《氢能与燃料电池产业应用人才培养丛书 氢气储存和运输》邹建新编|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《氢能与燃料电池产业应用人才培养丛书 氢气储存和运输》

【作　者】邹建新编

【丛书名】氢能与燃料电池产业应用人才培养丛书

【页 数】 162

【出版社】 北京：机械工业出版社 , 2023.05

【ISBN号】978-7-111-72574-9

【价 格】69.80

【分 类】氢能-输送-氢能-储存

【参考文献】 邹建新编. 氢能与燃料电池产业应用人才培养丛书 氢气储存和运输. 北京：机械工业出版社, 2023.05.

图书封面：

图书目录：

《氢能与燃料电池产业应用人才培养丛书 氢气储存和运输》内容提要：

氢气的储运方式主要有气态储运、液态储运、固态储运，目前应用最广泛的是气态储运，但是随着氢能产业的快速发展和技术的创新，液态储运技术和固态储运技术发展迅速。本书主要对氢气的储存方式和运输方式进行详细的讲解，结合最新的技术以及发展现状，对氢气储运的原理以及关键技术进行了详细分析，内容包括氢气储运技术概述、物理储氢技术、化学储氢技术、固态储氢技术、其他储氢技术、储运氢技术应用现状。本书不仅可以作为高等院校、氢燃料电池研究机构和企业工程技术人才培养的专业教材和参考资料，而且可以直接服务于氢能产业的自主创新，推动了我国氢能汽车技术进步。

《氢能与燃料电池产业应用人才培养丛书 氢气储存和运输》内容试读

第1章氢气存储与运输概述

.1

概论

氢(H)是一种化学元素，在元素周期表中位列第一位。氢主要以化合态形式出现，而

通常情况下，氢的单质形态为氢气。氢气是已知密度最小的气体，由双原子分子组成，无色、无味，具有还原性，可从水、化石燃料等含氢物质中制取，是重要的工业原料及能源载体。氢气燃点低、爆炸区间广且扩散系数大，见表1-1。因此，氢气发生泄漏后容易消散，且不易形成可爆炸喷雾，在开放空间下较为安全可控。氢气的热值较高，是理想的二次能源载体。

表1-1氢气、汽油蒸气、天然气对比

技术指标

氢气

汽油蒸气

天然气

爆炸极限(%)

4.1-75

1.4-7.6

5.3-15

燃烧点能量/

0.02

0.2

0.29

扩散系数/(m2/s)

6.11×10

0.55×10

1.61×10

热值/(M/kg)

142

4

47.5

氢能是指以氢气作为原料、来源广泛、清洁无碳、应用场景丰富的可再生能源。作为新型能源之一，氢能拓展程度相对较低，但环保效果极佳，具有热值高、制取成本较低、零碳排放等多重优点，可用于储能、发电、交通工具燃料驱动、家用燃料等。因此，氢能也成为支撑可再生能源大规模发展、推动传统能源结构转型的理想媒介，是实现我国“双碳”目标的重要途径，也是我国能源安全的一道重要保障，以及交通、工业、电力、建筑等多领域实现大规模深度脱碳的重要方式，有助于拉动产业链上下游多环节共同发展、协同多产业共同进步、提供经济发展驱动力。

目前全球多个国家和地区已颁布了氢能产业发展路径图。例如，2020年4月，荷兰

1

氢气储存和运输

正式发布国家级氢能政策，计划到2025年，建设50座加氢站、投放15000辆燃料电池汽车和3000辆重型汽车；到2030年投放300000辆燃料电池汽车。2020年6月，德国政府正式通过了国家氢能源战略，为清洁能源未来的生产、运输、使用和相关创新、投资制定了行动框架。2020年6月，法国交通部长宣布支持一项在2035年实现绿色氢燃料飞机的计划。2020年7月，欧盟发布了《欧盟氢能战略》和《欧盟能源系统整合策略》，希望借此为欧盟设置新的清洁能源投资议程，以达成在2050年实现碳中和的目标，同时在相关领域创造就业机会，进一步刺激欧盟在后疫情时代的经济复苏。美国、日本、韩国也将在已推出的氢能发展路线图基础上继续支持氢能产业的发展。2022年3月，国家发展改革委和能源局联合发布了《氢能产业发展中长期规划(2021一2035年)》，明确了氢能的三大战略定位：氢能是未来国家能源体系的重要组成部分；氢能是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体；氢能产业是战略性新兴产业和未来产业重点发展方向。根据中国氢能联盟的预计，2020一2025年间，中国氢能产业产值将达1万亿元，2026一2035年产值则将达到5万亿元

氢能产业主要分为制氢、储氢、运氢、加氢、用氢等环节，如图1-1所示。氢能供应体系，以实现绿色经济高效便捷的氢能供应体系为目标，中国将在氢的制储运加各环节逐渐突破。

氢气制取

上游

制氢

化石能源制氢

工业副产氢

其他工艺制氢

(煤、天然气)

(焦炉煤气、氯

电解水制氢

碱尾气等)

生物、光催化等】

氢气储运

加氢

中游

气态储运氢

液态储运氢

固态储运氢（金属氢化

储运

(高压气瓶、

(液氢、富氢液体

物材料、物理吸附储氢

氢/加氢

增压泵

阀件

管道输氢)

化合物)

材料、复杂氢化物材料】

机

储运装置

加氢站建设及关健装置

下游

用氢

燃料电池/氢内燃机动力系统

氢燃料车

季节性储能

分布式发电

氢治金/氢化工

图11氢能产业的主要环节

1)制氢：化石能源制氢为目前主流，而电解水制氢是未来最具潜力的绿色制氢方式。

2)储氢：目前高压气储氢为主流，未来液氢、富氢液体、固体氢化物等先进储氢技术待突破。

3)运氢：与储氢方式紧密相关，气态储运、液态储运、固态储运等不同运气方式适宜不同应用场景。

2

第1章氢气存储与运输概述

4)加氢：加氢站为重要基础设施，到2025年我国加氢站建设目标为至少1000座。5)用氢：氢气作为燃料，主要通过燃料电池或氢内燃机的方式转换成电能或动能，并用于氢燃料汽车、季节性储能、分布式发电等领域；或作为原料，用于氢冶金或氢化工等领域。

在氢能产业环节中，氢气的储存与运输是关键环节。根据储氢方式的不同，氢气的储存和运输可以分为高压气态储运氢、液态储运氢、固态储运氢，如图1-2所示。

氢气储存和运输方式

高压气态储运氢

液态储运氢

固态储运氢

高压气瓶

管道输氢

液氢储运

富氢化合物储运

化学储氢

物理储氢

H

H

at

储氢合金及金属氢化物

配位氢化物

氨硼烷及衍生物

金属有机框架材料

碳材料

多孔材料

H

能。

oos-.tos-.

图1-2氢气储存与运输的主要方式

1)高压气态储运氢是指氢气以高压气态形式进行储存与运输的技术，氢气的储存密度与氢气压力直接相关。高压气态储运氢主要分为高压气瓶和管道输氢，前者将氢气储存在容器中进行运输，而后者则通过管道进行连续性运输。

2)液态储运氢是指氢气以液态氢或液态富氢化合物的形式进行运输的技术。液态储运氢主要分为液氢储运和富氢化合物储运，前者是将氢气降温至-253℃液化成液氢进行储运，后者是将氢气储存在富氢化合物（如液氨、甲醇、甲苯、二甲基咔唑等）中进行储运，并通过催化加氢/脱氢的方式进行氢气储存和释放。

3)固态储运氢是指绝大部分氢固定于固态储氢材料中进行储存和运输的技术。固态储氢材料的种类繁多，大体可分为储氢合金及金属氢化物（如稀土基、Ti基、Mg基、V基等)、配位氢化物（如LiAlH4、NaBH4等）、金属氮氢化合物（如LiNH2、LiAl(NH2)4等）、氨硼烷及衍生物（如NH,BH,、LiNH2 BH3等）、金属有机框架材料（如ZF-8等)、碳材料（如石墨烯、纳米碳管等）等。

目前，在众多储运氢技术中，高压气瓶储运是最为成熟的储运氢技术；管道输氢和液氢在国外已有较为成熟的应用，但是我国的工程应用相对缺乏；富氢化合物和固态储运氢技术处于产业化发展初期，只有少量示范应用。根据《氢能产业发展中长期规划(2021一2035年)》，我国未来的储运氢方式是高密度、轻量化、低成本、多元化的氢储运体系，多种储

氢气储存和运输

运氢方式应根据应用场景的不同进行合理选择。

1.2高压气态储运氢

氢气的存储是氢能使用过程中的关键环节之一，高压储氢是指在氢气临界温度以上通过增压的方式将其以高密度气态形式存储在压力容器中，以便于氢气的运输与使用，是现阶段最普遍、最直接、最成熟的储氢方式。相较于其他储氢方式而言，这种方法不仅成本低，充放气速度快，在常温下即可实现氢气的充放及相关充放速率的调节，而且在储存、运输、使用过程中，氢气并未发生相变，因此整体能量损失少，所需相关设备数量也较少。

1.2.1高压气瓶

根据高压储氢容器的不同使用要求，高压储氢可分为固定式高压储氢和移动式高压储氢（车载轻质高压储氢和运输用高压储氢）。

(1)固定式高压储氢

固定式高压储氢主要应用于加氢站储氢，是为适应氢气大规模、低成本储存的要求发展起来的。据H2 stations.org的统计，截至2020年底，全球共建成加氢站553座，其中约430座加氢站采用高压储氢技术。同年底，中国共建有118个加氢站（不包括3个拆除的加氢站)，投产率超过85%，均采用高压储氢技术，其中大部分，如安亭加氢站、张家口加氢站、东华能源加氢站等采用35MPa的加氢标准，少部分如常熟丰田加氢站采用70MPa加氢标准，而其他国家地区大部分（如德国汉堡港口新城加氢站、美国加利福尼亚本田加氢站）等均采用70MPa的加氢标准。

氢气的存储是加氢站中最重要的一环，一般有两种存储类型：一种是使用较大容积的压力容器进行存储；另一种是采用小容积的压力容器组进行存储。加氢站站内储氢系统所用高压储氢容器主要分为无缝高压储氢容器和钢带错绕式高压储氢容器两种。其中，前者主要是45MPa大容积钢制无缝储氢容器，该类储氢容器组参照美国机械工程师协会(American Society of Mechanical Engineers,ASME)标准及TSG21一2016《固定式压力

容器安全技术监察规程》的要求进行设计制造，主体材质为4130X高强度结构钢，单

个容器公称容积为0.895m3。后者一般是大容积多层钢制高压储氢容器，例如浙江大学设计的容积为1~20m3的50MPa与98MPa压力容器，具体参数见表1-2。由于加氢站主要利用储氢容器和车载供氢系统间的压力差进行加氢，因此其最高设计压力等级通常与加注车辆车载储氢的压力等级相匹配，除了利用长管拖车作为20MPa移动储氢设施外，35MPa加氢站站内最高固定储氢设计压力一般取45MPa、47MPa、50MPa,而70MPa加氢站站内最高固定储氢设计压力一般取82MPa、87.5MPa、98MPa、103MPa2。通常情况下，加氢站内所用的储氢容器采用低压(20~30MPa)、中压(30~40MPa)和高压(40~75MPa)三级压力

进行储氢，有时氢气长管拖车也作为一级储气(10~20MP)设施，构成4级储气的

方式。

4

第1章氢气存储与运输概述

表12大容积多层钢制高压储氢容器参数

规格

1

2

3

4

5

6

7

设计压力/Pa

98

50

50

50

50

50

50

容积/m3

1.0

5.0

7.3

10.0

13.0

15.0

20.0

内直径/mm

500

1200

1500

1500

1500

1500

1500

总长度/m

5.9

5.5

5.3

6.8

8.5

9.6

12.2

有效储氢质量/kg

50

114

210

288

375

432

576

(2)移动式高压储氢

在移动式高压储氢中，运输用高压储氢容器主要用于将氢气由产地运往使用地或加氢站，而车载轻质高压储氢则是为适应氢能汽车移动式供氢要求发展而来的。运输用高压储氢容器早期多采用长管拖车来运输，其由数个旋压收口成型的高压容器组成，氢气存储压力为16~21MPa,整车运输氢气量一般不超过380kg。为进一步增大单车运输氢气量，降低运输成本，国外部分研究单位开始将缠绕技术用于研制运输用高压储氢容器，并成功开发了相关产品。如2008年Spencer复合材料有限公司成功研制玻璃纤维全缠绕结构的低成本大容器高压储氢容器，挪威Hexagon Lincoln复合材料有限公司也成功开发出碳纤维缠绕结构大容积高压储氢容器，其工作压力为25MPa,单台有效容积达8.5m3,储氢量约150kg。随后，该

公司又研制出公称压力达25~54MP的纤维全缠绕高压储氢容器，并将其应用于长管拖车，

单车运输氢气量达560~720kg。在我国，石家庄安瑞科气体机械有限公司生产的20MP大容积钢质无缝压力容器应用较为广泛。

为保障氢燃料电池汽车的续驶里程，车载轻质高压储氢需在车用有限空间中最大限度地存储尽可能多的氢气，这便对车载高压储氢容器提出了更高的要求。2003年美国能源部(Department of Energy,DOE)提出的车载轻质高压储氢单位质量和单位体积储氢密度要求分别为6wt%OH2和60kgH2/m3,但考虑到现有示范成果的技术基础、成本等因素，DOE

随后对这一目标做出了修正。现阶段DOE针对轻型燃料电池车辆车载储氢的技术指标目标

为：到2020年，质量储氢密度（系统）达到4.5wt%,体积储氢密度（系统)达到30g/L:到2025年，质量密度（系统）达到5.5wt%,体积密度（系统)达到40g/L；最终质量密度（系统）要达到6.5wt%,体积密度（系统）应达到50g/L。为达到这一目标，车载高压储氢容器不仅要轻，而且储氢压力还要高。国外许多企业近年来已研制出多种规格型号的复合材料高压储氢容器，其高压储氢容器的设计制造技术已处于世界领先水平。日本汽车研究所已开发出储氢压力达35MPa和7OMPa的复合材料高压储氢瓶，但70MPa气瓶的储氢能力较35MPa气瓶仅增加60%，其极限储氢能力和密闭性能还有待进一步提高和完善。丰田最新款氢燃料电池车“Mirai二代”所搭载的70MPaV型储氢瓶数量，从一代的2个变成3个（布置图如图1-3所示)，储氢密度从5.7wt%提升至6.0wt%,储氢容量从122.4L提高至

142.2L,储氢量增加到5.6kg。韩国现代公司的Nexo燃料电池汽车，也搭载了3个70MP储氢瓶（布置图如图1-4所示），储氢容量为156.6L,共储存6.33kg氢气，储氢质量密度为

⊙wt%为行业通用单位，表示质量分数。

5

氢气储存和运输

5.7wt%。在我国，车载储氢瓶的研发和设计工作开始于“十五”期间，相较于国外起步较晚。浙江大学化工机械研究所在国内率先试制成功了工作压力40MPa,容积在0.1~100L的高压储氢瓶。同济大学开发了35MPa与70MPa的铝合金内胆复合材料储氢瓶，并已小批量应用于上汽研发的荣威950燃料电池轿车。此外，北京天海公司和北京科泰克科技公司分别开发的54L和65L铝内胆储氢瓶，储氢压力达到70MPa。现阶段，国内只有一家企业弗吉亚斯林达取得了高压塑料内胆复合材料储氢瓶的生产制造许可，其余企业均处于探索阶段。

储氢瓶

图1-3“Mirai二代”70MPaV型储氢瓶布置图

BHDC/LDC高压电缆12V辅助电池

高压接线盒

高压电池总成

燃料电池系统

减速器

燃料供应管

驱动电机

储氢▣

图1-4现代Nexo70MPa储氢瓶布置图

在高压储氢技术实际运用中，值得注意的是，

CH

氢气在高温低压时可被认为是理想气体，通过理

H

想气体状态方程PV=nRT可计算其在不同温度和压力时的质量。然而，由于实际气体分子体积和分子相互作用力的原因，随着温度的降低和压力的

NH

升高，氢气将偏离理想气体的性质，范德华方程不1.000

理想气体

再适用。实际气体与理想气体的偏差在热力学上可用气体压缩因子Z表示，定义为Z=PV/nRT。从图1-5可看出，在0℃时，氢气的压缩因子随压力的增加而增大，这意味着随着压力的增大，氢气越来越难被压缩。因此，为达到更高的氢气储存

图150℃时几种气体的Z-P曲线

6

···试读结束···