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在氫能應(yīng)用的過(guò)程中，儲(chǔ)運(yùn)是制約其關(guān)鍵環(huán)節(jié)，受到技術(shù)、材料等的影響，目前高壓氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)是主流的氫能儲(chǔ)運(yùn)方式。

氫能具有來(lái)源多樣、利用高效、清潔環(huán)保、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)，是全球能源轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要方向，也是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要途徑。美國(guó)、日本、歐盟等主要發(fā)達(dá)國(guó)家早在20世紀(jì)就開(kāi)始布局氫能產(chǎn)業(yè)，中國(guó)近期也頒布了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021-2035年)》。

《“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》指出：“在氫能與儲(chǔ)能等前沿科技和產(chǎn)業(yè)變革領(lǐng)域，組織實(shí)施未來(lái)產(chǎn)業(yè)孵化與加速計(jì)劃，謀劃布局一批未來(lái)產(chǎn)業(yè)”。科技部“十四五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃將“氫能技術(shù)”列為重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)。在政策和市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模，超過(guò)1/3中央企業(yè)布局氫能產(chǎn)業(yè)鏈，并取得了一批技術(shù)研發(fā)和示范應(yīng)用成果。預(yù)計(jì)到2050年，氫能將在我國(guó)交通運(yùn)輸、儲(chǔ)能、工業(yè)、建筑等領(lǐng)域廣泛使用，氫能產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值有望超過(guò)10萬(wàn)億元。

氫能產(chǎn)業(yè)鏈包括制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫及用氫，其中氫能儲(chǔ)運(yùn)是連接產(chǎn)業(yè)鏈上下游的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，氫能儲(chǔ)運(yùn)主要包括氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)、液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)和固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)三種方式，其中高壓氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)以其設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、充放氫速度快、適應(yīng)溫度范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，成為目前主流的氫能儲(chǔ)運(yùn)方式。

氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備是指用于氫能儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)母邏涸O(shè)備。儲(chǔ)氫高壓設(shè)備包括固定式儲(chǔ)氫高壓容器和高壓氫氣瓶，輸氫高壓設(shè)備則包括道路輸氫設(shè)備和氫氣管道。由于高壓氫氣儲(chǔ)量大、充放頻繁且易導(dǎo)致氫脆，因此，氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備具有潛在的泄漏和爆炸危險(xiǎn)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外已發(fā)生數(shù)起事故。2019年6月，美國(guó)加州圣塔克拉拉發(fā)生長(zhǎng)管拖車(chē)氫氣泄漏爆炸事故；同月，挪威桑威卡發(fā)生加氫站儲(chǔ)氫容器爆炸事故；2021年8月，沈陽(yáng)市發(fā)生氫氣罐車(chē)軟管破裂爆燃。這為氫能安全儲(chǔ)運(yùn)敲響了警鐘。

隨著氫能快速發(fā)展，我國(guó)氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的種類(lèi)和數(shù)量快速增長(zhǎng)，使用條件極端化，風(fēng)險(xiǎn)程度加大，安全保障面臨新的挑戰(zhàn)。本文介紹氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的基本特點(diǎn)、發(fā)展現(xiàn)狀和面臨挑戰(zhàn)，并提出若干研究建議。

與壓縮天然氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備、加氫反應(yīng)器等高壓設(shè)備相比，氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備具有以下三個(gè)基本特點(diǎn)。

(1)氫氣易漏易燃易爆且儲(chǔ)量大，一旦失效，危害嚴(yán)重。

與汽油和天然氣相比，氫氣的密度小、擴(kuò)散系數(shù)大、點(diǎn)火能量低、燃燒和爆炸范圍寬、燃燒火焰速度快，具有易漏易燃易爆的特性。氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的儲(chǔ)氫量大。

例如，根據(jù)GB 50516—2010《加氫站技術(shù)規(guī)范(2021年版)》,一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)加氫站單臺(tái)儲(chǔ)氫高壓容器的最大氫氣容量分別為2 000,1 500,800 kg, 一旦泄漏爆炸，危害嚴(yán)重。若氫氣泄漏后被立即點(diǎn)燃，就會(huì)形成氫噴射火；若泄漏至受限空間，則易形成可燃?xì)錃庠?，一旦被點(diǎn)燃就會(huì)產(chǎn)生爆燃、爆轟，對(duì)設(shè)備安全運(yùn)行和人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重危害。

(2)壓縮氫氣壓力高，存在氫脆風(fēng)險(xiǎn)。

氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的儲(chǔ)氫壓力高：加氫站儲(chǔ)氫容器的設(shè)計(jì)壓力可達(dá)98 MPa甚至更高；氫燃料電池交通運(yùn)載工具用高壓氫氣瓶的公稱(chēng)工作壓力為35,70 MPa; 長(zhǎng)管拖車(chē)和管束式集裝箱的公稱(chēng)工作壓力通常為20～30 MPa; 氫氣長(zhǎng)輸管道的壓力一般為2～20 MPa。

這些設(shè)備長(zhǎng)期在高壓氫氣環(huán)境下運(yùn)行，其臨氫材料易因氫脆而產(chǎn)生性能劣化。金屬材料氫脆主要表現(xiàn)為韌性降低、疲勞裂紋擴(kuò)展速率加快、氫致開(kāi)裂應(yīng)力強(qiáng)度因子門(mén)檻值減小等。例如，與空氣環(huán)境相比，4130X在45 MPa氫氣環(huán)境下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率加快10～15倍，斷裂韌度減小70%以上。非金屬材料氫脆主要表現(xiàn)為氫氣溶解引起的材料彈性模量、拉伸強(qiáng)度、摩擦系數(shù)等發(fā)生變化，以及快速降壓使材料內(nèi)部產(chǎn)生氫鼓泡和裂紋等缺陷。

(3)服役性能影響因素多且機(jī)制復(fù)雜，調(diào)控困難。

氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的服役性能受到材料(抗拉強(qiáng)度、化學(xué)成分、微觀組織等)、環(huán)境(氫氣壓力、環(huán)境溫度、氫氣純度等)、應(yīng)力(載荷、結(jié)構(gòu)、加載方式等)及制造(成型工藝、熱處理、表面質(zhì)量等)等諸多因素的綜合影響。

通常，材料強(qiáng)度越高，疲勞裂紋擴(kuò)展速率越快，氫致開(kāi)裂應(yīng)力強(qiáng)度因子門(mén)檻值越低;氫氣壓力越高，氫脆敏感性越高;加載頻率越低，材料氫脆越嚴(yán)重；應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK較小時(shí)，氫對(duì)材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率影響較小，但ΔK超過(guò)一定值后，影響顯著;臨氫材料表面粗糙度越大，高壓氫氣對(duì)設(shè)備疲勞性能的損減越嚴(yán)重。此外，各因素之間還可能存在耦合作用。

例如：有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氫氣壓力小于40 MPa時(shí)，Cr-Mo鋼的氫脆敏感性隨著加載頻率的減小反而降低。由于影響因素眾多且機(jī)制復(fù)雜，對(duì)氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的服役性能預(yù)測(cè)和調(diào)控非常困難。
固定式儲(chǔ)氫高壓容器主要用于加氫站、氫儲(chǔ)能、應(yīng)急電站等，目前在加氫站中應(yīng)用最為廣泛。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我國(guó)固定式儲(chǔ)氫高壓容器主要包括單層鋼質(zhì)儲(chǔ)氫高壓容器和多層鋼質(zhì)儲(chǔ)氫高壓容器。

單層鋼質(zhì)儲(chǔ)氫高壓容器主要有旋壓式儲(chǔ)氫高壓容器和單層整鍛式儲(chǔ)氫高壓容器。旋壓式儲(chǔ)氫高壓容器由無(wú)縫鋼管旋壓而成，其設(shè)計(jì)壓力通常不超過(guò)50 MPa, 目前主要用于35 MPa加氫站。

該類(lèi)容器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、可批量生產(chǎn)，但其容積受到限制。目前，單臺(tái)容器的水容積通常不超過(guò)1 000 L,因此多以容器組形式(有的容器數(shù)高達(dá)21臺(tái))使用，需要加強(qiáng)火災(zāi)、撞擊等極端條件下多臺(tái)容器間的相互作用機(jī)制及其對(duì)失效行為影響的研究。此外，該類(lèi)容器多采用Cr-Mo鋼(主要為4130X)制造，材料氫脆敏感性較高。

多層鋼質(zhì)儲(chǔ)氫高壓容器主要有鋼帶錯(cuò)繞式全多層儲(chǔ)氫高壓容器、層板包扎式儲(chǔ)氫高壓容器。相比單層鋼質(zhì)儲(chǔ)氫高壓容器，該類(lèi)容器的儲(chǔ)氫壓力更高，容積也更大。

例如，50,98 MPa鋼帶錯(cuò)繞式全多層儲(chǔ)氫高壓容器的容積分別達(dá)到7.3,1 m3。此外，該類(lèi)容器的臨氫材料常采用抗氫脆性能好的奧氏體不銹鋼，有利于防止氫脆引起的失效，但該類(lèi)容器的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，制造周期較長(zhǎng)，對(duì)焊接接頭質(zhì)量要求較高。

在國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目“高壓氫系統(tǒng)大型承載件設(shè)計(jì)制造的基礎(chǔ)研究”、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“氫能儲(chǔ)運(yùn)裝備性能檢測(cè)及質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)研究”等持續(xù)支持下，經(jīng)過(guò)20多年努力，我國(guó)已實(shí)現(xiàn)固定式儲(chǔ)氫高壓容器的自主可控。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2021年底，我國(guó)已建成加氫站191座，在役固定式儲(chǔ)氫高壓容器超1500臺(tái)。
高壓氫氣瓶主要用于氫能交通運(yùn)載，如氫燃料電池乘用車(chē)、物流車(chē)、大巴車(chē)、叉車(chē)、重卡、輪船、無(wú)人機(jī)等。氫燃料電池叉車(chē)主要采用鋼質(zhì)高壓氫氣瓶，其余則采用鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氫氣瓶(簡(jiǎn)稱(chēng)Ⅲ型瓶)和塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞氫氣瓶(簡(jiǎn)稱(chēng)Ⅳ型瓶)。除具有氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的基本特點(diǎn)外，高壓氫氣瓶還具有以下特點(diǎn):

(1)體積、重量受限，受車(chē)內(nèi)空間限制，氣瓶的容積通常不大于450 L,其質(zhì)量越輕，越有利于提高整車(chē)性能及降低成本；(2)充裝要求特殊，氣瓶充裝速度快且需與加氫機(jī)實(shí)時(shí)通訊，乘用車(chē)的充裝時(shí)間通常為3～5 min, 氫氣快充會(huì)導(dǎo)致溫升，進(jìn)而影響氣瓶性能 ;(3)使用壽命長(zhǎng)，設(shè)計(jì)使用年限通常為10～15年，甚至更長(zhǎng)；(4)使用環(huán)境復(fù)雜多變，使用環(huán)境和車(chē)輛所在的地域、路況條件等有關(guān)，存在機(jī)械損傷、環(huán)境侵蝕等風(fēng)險(xiǎn)。

在國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局特種設(shè)備安全監(jiān)察局領(lǐng)導(dǎo)下，我國(guó)高壓氫氣瓶的總體發(fā)展思路是：結(jié)構(gòu)從Ⅲ型到Ⅳ型，壓力從低到高，穩(wěn)步推進(jìn)。目前，公稱(chēng)工作壓力為35 MPa和70 MPa的Ⅲ型瓶已實(shí)現(xiàn)自主設(shè)計(jì)制造和批量生產(chǎn)，質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度3.8%～4.5%,達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，廣泛用于氫燃料電池電動(dòng)汽車(chē)等氫燃料電池交通運(yùn)載工具，目前在役數(shù)量超過(guò)4萬(wàn)只。

Ⅳ型瓶在國(guó)外的研發(fā)和應(yīng)用較早，美國(guó)Hexagon、日本豐田、韓國(guó)ILJIN等都已研發(fā)出了70 MPa的Ⅳ型瓶產(chǎn)品，質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度已達(dá)5.7%。科技部于2019年立項(xiàng)支持“70 MPa車(chē)載高壓儲(chǔ)氫瓶技術(shù)”研究，2019年和2020年我國(guó)分別頒布了團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CATSI 02 005—2019《液化石油氣高密度聚乙烯內(nèi)膽玻璃纖維全纏繞氣瓶》和T/CATSI 02 007—2020《車(chē)用壓縮氫氣塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》,有力推動(dòng)了我國(guó)Ⅳ型瓶的發(fā)展。目前，我國(guó)LPG-Ⅳ型瓶產(chǎn)能已超100萬(wàn)只/年，Ⅳ型氫氣瓶產(chǎn)品也已面市。
道路輸氫設(shè)備通過(guò)公路、鐵路等輸送、分配氫氣，適用于距離短、氫氣使用量較少的場(chǎng)合，主要包括長(zhǎng)管拖車(chē)和管束式集裝箱。我國(guó)已有較成熟的長(zhǎng)管拖車(chē)和管束式集裝箱設(shè)計(jì)制造和使用經(jīng)驗(yàn)。該類(lèi)設(shè)備的公稱(chēng)工作壓力通常為20～30 MPa, 容積不大于3 000 L,單車(chē)運(yùn)氫量不超過(guò)500 kg, 運(yùn)輸效率低、成本高。為提高單車(chē)氫氣運(yùn)輸量，科技部于2020年將“公路運(yùn)輸用高壓、大容量管束集裝箱氫氣儲(chǔ)存技術(shù)”列入“可再生能源與氫能技術(shù)”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)，研制50 MPa以上大容量碳纖維纏繞儲(chǔ)氫瓶與管束式集裝箱。
氫氣管道分為工業(yè)管道、長(zhǎng)輸管道、公用管道和專(zhuān)用管道。工業(yè)管道用于制氫、冶金、電子、建材、電力、化工等企業(yè)內(nèi)輸送氫氣；長(zhǎng)輸管道用于遠(yuǎn)距離集中輸送氫氣；公用管道是指城鎮(zhèn)氫氣管道；專(zhuān)用管道是指加氫站、氫燃料電池汽車(chē)供氫系統(tǒng)、氫安全試驗(yàn)設(shè)備等的氫氣管道。氫氣管道具有種類(lèi)多、管徑和壓力范圍大、量大面廣等特點(diǎn)。目前，歐美地區(qū)已建成多條氫氣長(zhǎng)輸管線(xiàn)，總長(zhǎng)度逾5 000 km。相比之下，我國(guó)雖然在氫氣工業(yè)管道、專(zhuān)用管道方面積累了較為豐富的管道設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，但氫氣長(zhǎng)輸管道建設(shè)起步較晚，總里程約500 km, 詳細(xì)情況見(jiàn)表1。
氫氣長(zhǎng)輸管道的造價(jià)較高。將氫氣以一定比例摻入天然氣，利用現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)輸氫可以大幅降低建設(shè)成本，是解決氫氣大規(guī)模運(yùn)輸?shù)姆桨钢弧Ｄ壳?，摻氫天然氣管道技術(shù)已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外高度重視。我國(guó)先后在遼寧朝陽(yáng)、河北張家口等地開(kāi)展了摻氫天然氣輸送示范，但尚未進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用。摻氫天然氣輸送仍面臨材料與氫相容性、混合與計(jì)量、安全評(píng)估等技術(shù)難題。科技部于2021年將“中低壓純氫與摻氫燃?xì)夤艿垒斔图捌鋺?yīng)用關(guān)鍵技術(shù)”列入“氫能技術(shù)”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)，開(kāi)展中低壓(≤4 MPa)純氫與摻氫燃?xì)夤艿垒斔图捌鋺?yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究。

為了引導(dǎo)氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的健康發(fā)展，我國(guó)對(duì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的制定極為重視，已經(jīng)在測(cè)試方法、產(chǎn)品等方面制定了系列標(biāo)準(zhǔn)。

在材料氫脆性能檢測(cè)評(píng)估方面，頒布了GB/T 34542.2—2018《氫氣儲(chǔ)存輸送系統(tǒng) 第2部分：金屬材料與氫環(huán)境相容性試驗(yàn)方法》和GB/T 34542.3—2018《氫氣儲(chǔ)存輸送系統(tǒng) 第3部分：金屬材料氫脆敏感度試驗(yàn)方法》,目前正在起草非金屬氫相容性測(cè)試國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。在產(chǎn)品性能測(cè)試方面，已頒布T/CMES 16003—2021《車(chē)用高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)氫氣壓力循環(huán)測(cè)試與泄漏/滲透測(cè)試方法》等團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。

在固定式儲(chǔ)氫高壓容器方面，已頒布GB/T 26466—2011《固定式高壓儲(chǔ)氫用鋼帶錯(cuò)繞式容器》、T/CATSI 05003—2020《加氫站儲(chǔ)氫壓力容器專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)要求》、T/CATSI 02013—2021《加氫站用高壓儲(chǔ)氫氣瓶安全技術(shù)要求》等標(biāo)準(zhǔn)。在高壓氫氣瓶方面，GB/T 35544—2017《車(chē)用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》和T/CATSI 02 007—2020均已頒布，Ⅳ型儲(chǔ)氫氣瓶國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)正在制訂。在道路輸氫設(shè)備方面，已頒布行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 10354—2019《長(zhǎng)管拖車(chē)》和NB/T 10355—2019《管束式集裝箱》。

目前，我國(guó)正在組織起草加氫站儲(chǔ)氫壓力容器、氫氣瓶組合閥、氫氣瓶定期檢驗(yàn)、加氫站氫氣充裝協(xié)議等相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
安全可靠是氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備最基本的要求，目前該類(lèi)設(shè)備依然在法規(guī)、技術(shù)及管理等方面存在風(fēng)險(xiǎn)。法規(guī)方面，現(xiàn)有的特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范缺少針對(duì)35 MPa以上氫能儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的基本安全要求；技術(shù)方面，存在材料氫環(huán)境性能數(shù)據(jù)缺失、產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法選擇不當(dāng)、產(chǎn)品性能一致性差、設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)能力不足及方法缺失等風(fēng)險(xiǎn)；管理方面，存在設(shè)備與使用場(chǎng)景不匹配(如氣瓶直接用于加氫站儲(chǔ)氫)、盲目進(jìn)口國(guó)外產(chǎn)品等風(fēng)險(xiǎn)。

此外，隨著從示范階段向商用階段逐步轉(zhuǎn)變，氫燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)載供氫系統(tǒng)壓力逐漸從35 MPa 向70 MPa發(fā)展，加氫站儲(chǔ)氫容器設(shè)計(jì)壓力也逐漸從50 MPa提升到98 MPa, 這對(duì)氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備提出了更高的安全要求。

輕量化是車(chē)載高壓氫氣瓶、長(zhǎng)管拖車(chē)及管束式集裝箱等氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的基本要求。實(shí)現(xiàn)輕量化不但有益于提升整車(chē)的動(dòng)力性能，而且有益于提高燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航能力，以及長(zhǎng)管拖車(chē)和管束式集裝箱的輸氫能力。

美國(guó)能源部(DOE)發(fā)布了車(chē)載儲(chǔ)氫氣瓶輕量化發(fā)展目標(biāo)：2025年質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度達(dá)到5.5%,最終目標(biāo)為6.5%。目前，國(guó)內(nèi)外Ⅲ型瓶的質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度可達(dá)4.5%,Ⅳ型瓶的質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度通常比Ⅲ型瓶高，豐田公司的Ⅳ型瓶已達(dá)到5.7%。

為了推動(dòng)我國(guó)氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的輕量化發(fā)展，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“70 MPa車(chē)載高壓儲(chǔ)氫瓶技術(shù)”的技術(shù)指標(biāo)中要求質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度不小于5.0%。對(duì)于長(zhǎng)管拖車(chē)和管束式集裝箱等設(shè)備，目前主要通過(guò)提升儲(chǔ)氫壓力以及優(yōu)化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)等方式實(shí)現(xiàn)輕量化，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“公路運(yùn)輸用高壓、大容量管束集裝箱氫氣儲(chǔ)存技術(shù)”的技術(shù)指標(biāo)中要求公稱(chēng)工作壓力不小于50 MPa, 質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度不小于5.5%。

氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備在加氫站、氫燃料電池電動(dòng)汽車(chē)等系統(tǒng)中所占的成本比例較高。例如，加注能力為800 kg/天的70 MPa加氫站中儲(chǔ)氫容器所占成本比例約為15%,且加氫站規(guī)模越大，儲(chǔ)氫容器所占成本比例越高。

因此，降低氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的成本對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)整體成本的降低有重要意義。DOE發(fā)布了固定式儲(chǔ)氫容器和燃料電池汽車(chē)用氫氣瓶的成本目標(biāo)：固定式低壓(16 MPa)儲(chǔ)氫容器儲(chǔ)存1 kg氫氣的最終成本目標(biāo)為450美元，中壓(43 MPa)和高壓(92.5 MPa)容器為600美元；車(chē)載氫氣瓶?jī)?chǔ)存1 kg氫氣的最終成本目標(biāo)為266美元。

目前，在滿(mǎn)足安全性等基本要求的前提下，降低成本依然是氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備面臨的挑戰(zhàn)。在氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的建造成本中，材料成本所占比例最高，因此通過(guò)開(kāi)發(fā)高性能、低成本抗氫材料可以有效降低設(shè)備成本。此外，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)、改進(jìn)設(shè)計(jì)方法和制造工藝、實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)也可以降低設(shè)備成本。

基于氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備面臨的諸多挑戰(zhàn)，亟需加強(qiáng)以下研究。

(1)材料高壓氫脆機(jī)制及臨氫性能數(shù)據(jù)庫(kù)。

加強(qiáng)高壓氫脆機(jī)制研究，不但有益于更為深刻地認(rèn)識(shí)氫脆現(xiàn)象的本質(zhì)，而且有益于高性能、低成本抗氫材料的開(kāi)發(fā)，以及氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備抗氫脆設(shè)計(jì)制造方法的建立和服役性能的調(diào)控。然而，由于高壓氫環(huán)境下材料力學(xué)性能的劣化是氫與損傷交互作用的結(jié)果，該過(guò)程涉及氫的侵入、傳輸、偏聚以及氫致?lián)p傷、氫促進(jìn)損傷演化發(fā)展等一系列復(fù)雜行為，且受到材料、環(huán)境、載荷等因素的顯著影響，因此機(jī)制極為復(fù)雜。

目前，已經(jīng)對(duì)氫在材料中的溶解、擴(kuò)散及偏聚等行為開(kāi)展了深入研究，并提出了諸多氫致開(kāi)裂理論，包括氫促進(jìn)局域化塑性變形理論、弱鍵理論、氫壓理論、氫吸附降低表面能理論等，然而這些理論雖能夠解釋部分氫脆現(xiàn)象，但還沒(méi)有一種理論能夠完全闡釋氫的作用機(jī)制。現(xiàn)階段，材料高壓氫脆機(jī)制仍不明確，亟需加強(qiáng)該方面的研究。

目前，我國(guó)已初步形成高壓氫氣環(huán)境下材料、零部件和系統(tǒng)的安全性能檢測(cè)能力,并建立了鉻鉬鋼、奧氏體不銹鋼、管線(xiàn)鋼、6061鋁合金等常用材料氫脆數(shù)據(jù)庫(kù)，為氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的發(fā)展提供了重要支撐。但是，高壓氫氣環(huán)境下壓力容器用鋼疲勞設(shè)計(jì)曲線(xiàn)、疲勞門(mén)檻值等關(guān)鍵數(shù)據(jù)仍在測(cè)試，非金屬材料、零部件及氫系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)還極為匱乏，抗氫性能測(cè)試評(píng)價(jià)方法尚需完善。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的缺乏使得氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備在選材、設(shè)計(jì)、制造工藝優(yōu)化等方面面臨困難。例如，T/CATSI 05003—2020雖然規(guī)定加氫站儲(chǔ)氫容器的疲勞評(píng)定可采用疲勞設(shè)計(jì)曲線(xiàn)法，但由于尚無(wú)高壓氫環(huán)境下的材料疲勞設(shè)計(jì)曲線(xiàn)，該方法在實(shí)際應(yīng)用中受限。

(2)可靠性設(shè)計(jì)制造技術(shù)。

可靠性設(shè)計(jì)制造技術(shù)是保障氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備本質(zhì)安全的重要手段。我國(guó)已在氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備失效模式、失效機(jī)制、設(shè)計(jì)方法、服役性能預(yù)測(cè)及調(diào)控等方面開(kāi)展了深入研究,但在可靠性設(shè)計(jì)制造方面仍存在諸多不足。

例如：針對(duì)加氫站用固定式儲(chǔ)氫高壓容器，有的直接選用JB/T 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(2005年確認(rèn))進(jìn)行設(shè)計(jì)，然而該標(biāo)準(zhǔn)中的疲勞設(shè)計(jì)方法和數(shù)據(jù)未考慮高壓氫環(huán)境的影響；有的則直接將車(chē)載儲(chǔ)氫氣瓶用于加氫站儲(chǔ)氫，卻忽視了車(chē)載儲(chǔ)氫和加氫站儲(chǔ)氫的載荷差異；我國(guó)高壓氫氣瓶的質(zhì)量穩(wěn)定性與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品相比還存在差距，產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力有待提升。

針對(duì)目前存在的問(wèn)題，亟需系統(tǒng)考慮設(shè)備服役條件并甄別可能面臨的失效模式，完善相關(guān)設(shè)計(jì)方法。同時(shí)，加強(qiáng)生產(chǎn)過(guò)程控制，采用統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制等先進(jìn)管理方法對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的變量進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定、可預(yù)測(cè)，為生產(chǎn)過(guò)程的分析和優(yōu)化提供依據(jù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)能力。

(3)檢驗(yàn)檢測(cè)監(jiān)測(cè)及診斷評(píng)估。

缺陷和損傷在氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的制造、使用過(guò)程中會(huì)不可避免地出現(xiàn)，并可能在載荷和環(huán)境的共同作用下引起設(shè)備失效。基于在線(xiàn)檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)設(shè)備典型缺陷和損傷的演化行為及規(guī)律進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，并對(duì)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進(jìn)行診斷評(píng)估，是防止設(shè)備在服役周期內(nèi)發(fā)生突然失效的有效方法。

“車(chē)載復(fù)合材料儲(chǔ)氫氣瓶服役檢測(cè)監(jiān)測(cè)及診斷評(píng)估”已被列為“十四五”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)“氫能技術(shù)”的共性關(guān)鍵技術(shù)，有望突破塑料內(nèi)膽焊接接頭及復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)、瓶閥座與塑料內(nèi)膽連接接頭性能預(yù)測(cè)與質(zhì)量檢測(cè)、缺陷和損傷的在線(xiàn)檢測(cè)監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)診斷等技術(shù)。

此外，對(duì)服役過(guò)程中設(shè)備關(guān)鍵安全狀態(tài)參數(shù)(壓力、溫度等)及氫濃度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并依托互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)建立設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，是構(gòu)建和優(yōu)化氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備安全防護(hù)機(jī)制的重要手段，在加氫站等場(chǎng)合中具有廣闊的應(yīng)用前景。

(4)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系完善。

我國(guó)雖已頒布系列氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，但主要是測(cè)試方法和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，尚未形成完整體系。亟需加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)體系研究，以及臨氫材料選用、定期檢驗(yàn)、輸氫設(shè)備等標(biāo)準(zhǔn)制定工作。在標(biāo)準(zhǔn)的具體技術(shù)內(nèi)容方面也還需加強(qiáng)研究。例如：T/CATSI 05003—2020雖然規(guī)定了加氫站儲(chǔ)氫容器材料、設(shè)計(jì)、制造及使用管理等要求，但大多數(shù)是原則性和指導(dǎo)性規(guī)定，對(duì)具體方法和技術(shù)細(xì)節(jié)的規(guī)定不足，亟需補(bǔ)充和完善。 

原標(biāo)題：我國(guó)氫能高壓儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)