车载IV型气瓶、气瓶：材料是优化的核心材料

2023年，国内氢能储运技术将呈现加速突破的趋势。 从车载IV瓶、氢气管道，到固态储氢、液态氢、有机液氢，都将达到产业化示范。 但总体而言，国内氢能储运技术仍处于起步阶段。 从技术角度看，还有很多核心材料和器件需要进一步优化和突破。

能精研究院结合国内外氢能储运技术产品和示范前沿，总结出目前国内储运技术路径的核心突破点，供行业参考。

01 车载IV气瓶：材料是优化的核心

车载IV型气瓶具有密封性强、结构稳定性高等基本要求。 这就要求瓶子材料具有较低的氢气渗透性、不同材料成分之间较高的相容性和结合强度、以及较高的对温度和压力变化的耐受性。

国内主要在瓶体材料的强度、与其他材料的相容性、耐高温等方面进行优化。 IV型气瓶芯体材料主要包括内胆塑料、缠绕层碳纤维、缠绕层粘合树脂三类。 前两项是突破的重点。 内衬塑料需要对氢进行密封，并且在剧烈的温度变化下不变形和开裂； 碳纤维需要保证高强度、不停机、与树脂粘合剂的相容性强。

内衬材料的优化可以通过材料改性等方法来实现。 一般可以通过对衬垫材料的单体分子进行改性和改进，或者筛选比较不同单体分子的配比，以获得既具有优异的氢封性能又具有耐高温性能的材料。 此外，一些企业选择在后处理、成型、表面处理等方面优化内胆的性能。

碳纤维材料可以通过表面优化和改性来优化，以提高粘合强度。 一般碳纤维可以氧化到一定程度，增加表面极性基团，增强树脂的吸附作用； 或者可以开发有针对性的表面负载剂，使碳纤维更容易与熔融树脂结合，并且在固化后不易分离和开裂。

02 氢气长输管道：高强度、抗氢脆管道研究是重点

长输氢气管道的建设有三个基本要求：高强度、防氢脆、长期稳定可靠。 一是强度高，可承载4MPa以上的输氢压力； 二是防氢脆，保证管道不会被氢气降解； 三是长期稳定可靠，面对内部气体成分波动和外部复杂环境变化仍能保持稳定。 管道不会腐蚀或破裂。

现阶段输氢管道的管材很难同时满足高强度和防氢脆的要求。 国内外氢气管道建设大多采用油气管道钢。 强度越高，对氢脆越敏感，使得高强度钢无法用于氢气管道建设。 西气东输中使用的X70、X80等典型钢材不能直接用于输氢。

为了突破管道强度与氢脆之间的制约关系，可以采用精确的工艺控制、严格的检测等方法。 据文献报道，X80等高强度管材在一定的制造工艺下可以产生特定的抗氢脆显微组织，从而可以具有更高的抗氢脆性能。 因此，如果严格规范氢脆的生产工艺，并辅之以严格的氢脆标准检验，则可以采用X80等高强度钢进行氢传输。

配套监测装置和维护技术的研发也能保证管道的使用寿命和长期运行安全。 输氢管道发生氢脆的概率也与内部气体水分含量、硫含量、温度变化等高度相关。因此，有必要开发一系列管内状态传感器、管道机器人等监测和监测设备。氢传输场景的维护设备。 与天然气管道不同，这些设备的本体材料和传感器部件也需要具有抗氢脆性能。

03 固态储氢：高效储氢合金和热管理技术是两大关键

固态储氢具有储氢密度高、充放氢条件温和、速度快等目标要求。 一是储氢密度高，同样的储氢量不宜太重； 其次，充放氢条件温和，充放氢温度和压力要求不宜太高； 第三，氢充放电速度快，可以满足汽车等高速消费场景下的供氢需求。

目前突破的核心主要是储氢合金，重点是同时提高储氢合金的储氢能力和充放氢速度。 固体储氢合金主要可分为镁基材料和镧系、钛系等非镁基材料。 其中，前者储氢质量容量高，是其他材料的一倍以上，但充放氢温度高达近300℃，放氢速率慢； 后者储氢质量容量较低，但充放氢温度仅为20~50℃，且放氢速率比镁材料快得多。

为了增加储量、提高充放电速度，业界普遍采用合金化、纳米技术等微控策略。 其中，合金化可以改变材料本身的储氢特性，实现不同材料优缺点的互补； 而纳米技术提高了储氢材料的反应活性，从而提高了充放氢速度。 一个典型的例子是镁基储氢合金。 虽然金属镁活性较差，充放氢速度慢，但通过将镁颗粒粒径降低至纳米级别，并与其他金属元素复合，可以将充放氢温度降至200℃以下。 并且充氢时间由数小时缩短至数分钟。

实现高效的热管理也是提高镁基材料储氢和储能效率的重点。 由于镁基材料体系要求放氢温度为200℃左右，热管理不当会造成热利用效率不足和能源浪费等问题。 通过优化储罐传热结构、传热介质（如导热油）、智能温度测量和系统控制，如在储罐内安装翅片换热芯棒、采用高导热导热系数等，可以节省能耗。油、升级热控系统管理策略等。

04 低温液氢：大规模氢液化系统是关键

氢气液化路径的核心要求之一是降低能耗，从而降低氢气液化成本。 能源消耗是液氢路线成本高的主要原因之一。 据文献报道，国外30吨/日氢气液化项目的能源消耗成本占生产成本的20%，仅次于氢气采购成本的58%。

目前国内运行的氢气液化装置能耗高于国外。 文献数据显示，截至2022年，美国氢液化能耗已低至10kWh/kg以下，而国产装置能耗仍在15～20kWh/kg之间。 相应地，国内氢气液化成本也高于美国。 美国平均氢液化成本约为17.5元，而国内预估是美国的两倍多。

国内液氢企业正在向大型装置方向降低能耗。 由于工艺和组件效率不同，一般规模越大，液氢系统的能耗越低。 50吨/日产能的装置能耗仅为2吨/日装置的一半左右。 截至2023年上半年，海外最多建成50吨/日氢气液化装置； 与此同时，国内大型液化氢装置的投产也在加速。 2023年上半年已上线1.5吨/日、10吨/日等多套。 采用不同规格核心装置、采用国产10吨/日氢气液化装置的项目也已启动。

05 有机液氢储存：开发高活性、高稳定的有机介质-催化剂体系是核心

有机液氢储存需要满足反应条件温和、循环寿命高等要求。 一是反应条件温和，有机介质充放氢的温度或压力要求不宜太高，避免能耗过多； 其次，高循环次数的寿命，在数十万次循环过程中，储氢能力不应显着降低。

国内外企业主要在新型有机介质和催化剂的设计方面取得突破。 其中，有机介质主要是反应条件较温和设计的材料。 目前，国内外工业应用中使用的有机介质充放氢温度普遍在200℃以上，有的可达170℃左右。 在催化剂方面，正在努力提高催化选择性。 这可以从提高储氢系统的循环寿命、提高抗毒性以避免失活等方面进行探索。

有机培养基的优化可以从培养基分子结构的设计等方面进行。 一般可通过在苯环分子中引入N、P、O等掺杂杂原子来降低反应温度。 典型例子有日本千代田公司使用的无杂原子甲基环己烷体系，其放氢温度高达300~350℃； 而国内某公司使用的N-乙基咔唑等含氮介质体系，其放氢温度降低至150℃。 ～200℃。

改进催化剂的方法有两种：贵金属催化剂和非贵金属催化剂。 第一个是铑、钌等贵金属催化剂路线。 该路线的主要优化方向包括降低贵金属含量、提高抗毒性能，如采用单原子负载技术。 二是镍基等非贵金属催化剂路线。 该路线的主要优化方向为：提高催化速率、选择性、稳定性等。