全性高：采用专门的钢瓶或复合材料瓶体，能承受高压冲击和撞击，耐用、防爆。④适用范围广：可用于氢气车、氢气动力设备、氢气站等，可与其他技术组成完善的氢能源系统。五大挑战①成本较高：材料、设备和研发成本高，阻碍产业化进程。②储氢量有限：难以满足大规模用氢需求，需提高储氢密度。③渗透性问题：氢气渗透性极高，对容器材料要求高。④安全性保证：碰撞、高温等极端情况下仍存在安全风险。⑤配套设施：需建设更全面的氢气配套设施与技术支持。增压原理：加氢站的"心脏"国内加氢站以站外长管拖车供氢为主：长管拖车将20MPa压缩氢气运进固定站，经站内压缩机卸载至高压储氢罐；车辆加氢时，氢气再通过加氢机充装到车载储氢瓶中。加氢站最高设计压力需与车载储氢压力等级相匹配。20MPa长管拖车供氢压力45MPa35MPa车站内最高储氢压力90MPa70MPa车站内最高储氢压力车载储氢瓶压力等级主要为35MPa和70MPa方式一：一次压缩到位直接用压缩机将氢气压缩至储氢容器所需的压力，存储在体积较大的储氢容器中。方式二：先存后增先将氢气压缩至较低压力（如20MPa）存储，加注时先充压再启动压缩机增压至所需压力。常见氢气压缩机：传统隔膜式压缩机、液驱式活塞压缩机、离子液压缩机、新型液驱隔膜式压缩机，其工作原理、组成、特点及优缺点各不相同。三种典型氢气压缩机隔膜式压缩机图3-6隔膜式压缩机示意图膜片将油气完全隔离，气体纯度高、密封性好、单级压缩比大，排气温度低。缺点：膜头加工困难、膜片易损、排气量较小，价格高于活塞式。液驱式活塞压缩机图3-7液驱式活塞压缩机示意图液压油驱动活塞往复运动直接压缩氢气，结构简单、支持多级串并联、适应频繁启停。缺点：密封要求高、氢气易受污染、单级压缩比较低、噪声大。离子液压缩机图3-8Linde公司离子液压缩机离子液充注于氢气与活塞之间，不污染氢气、润滑冷却好、能耗低约20%。缺点：离子液与控制器开发难度高、价格贵，国内应用较少。压缩机技术对比与增压技术应用压缩机类型优势劣势隔膜式压缩机密闭性好、氢气纯度高；单级压缩比大；散热性能好单机排气量较小；不适应频繁启停；机构复杂、维修不便液驱式活塞压缩机单机排气量较大；可适应频繁启停；设计简单、易于维修保养氢气易受污染；单级压缩比小；维修周期短、费用高；噪声大离子液压缩机能耗低、构造简单、维护简单制造标准与国内不符、引进复杂、价格昂贵、应用案例极少增压技术应用：活塞式氢气增压泵通过压缩空气驱动实现被增压氢气的加压：压缩空气作用面积大、被增压氢气作用面积小，利用两者之间的面积关系实现加压。凭借经济性和维修便利性，是现阶段主要的增压方式和氢气零部件高压测试的增压装置；现阶段氢能应用规模有限，这种相对小型化的产品更适合当前实际应用。图3-9活塞式氢气增压泵示意图PART02高压储氢气瓶High-PressureHydrogenCylinders贰高压储氢瓶的分类高压气态储氢使用气瓶作为存储装置，目前主要分为五种类型。Ⅰ型瓶技术最成熟；Ⅲ、Ⅳ型瓶是近十年发展的轻量化产品；国内以Ⅲ型瓶为主，欧美以Ⅳ型瓶为主流，Ⅴ型瓶主要用于航天领域、尚未商业化。图3-12Ⅰ~Ⅳ型高压储氢瓶图3-13Ⅴ型瓶示意图Ⅴ型瓶：无内胆两层结构（碳纤维复合材料壳体＋圆顶防护层），气密性完全由复合材料层承担，设计制造难度高。现阶段承压一般在30MPa以下，成品率较低，主要用于航天领域。发展趋势：材料科学与制造工艺的进步，支撑气瓶向更高压力、更轻重量不断演进。五种瓶型技术特征对比瓶型结构特点材料典型压力主要应用Ⅰ型纯金属瓶，发展最早、技术最成熟CrMo钢20~50MPa站内储氢、氢气运输（自重较大）Ⅱ型金属内胆＋纤维环向缠绕，承载能力提升钢内胆＋玻璃纤维20~50MPa氢气运输，减重降本、近年受市场追捧Ⅲ型金属内胆＋纤维全缠绕，轻量化铝内胆＋碳纤维35/70MPa国内车载供氢系统主力（成本较高）Ⅳ型塑料内胆＋纤维全缠绕，进一步减重HDPE/PA＋碳纤维35/70MPa欧美车载主流，可增加续驶里程Ⅴ型无内胆全缠绕，气密由复合材料层承担碳纤维复合材料≤30MPa航天领域，尚未商业化生产小结：金属内衬仅起密封氢气的作用，压力载荷由外层缠绕纤维承担；纤维质量与缠绕工艺的改进推动承载能力和单位质量储氢密度不断提高。金属气瓶成型工艺金属气瓶成型前的初始加工状态分为金属板材、金属锭和金属管三大类，对应板冲瓶、冲拔瓶和管制瓶三种成型工艺。板冲瓶（板材）板材裁成圆片状→多次拉伸成胚→热旋压收口→热处理→收口处加工螺纹。成型之初即杜绝另一端泄漏风险。冲拔瓶（金属锭）金属锭裁成所需重量块状→加热拉伸成胚→热旋压收口→热处理→加工螺纹。前道工序与板冲差异大，加工设备不同。管制瓶（金属管）国内主流成型方式：成型工序相对少、设备投资少、成本低；但需对非螺纹端做更好的加工和检测以减少泄漏风险。图3-14钢板板冲气瓶成型流程（意大利Faber）图3-16管制气瓶成型流程（意大利Faber）Ⅱ/Ⅲ型瓶：金属内胆缠绕成型Ⅱ型和Ⅲ型气瓶的金属内胆成型方式与金属气瓶一致，只是内胆设计壁厚更薄、封头形状更适合纤维缠绕。内胆加工完成后，还需进行纤维缠绕成型等后续工序，才能最终成为满足标准要求的气瓶。关键工序：自紧水压试验前，在高于水压试验的某个压力下向气瓶施加内压，使内胆产生塑性变形（达到屈服状态），使零压力下内胆承受压应力、纤维承受拉应力。自紧后气瓶疲劳性能明显提升。Ⅳ型瓶的区别：内胆改用高密度聚乙烯（HDPE）或聚酰胺（PA）等非金属材料，通过滚塑、吹塑或注塑后焊接成型；因塑料无明显屈服状态，无须自紧工序。图3-17缠绕成型流程（意大利Faber）Ⅳ型瓶内胆成型：滚塑、吹塑与注塑图3-19滚塑内胆成型流程图3-20吹塑内胆成型流程图3-21注塑后焊接内胆成型流程比较项目注塑滚塑吹塑工艺介绍塑料熔融后注入模腔，冷却成型粉状塑料装模后旋转加热，熔融黏附于模腔冷却定型压缩空气将半熔融型坯吹胀，冷却获得中空制件优点尺寸稳定、成本低；密封结构设计自由壁厚均匀、工艺简单、成本低，可成型大型零件生产效率高、冲击韧性好、成本较低缺点需焊接工艺支撑、良品率低、大尺寸成型困难尺寸稳定性差、致密性低、生产效率偏低壁厚均匀性差、嵌件成型困难现状：丰田、现代等燃料电池汽车的Ⅳ型储氢瓶内胆均采用注塑工艺，须配合后续焊接工序成型内胆。纤维缠绕工艺：干法、湿法与缠绕方式干法缠绕以预浸胶预浸带为原料，加热软化至黏流态后缠绕到芯模上。纤维/树脂比例控制精确（2%以内），质量好且稳定；缠绕速度可达100~200m/min，效率高、环境整洁。图3-25干法缠绕湿法缠绕（应用更广）碳纤维丝束浸渍处理后，在张力控制下直接缠绕到芯模上再固化。生产成本约比干法低40%，设备简单、投资小；气密性好，可减少纤维磨损，纤维排列平行度好。图3-26湿法缠绕环向缠绕沿容器圆周方向缠绕，只能在筒身段进行，缠绕角通常85°~90°，可消除气瓶受内压产生的环向应力。图3-27环向缠绕螺旋缠绕（测地线）导丝头沿芯模轴线往复运动，在筒身和封头上实现螺旋缠绕，缠绕角12°~70°，可提供纵向应力。图3-28螺旋缠绕Ⅳ型储氢瓶的结构与关键技术图3-23Ⅳ型储氢瓶及阀门的基本结构五层结构：①阀座（不锈钢或铝合金）②塑料内胆（PA或HDPE，阻隔氢气）③碳纤维缠绕层（耐压层）④玻璃纤维缠绕层（表面保护层）⑤瓶肩保护罩（聚苯乙烯泡沫）耐氢气渗透性和耐热性氢气极易透过塑料内胆，选材必须考虑氢气阻隔性能；充装压缩使气体温度升高，内胆须兼具渗透性与耐热性，PA需改性并提高软化温度至180℃左右。良好的低温力学性能为避免加注温度过高损伤内胆，气源通常冷却至-40℃；低温下内胆变脆易破裂，低温力学性能尤为重要。树脂基体与设计难点复合材料层树脂以环氧树脂为主，须兼具高强韧、耐疲劳、热稳定性与工艺性；设计难点在瓶口阀座结构，须同时保证与阀门、内胆的密封和与缠绕层的整体结合。PART03气瓶标准与瓶阀StandardsandCylinderValves叁气瓶相关法律法规与标准体系不同用途的气瓶有着不同的要求，我国已建立覆盖法规、基础、产品、附件、检验、充装、使用的气瓶标准体系（表3-5，共70余项）。法律法规特种设备安全法、特种设备安全监察条例、气瓶安全技术规程（TSG23—2021）基础标准气瓶颜色标志、气瓶术语、气瓶型号命名方法、瓶装气体分类等产品标准（储氢重点）GB/T35544—2017车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶；GB/T42612—2023车用压缩氢气塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶附件标准瓶阀、爆破片、易熔合金塞等；GB/T42536—2023车用高压储氢气瓶组合阀门检验标准水压试验、压力循环、气密性、定期检验与评定；GB/T42626—2023车用压缩氢气纤维全缠绕气瓶定期检验与评定充装与使用标准压缩气体气瓶充装规定、气瓶充装站安全技术条件、气瓶搬运装卸储存和使用安全规定等《气瓶安全技术规程》适用范围环境温度-40~60℃、公称容积0.4~3000L、公称工作压力0.2~70MPa（表压），且压力与容积乘积≥1.0MPa·L的无缝气瓶、焊接气瓶、低温绝热气瓶、纤维缠绕气瓶等；长管拖车、管束式集装箱用大容积气瓶还须满足《移动式压力容器安全技术监察规程》。气瓶阀门：车用高压储氢瓶组合阀门车用高压储氢瓶阀门是保证储氢瓶安全和正常充气、供气的重要阀件。组合阀门由手动截止阀、自动截止阀、单向阀、TPRD以及温度传感器等部件集成而成，GB/T42536—2023对其设计制造及测试作出了详细规定。组合阀门五大功能①单向截止：未通电时氢气可单向充入，防止反向流出；②安全泄压：火灾等情况经TPRD自动泄放；③温度检测：实时监测瓶内气体温度；④手动启闭：手动操作开启或关闭阀门；⑤自动启闭：通过电信号开启或关闭阀门。TPRD泄放装置：气瓶环境温度达（110±5）℃时被激发，自动泄放瓶内气体以防爆炸。通常由易熔合金或玻璃泡组成：玻璃泡响应快，易熔合金抗振性好。图3-3035MPa储氢瓶阀门原理图（OMB）图3-2935MPa储氢瓶阀门（OMB）阀体常选用6061铝合金和316不锈钢；密封部件常选用PEEK、PTFE、氢化丁腈橡胶等与氢气相容性好的材料。PART04高压储氢技术应用ApplicationsofHigh-PressureStorage肆固定式储氢与氢气运输固定式高压储氢罐图3-31站用储氢气瓶（储氢罐）加氢站一般采用45MPa储氢罐：大容积无缝锻造气瓶（600~1500L）或小容积气瓶组（45~80L）。钢带错绕式储氢瓶有45/98MPa两种，98MPa立式储氢罐已用于常熟丰田70MPa加氢站。储运气瓶压力高于车载瓶，加注时以压差为驱动力。运输用高压储氢：长管拖车图3-32长管拖车和储气式集束瓶组典型管式拖车长10.0~11.4m，氢气压力16~21MPa，载氢约280kg；长管气瓶材料为铬钼钢4130X，强度高、抗氢脆。石家庄安瑞科2002年率先研制20/25MPa大容积储氢长管，45MPa储氢罐组已用于国内众多加氢站。车载氢系统：组成、布置与安全图3-33燃料电池电动汽车车载氢系统原理图车载氢系统由储氢瓶、供氢管路、加氢口、减压阀、氢泄漏传感器和控制系统组成，分为车载高压供氢系统与低压供氢系统两部分；商用车一般35MPa，乘用车一般70MPa。布置方式：客车宜顶置多瓶组；乘用车置于底盘下方中部、座椅下方或行李舱与后轮间；货车多瓶组横卧叠排于底盘。车载氢系统安全要求①标准符合：供氢系统应符合GB/T24549《燃料电池电动汽车安全要求》和GB/T26990《车载氢系统技术条件》等。②零部件选型：加氢口、Ⅲ/Ⅳ型储氢瓶等均应满足相应国标要求。③氢气品质与监控：满足燃料电池用氢规范，配置与整车关联的监控系统。④安装集成：人员经培训考核，气瓶固定牢靠，不得削弱车辆结构强度。⑤检测验证：集成后进行气密、保压测试和电子元件联调，按需完成EMC、振动等认证试验。⑥环境适应：海拔≤3000m、环境温度-30~50℃、相对湿度≤95%等条件下正常运行。管道输氢：纯氢与掺氢纯氢管道上游氢气经增压站加压后送入输氢管道长距离输送，至用氢地储配站调压后引入加氢站，或直接输送至用氢终端。我国纯氢工业管道总里程超300km，但长输管道在役不足100km。掺氢管道氢气调压后与稳压天然气按比例掺混，利用天然气管道及配套设施输送至终端，后端一般不分离提纯，直接用于掺氢内燃机、燃气轮机或家用燃气。国内管道输氢重要进展2022.3《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》提出开展掺氢天然气管道、纯氢管道试点示范。2023.4“西氢东送”输氢管道纳入国家“全国一张网”方案：乌兰察布至北京燕山石化，全长400多千米，是我国首条跨省区长距离纯氢管道。2023.8玉门油田首条中长距离输氢管道正式对外输氢，为甘肃省第一条中长距离输氢管道。2023起定州—高碑店、康保—曹妃甸等氢气长输管道相继备案获批；宁夏宁东、内蒙古等多地掺氢项目点火运营。输氢成本对比与管