探究 | 氢气的储存、运输、加注

1 氢气的存储

1.1 高压容器存储

由于气态的氢气质量密度很低,通常以高压气体的方式进行存储?最高压力为200bar（1bar=100000Pa）的高压容器目前是一种成熟可靠的技术,广泛应用于储存氢气和天然气?再高的压力允许容积能力现已得到改善,但当达到较高压缩比时,压缩功耗就不能忽略?为了应对安全问题,未来的压力容器包括三层:聚合物衬垫内层,高强度和高弹性的碳纤维复合材料包裹中层,以及能够承受机械和腐蚀损伤的芳纶材料外层?

1.2 低温液态存储

低温液态存储技术是一种可以代替高压储气的有效方法?它可显著提高氢气以气态化合物储存时不理想的体积密度值?在很高的压力(700bar)作用下,气态氢气的质量密度不到40kg/m3,而液态的质量密度大约是70kg/m3?然而,需要考虑一些安全和制造方面的问题来对这项技术进行全面的分析?

1.3 固体材料存储

根据形成氢载体的原理不同,可以把固体材料储氢分为物理吸附储氢和化学氢化物储氢?

(1)物理吸附储氢

某些金属可以用作储氢介质,因为某些金属或合金在加热后能吸收氢并释放,从而产生所谓的金属氢化物?从理论上讲,这是氢与金属合金或金属之间的反应,金属氢化物是最简单的储氢过程之一?有不少种金属元素可以储存氢气,然而只有少数金属能在合适的温度和压力下实现存储?还有一些材料也可以储氢,例如金属有机物?碳和其他纳米结构等?

(2)化学氢化物储氢

化学氢化物是化学上与氢结合的材料?能够储存化学氢的材料有金属氢化物?甲酸?碳水化合物?氨?合成烃和液态有机氢载体?与物理吸附相比,化学储氢可以获得更高的能量密度?

2 氢气运输

在使用中需要将氢气从存储地运送分配到加氢站?按照输送时氢气所处状态的不同,氢气的运输方式可分为气态氢气(Gaseous H2,)输送和液态氢气(Liquid H2)输送?两者都是将氢气加压或液化后再利用交通工具运输,是目前加氢站正在使用的方式?

2.1 高压氢气运输

氢气通常经加压至一定压力后,利用集装格?长管拖车和管道等工具输送?集装格由多个水容积为40L的高压钢瓶组成,充装压力通常为15MPa?集装格运输灵活,对于需求量较小的用户,这是非常理想的运输方式?

2.2 液氢运输

将氢气深冷至21K(-252℃)液化后,再利用槽罐车?管道,或者利用铁路和轮船进行长距离或跨洲际输送,这种方式可大大提高运输效率?深冷铁路槽车长距离运输液氢是一种既能满足较大输氢量又比较快速?经济的运氢方法?

液氢管道都采用真空夹套绝热,由内外两个等截面同心套管组成,两个套管之间抽成第高度的真空?国外加氢站采用槽车液氢运输的方式要略多于气态氢气的运输方式?

2.3 固体氢运输

固态氢气输送主要通过金属氢化物进行?迄今尚未有固态氢气输送方式,但随着固氢技术的突破,这种方便的输配方式预期可获得使用?

2.4 氢运输方式对比

高压氢气运输一般采用集装格?长管拖车和管道传输,而液氢一般采用槽车?铁路等运输,短途也会采用管道运输?不同氢气运输方式对比详见表1-5?

3 车载氢燃料气的加注

3.1 站外制氢

站外制氢是指氢气在制氢厂集中制取,然后输送到加氢站,输送方式有高压氢气输送?液氢输送和管道输送等?其特点是氢气集中制取可以降低制氢成本,站外制氢(Off-site)型加氢站工艺流程如图1-4所示。

图1-4 站外制氢(Off-site)型加氢站工艺流程

3.2 站内制氢

站内制氢是指氢气在加氢站内现场制取,目前站内制氢的技术路线主要是化石燃料(天然气?甲醇等)重整制氢和电解水制氢?电解水制氢是在一些电解质水溶液中通入直流电,利用电解器将水电解成氢气和氧气?氢气经压缩机增压后进入储氢瓶内储存,加氢时,加气机从储氢瓶内取气?站内电解制氢(On-site)型加氢站工艺流程如图1-5所示?

图1-5 站内电解制氢（On-site）型加氢站工艺流程

3.3 站内设施配置

(1)卸气系统或制氢系统

氢气由管束拖车将高压氢气(18~20MPa)从气源处运至加氢站,现场设置管束拖车车位?通过各泊位内的卸气柱,将氢气从管束内卸载,并输送至氢气增压系统和加氢机?

(2)增压系统

多级压缩时的冷却系统可采用风冷或冷却液冷却,风冷简单却存在气缸寿命短?电能消耗大的缺点,因此尽可能选择冷却液冷却?驱动可采用电动机或天然气发动机?目前氢气压缩机按类型可分为隔膜式压缩机和离子式压缩机?

(3)储氢系统

一般采用高压钢瓶为主的固定式储气方式?国外也常采用管束拖车上的瓶组作为临时站内储气?

(4)加氢系统

加氢系统主要包括高压管道和加氢机?加氢机上安装压力传感器?温度传感器?过压保护装置?软管拉断保护装置?优先顺序加气控制系统等?氢气在节流膨胀后温度升升高,具有特有的“焦汤热效应”,因此需要采用温度补偿系统?

(5)氮气系统

氮气作为气控系统气源和加氢站管道?设备的吹扫气体?

(6)放散系统

为提高站内的安全性,一般采用氢气集中放散系统,其中年气柱?压缩机?固定式储气瓶和加氢机的放散均接至总管集中放散。

(7)安防监控系统

氢气无色、无臭，分子运动速度快，具有最大的扩散度和很高的导热性，其着火能很小，很容易着火，在微小的静电火花下也容易着火。考虑到氢气的易扩散性、易缩胀性、易燃烧性、易爆炸性等特点，需要在站内增加一套氢气泄漏安防监控系统，以确保加氢站的运营安全。