【技术干货】一文全面了解复合材料储氢容器领域的最新进展（二）高压储氢及液态储氢

摘 要

二氧化碳排放对环境的不利影响已经得到了广泛认可，因此开发推进系统替代原料成为当务之急。氢气是替代化石燃料用于运输领域的潜在候选燃料，目前主要有三种技术可用于车载氢气储存：以压缩气体的形式储存、以低温液体的形式储存和以固体的形式储存。

在本系列专题文章中将会综述储氢容器（Hydrogen Storage Vessel，HSV）的技术现状及发展趋势，尤其是介绍纤维增强聚合物复合材料HSV的最新进展情况，并对目前HSV数值模型进行了设计与分析，包括使用仿真分析技术评估了复合材料HSV的性能，从而实现更复杂的设计。

本文为系列文章第二篇，主要介绍了高压储氢和液态储氢的基本概念与主要特点。

附：本系列专题文章：
《复合材料储氢容器的材料类型：概述》

目前，最成熟的储氢技术是在高压罐中储存压缩气体。液氢储存是一种更昂贵的选择，专用储罐和保持低温所需的隔热材料的前期成本更高。金属氢化物和化学氢化物存储是较新的技术，具有更高的存储密度和安全性，但它们可能比压缩气体或液态氢存储昂贵得多。

1、高压储氢

储氢压力容器有四种常见的形式：I型、II型、III型和IV型（见下图）。I型容器为全金属（一般为钢）结构，因此也是最重的，它们主要用于工业中的固定用途。在200–300巴的压力下，I型容器储存了全球约1%的氢气。II型压力容器的重量小于I型，其金属衬里外部套有复合材料（环向）。I型和II型容器均不适合车辆应用，因为高质量导致它们的储氢密度低。

III型容器采用了金属内衬并全包裹了复合材料，可起到氢渗透屏障的作用。金属衬里通常为铝（Al）结构，可消除脆化并提供超过5%的机械阻力。III型容器更适合车辆应用，但是它们价格更高。III型容器在高达450 bar的压力下被证明是可靠的，但是，超过700巴的压力循环测试仍然存在问题。

IV型容器与III型容器的主要差异在于其使用了塑料内衬（通常为高密度聚乙烯），而承载结构是外部的复合材料，通常由碳纤维或碳/玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料组成。IV型压力容器是最轻的压力容器，是车辆应用的理想选择，可承受高达1000巴的压力。

然而，由于碳纤维的成本很高，它们的价格也是高得令人望而却步。成本估算表明碳纤维约占储罐成本的75%。V型储罐处于设计阶段，可能使用更紧密连接的热塑性内衬和复合材料结构；复合材料和内衬将由相同的热塑性聚合物制成，但需要进一步开发以确保这些储罐在使用中的安全性。

当考虑不同类型的储氢容器时，成本是一个关键因素。压缩气体储存通常是最具成本效益的选择，每公斤氢气储存能力的成本相对较低。然而，储罐可能会很笨重，而且需要经常加注。

高压储氢技术的选择将取决于几个因素，包括应用、所需的存储容量和成本效益。下表给出了不同类型的储氢罐及其特点。

2、低温储氢

氢气也可以作为低温液体在大气压下和压缩氢中储存。低温储氢比压缩储氢更好，因为它更安全，占用的空间更少。当氢气以液体形式储存时，其体积密度会上升。在氢气沸点（253°C）和大气压下，液态氢（liquid hydrogen，LH₂）的理论体积密度为70g/L，而在室温下，350巴和700巴的压缩氢气的理论体积浓度分别为24 g/L和40 g/L。

使用液氢的主要问题是，产生液体比压缩气体需要更多的能量。氢气的临界温度为−240°C，超过该温度就无法冷凝。由于氢的沸点很低，所以它只能在低温下以液体的形式储存。因此，必须采用昂贵的成本进行冷却。

这一能源密集型过程使用了氢气中25-40%的能量，而将氢气压缩成气体只使用了10%的能量。因此，LH₂低温容器必须进行真空隔热，以保持如此低的温度。它们通常有两面墙，中间有一个真空，以防止热量逸出。然而，蒸发损失是无法避免的，因为来自环境的热量会流入LH₂并通过其他部分，每天蒸发损失可高达0.4%。在制造低温氢气容器时，主要目标之一是确保液体的表面积尽可能小，这将防止热量从大气进入液体。

如果储罐在一个狭小的空间内，蒸发损失可能是极其危险的。例如，如果一辆装有低温氢罐的汽车被放在封闭的车库里几天，氢可能会蒸发并引发火灾。宝马已经开发出了可以使用汽油和低温氢气的内燃机汽车。还有使用液氢的太空应用和中大型运输实例。除了可以装载约4000公斤氢气的LH₂拖车外，LH₂船还可以在全球范围内运输氢气。川崎重工有限公司目前正在生产LH₂船，可容纳11500吨（160000立方米）的H₂。