中國儲能網(wǎng)訊：氫氣來源多樣、利用高效、清潔環(huán)保、廣泛應(yīng)用于能源、化工、煉油、交通等行業(yè)。國際氫能委員會預(yù)計,到2050年,氫能在全球能源中所占比重有望達到18%。作為能源戰(zhàn)略重點支持的方向，近年來我國氫氣需求量激增。2019年，我國氫氣產(chǎn)量超2000萬噸，居全球第一。
“我們的總體思路是，瞄準(zhǔn)國家重大需求，攻克關(guān)鍵技術(shù)，創(chuàng)建檢測平臺，制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，研制核心裝備，實現(xiàn)我國氫氣規(guī)?；峒冄b備與高壓儲存裝備自主可控?！表椖康谝煌瓿扇耍憬髮W(xué)能源工程學(xué)院教授鄭津洋帶領(lǐng)項目組，緊盯高壓氫脆防控、氫氣高效儲存和規(guī)?；峒?nèi)笫澜珉y題，取得三大創(chuàng)新成果，經(jīng)過近20年的科研攻關(guān)，將我國大容量高壓氫氣儲存裝備技術(shù)和大型高壓氫氣提純裝備技術(shù)推至國際領(lǐng)先水平。
在日前召開的國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會上，這項成果獲得2020年度國家科學(xué)技術(shù)進步獎二等獎。
基理研究，實現(xiàn)氫脆防控和檢測
氫能應(yīng)用的關(guān)鍵之一在于儲氫技術(shù)，即如何實現(xiàn)安全、高效、經(jīng)濟的氫氣儲存。當(dāng)前，儲氫方式主要有氣態(tài)儲氫、液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫3種，相較而言，高壓氣態(tài)儲氫具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、充裝和排放速度快、溫度適應(yīng)范圍寬等優(yōu)點，是世界各國優(yōu)先重點發(fā)展的氫能儲存技術(shù)。
但是，設(shè)計和制造安全高效高壓儲氫裝備并非易事。盛裝高壓高純度氫氣的儲氫裝備，具有氫氣易泄漏擴散、可燃范圍廣的特點，且易引發(fā)高壓氫脆，導(dǎo)致材料性能劣化，甚至造成突然斷裂和爆炸。比如，2019年5月和6月，韓國、美國和挪威就相繼發(fā)生爆炸事故。
要實現(xiàn)安全高效高壓儲氫，最首要和基礎(chǔ)的任務(wù)是揭示高壓氫脆機理并實現(xiàn)性能調(diào)控。
鄭津洋介紹，氫脆是一個古老的話題，100多年前就有研究介入。但是項目實施前，國內(nèi)外普遍的測試手段是預(yù)充氫檢測，即將已預(yù)先充氫的材料在空氣環(huán)境中進行力學(xué)性能測試。顯然，這種方法無法模擬儲氫裝備的實際工作環(huán)境。
基于產(chǎn)業(yè)需求，鄭津洋帶領(lǐng)團隊攻克高壓氫氣密封、加載桿軸向力平衡等關(guān)鍵技術(shù)，發(fā)明了140MPa快開式材料高壓氫脆原位檢測裝置，解決了傳統(tǒng)預(yù)充氫試驗中長期困擾的“充氫和加載不同步”這一突出問題，為高壓氫脆研究提供了不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備。使我國成為繼美國、日本后第三個有在140MPa壓力下開展高壓氫脆科學(xué)研究能力的國家。
30CrMo、S30408、S31603等6種國產(chǎn)金屬材料，在我國高壓儲氫裝備中最為常用。團隊對這6種材料，在5至140MPa的高壓氫氣環(huán)境中原位測試力學(xué)性能，并在此基礎(chǔ)上建立了國內(nèi)首個材料高壓氫脆數(shù)據(jù)庫，為高壓氫氣儲存裝備研制提供了關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
不僅厘清材料成分及性能、應(yīng)力水平、工作環(huán)境等因素和高壓氫脆之間的關(guān)系。團隊還揭示了沖壓、旋壓、熱處理等制造工藝與微觀組織、氫偏聚、氫致開裂之間的關(guān)聯(lián)機制，為實現(xiàn)形性協(xié)同制造提供了關(guān)鍵核心技術(shù)。
基于以上研究結(jié)果，團隊創(chuàng)建了以抗氫脆設(shè)計制造為主、安全狀態(tài)監(jiān)控并重的防控技術(shù)體系，并成為國家標(biāo)準(zhǔn)。從而為設(shè)備的安全可靠加裝了全生命周期的保險閥。
設(shè)備落地，助推高效儲存和提純
機理研究先行，緊跟而上的還有產(chǎn)品制造。項目組根據(jù)氫氣高效儲存裝備和規(guī)模提純裝置的研發(fā)需求，開展產(chǎn)學(xué)研融通協(xié)同攻關(guān)，取得了特色鮮明的系統(tǒng)創(chuàng)新成果。
項目實施前，我國壓力超過35MPa的儲氫裝備長期處于空白，難以滿足加氫站、氫燃料電池汽車發(fā)展的需要。
世界各國也曾研發(fā)了多種結(jié)構(gòu)形式的高壓儲氫裝備。例如單層無縫瓶式鋼制容器、鋼內(nèi)膽碳纖維環(huán)向纏繞容器、塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞容器等，但是存在單臺容積小，鋼制容器用高強度鋼對高壓氫脆敏感，復(fù)合材料容器成本高的問題。
基于現(xiàn)實矛盾，團隊另辟蹊徑，提出以抗氫脆焊接薄內(nèi)筒為核心的全多層儲氫容器設(shè)計思想?！昂唵卫斫猓褪桥c高壓氫氣接觸的薄內(nèi)筒采用抗高壓氫脆性能優(yōu)良的材料，其余則采用普通高壓容器用鋼?！编嵔蜓蠼忉?。不僅如此，團隊建立了專門針對這類儲氫容器的設(shè)計方法，形成了制造過程中提高容器抗氫脆性能的技術(shù)，并牽頭制定了首部儲氫高壓容器產(chǎn)品國家標(biāo)準(zhǔn)。
此外，團隊還發(fā)明了小孔內(nèi)置式曲面耦合超聲相控陣檢測技術(shù)，即在儲氫容器服役周期內(nèi)，通過特制的檢測設(shè)備，深入儲氫容器內(nèi)部對容器安全狀態(tài)進行“體檢”，解決了全多層儲氫高壓容器氫致?lián)p傷無損檢測的難題，從而打通了全多層儲氫高壓容器從設(shè)計、制造、檢驗檢測的全技術(shù)鏈。
除了解決固定安裝的大容量高壓儲氫難題，團隊在車載輕質(zhì)高壓儲氫技術(shù)研發(fā)方面也產(chǎn)生了一系列成果。
開發(fā)隨車運動的高壓儲氫氣瓶，需要考慮火災(zāi)、頻繁快充、碰撞等極端服役條件，并盡量降低質(zhì)量和體積。在這一領(lǐng)域，團隊發(fā)明了纖維全纏繞復(fù)合材料高壓氫氣瓶性能預(yù)測系列方法，實現(xiàn)了高壓氫氣瓶強度-壽命-耐火多維協(xié)同設(shè)計制造，并主導(dǎo)制定了高壓氫氣瓶產(chǎn)品國家標(biāo)準(zhǔn)。
基于這些創(chuàng)新性技術(shù)，成果轉(zhuǎn)化和落地也在有序推進。團隊牽頭制定了高壓儲氫主要國家標(biāo)準(zhǔn)9項，參與制定國家標(biāo)準(zhǔn)27項、聯(lián)合國全球技術(shù)規(guī)范UN GTR13等國際規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)5項，有力推動了行業(yè)的科技進步及產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
在豐田常熟加氫站，團隊主持研制的98MPa儲氫高壓容器正在安全服役，不僅容積達到1m3，為世界最大，而且壽命長、成本低，在線檢漏功能更大大提升了安全性。另外，在上汽集團自主研發(fā)的榮威950等氫燃料電池汽車上，就裝載了團隊研制的國內(nèi)首臺70MPa高壓氫氣瓶。
在很長一段時間里，我國變壓吸附提純氫的規(guī)模小，每小時最大處理量僅7.5萬標(biāo)準(zhǔn)立方米，且壓力低，遠不能滿足國家重大工程建設(shè)的需要。于是，團隊與合作完成單位瞄準(zhǔn)高效特大型高壓變壓吸附提純氫氣裝置的需求，主導(dǎo)制定了變壓吸附提純氫系統(tǒng)安全國際標(biāo)準(zhǔn)，研制成功世界最大每小時34萬標(biāo)準(zhǔn)立方米煤制氣變壓吸附提純氫裝置，解決了大規(guī)模、高壓力、多雜質(zhì)氣源的氫氣分離提純國際難題。
目前，項目技術(shù)已應(yīng)用于氫能提純和高壓儲輸全行業(yè)，核心裝備在我國加氫站建設(shè)、氫燃料電池汽車發(fā)展中持續(xù)發(fā)揮著不可替代的關(guān)鍵作用。技術(shù)產(chǎn)品不僅應(yīng)用于國家能源、上汽等1000多家企業(yè)，也遠銷美國、韓國等20多個國家和地區(qū)。據(jù)了解，項目近三年新增銷售額 33.5億元、利稅5.4億元。隨著氫能的快速發(fā)展，其經(jīng)濟效益將更加顯著。
（文字 馬宇丹/攝影 盧紹慶/攝像 劉涵）
