浙大郑津洋院士丨氢气储运关键技术与掺氢天然气输运示范应用

2022年全球氢能产业目前整体处于示范应用阶段，多数氢能技术仍处于示范或原型阶段。随着国家氢能产业顶层设计出台，针对国内的氢能产业发展水平、阶段、技术难点和亟待解决的问题有哪些等产业关心的热点问题，浙江大学郑津洋院士做了详细解答，为产业指点迷津。

1、当前全球氢能产业整体处于示范应用阶段

对于当前全球氢能产业发展整体处于什么阶段这个问题，郑院士表示：全球氢能产业目前整体处于示范应用阶段，多数氢能技术仍处于示范或原型阶段。比如，液态储氢、固态储氢、有机液体储氢、天然气管网掺氢、燃氢轮机、可应用于重型道路车辆的氢燃料电池等技术均处于示范阶段；而可应用于船舶、火车、飞机等的氢燃料电池技术处于原型阶段。

提高氢能全产业链的技术经济性和市场竞争力是亟待解决的问题。美国能源部预期氢能2030年的发展目标为：1kg氢的生产和输运成本均达到1美元；重型车辆用燃料电池的寿命为25000h，成本为80美元/kW；电解槽的寿命为8万h，成本为300美元/kW。如果能够实现制氢成本与输运成本均为1美元/kg，则与天然气相比，氢气就具有了竞争力。

相较于国外，国内的氢能产业发展水平如何？对此郑院士认为，中国氢能产业总体处于全球第二方阵的前列，并在变压吸附提纯氢、大容量高压储氢、固态储氢、供氢量吨级以上加氢站建设等方面走在国际前列；而且在北京2022年冬奥会上实现了氢燃料电池汽车应用规模、应用场景、保障服务及管理创新等多重突破；北京大兴氢能科技园站的日加氢能力达到4.8t，为全球最大。总体来说，中国仍然是氢能技术设备进口国，部分关键材料、核心零部件、关键装备仍需要依赖进口，如碳纸、加氢枪、氢流量计、氢安全阀、液氢容器等。

2、不断攻克氢气安全储运难题

氢气的储运是氢能技术的重要环节，而安全问题至关重要，郑院士在这方面进行了大量研究。氢气储运的难点有哪些？取得了哪些成果？目前研究或计划研究的方向是什么？

郑院士坦言，他不能忘记的是，早在2002年，正是蒋利军等老师把他领进了储氢研究的大门，并持续深入研究了20余年，才取得了一些成就。氢能应用的关键在于储氢技术，即如何实现安全、高效、经济的氢气储存。当前，储氢方式主要有气态储氢、液态储氢和固态储氢这3种，相较而言，高压气态储氢具有设备结构简单、充装和排放速度快、温度适应范围宽等优点，是世界各国优先重点发展的储氢技术。

储氢技术目前主要存在以下技术难点：高压储氢容器的压力高达98MPa，高压氢气易引起材料氢脆，造成容器突然断裂甚至爆炸，危害极大；此外，由于氢气分子小，易泄漏，高压密封难，侵入传感材料的氢会导致检测信号漂移，高压氢环境应变检测难度大。2002年之前，我国缺少材料高压氢脆原位检测能力，无法获得容器研制时亟需的材料在高压氢气环境中的力学性能。高压储氢容器氢气充放频繁，氢脆影响因素多且机制复杂，抗氢脆设计及制造存在很大难度。在我国，压力超35MPa的储氢容器长期处于空白，严重制约氢能发展。

通过国家纵向支持和企业横向合作，郑院士带领团队取得了卓越的科技成果：针对高压氢脆原位检测难题，攻克高压氢气动密封、高压氢环境应变传感等关键技术，发明140MPa材料高压氢脆原位检测装置，使我国成为拥有140MPa材料高压氢脆原位检测技术的3个国家之一；牵头起草了金属高压氢脆检测评价方法的国家标准，并牵头制定了首部高压储氢容器产品国家标准；建立了首个国产材料高压氢脆数据库，为氢能高压储运设备研制提供了关键基础数据。　　　

针对抗高压氢脆设计制造难题，郑院士团队提出以抗氢脆焊接薄内筒为核心的全多层高压储氢容器设计技术，与高压氢气接触的薄内筒采用抗高压氢脆性能优良的材料，其余则采用普通高压容器用钢。该技术利用薄内筒抗氢脆，内筒厚度约占筒体总厚度的1/8，通过厚钢带层承载，钢带逐层交错螺旋缠绕在内筒外，制造经济简便；采用钢带缠绕引起的预压缩应力，提高容器疲劳寿命；通过全多层技术实现了容器中氢气泄漏在线监测的全覆盖。

其团队还发明了小孔内置式曲面耦合超声相控阵检测技术，即在储氢容器服役周期内，通过特制的检测设备，深入储氢容器内部对容器安全状态进行“体检”，解决了全多层高压储氢容器氢致损伤无损检测难题，打通了全多层高压储氢容器从设计、制造、检验检测的全技术链，同时解决了其经济性与安全性达到平衡的问题。其团队在车载轻质高压储氢技术研发方面也获得了一系列成果，开发了随车运动的高压氢气瓶，需要考虑火灾、频繁快充、碰撞等极端服役条件下的安全性，为此其团队发明了纤维全缠绕复合材料高压氢气瓶性能预测系列方法，实现了高压氢气瓶强度-寿命-耐火多维协同设计制造，并主导制定了高压氢气瓶产品国家标准。

基于上述创新性技术，成果转化和落地也在有序推进。郑院士牵头制定了高压储氢主要国家标准9项，参与制定国家标准27项、联合国全球技术规范UNGTR13等国际标准5项，有力推动了行业的科技进步及产业发展。

在丰田常熟加氢站，以及为北京冬奥会服务的中石化北京庆园街加氢站、王泉营加氢站，郑院士团队主持研制的98MPa高压储氢容器正在安全服役，不仅容积达到1m3，为世界最大，而且成本低，同时，在线检漏功能也大幅提升了容器的安全性。该研究成果已应用于氢能高压储运全行业，该用户包括中石化集团、国家能源集团、长城汽车、日本岩谷公司等国内外知名企业，核心装备在我国加氢站建设、氢燃料电池汽车发展中发挥着不可替代的关键作用，该技术于2021年获国家科技进步二等奖。

郑院士团队目前的主要研究工作有：承担国家重点研发项目——加氢关键部件安全性能测试技术及装备研究”；针对加氢站氢气泄漏、自燃及加氢关键部件的断裂等突出问题，聚焦加氢关键部件安全性能测试，自主研制测试装备，制订技术标准，构建检测平台，为保障加氢站安全提供关键技术和检测设备支撑。

关于临氢材料及其极端条件下的实验研究，蒋利军老师与郑院士进行了较为深入而专业的讨论。氢能装备的安全性与材料的选择密切相关，郑院士表示，他计划制定一个可进行低压、中压、高压、超高压临氢材料选择的标准或指南，目前中国还没有这样的标准或指南。他正在参与修订GB50177—2005《氢气站设计规范》，许多问题亟待解决，比如，需要弄明白什么条件下可以使用低合金钢，什么条件下可以使用高合金钢？虽然美国航空航天局(NASA)发布过临氢材料的选用指南，但该指南对实际情况而言并不全面，因为其只是定性给出了材料氢相容性等级，并未给出设计计算必需的临氢材料性能数据。如果我们自己制定了这样的指南，将会对我国氢能行业产生深远影响。因为现在所有的制氢装备、储氢装备都涉及到材料选用的问题，必须要科学实验数据作为支撑，而且考虑到产业化应用，材料价格也是必须考虑的重要因素。

氢气具有易燃、易爆、易渗漏的特性，要确保氢气在超高压、低温等极端条件下安全应用，相关实验研究和标准必不可少，但一般的实验室不具备实验条件。蒋利军老师认为中国需要能支撑整个国家氢能工业产业发展的一个氢能安全国家平台，而郑院士具备相应的能力和条件，建议郑院士参与有关国家平台的建设，通过广泛深入研究获取科学数据，为制定标准提供支撑。郑院士坦言，他们现在德清实验室的工作人员正加班加点地进行实验工作，他愿意迎接新的挑战，但也倍感压力。

3、掺氢天然气输运已在小规模示范应用

关于氢气或掺氢天然气管道输运到户，作为生活、生产的清洁能源是否可行？还存在哪些问题？

针对上述疑问，郑院士说，目前已有小规模示范应用。迄今为止，荷兰、德国、法国、中国等国家先后开展了多个掺氢天然气管道输送系统应用示范项目。2004年，在欧洲委员会的支持下，国际上首次开展了“NATURALHY”项目，将氢气注入高压天然气输送管线，并通过配送管网输送至最终用户。该项目较为系统地研究了天然气管道掺氢对包括天然气输送、配送及用户终端在内的整个系统的影响，为后续的掺氢天然气管道输送系统示范应用项目创造了良好的开端。2017年，英国开展了“HyDeploy”项目，向基尔大学专用天然气网络和英国北部天然气网络注入氢气，为住宅、教学楼、企业等供气，探索在不影响终端用户安全或改装设备的情况下将氢气混合到全国天然气网络中的可行性。2020年，澳大利亚开展了“WSGG”项目，利用风/光电来电解水制氢，并将部分氢气注入Jemena公司的新南威尔士州天然气网络，为当地居民供暖。

国内掺氢天然气管道输送系统的示范应用较少。2019年，国家电力投资集团公司与浙江大学合作，在辽宁省朝阳市开展了掺氢天然气管道安全关键技术验证示范项目，进行电解水制氢-天然气掺氢-工业级民用用户供能示范，为未来氢气通过管网运输提供经验。

目前氢气或掺氢天然气管道输运到户存在的主要问题有：管材及其焊接接头与纯氢/掺氢天然气相容性，纯氢/掺氢天然气管道抗氢脆设计制造技术，纯氢/掺氢天然气管道运维安全保障技术(如安全状态监测检测和评价技术、完整性管理技术等)，缺少纯氢/掺氢天然气管道技术实证平台。

当前有人认为天然气掺氢不超过10%输运就是安全的，郑院士认为这样的说法是不科学的。天然气掺氢面临的主要安全问题是氢脆，材料长期处于临氢环境中易发生塑性降低、疲劳裂纹速率加快、断裂韧性降低等性能劣化现象，更有甚者会引发管道过早失效，危及管网运行安全。掺氢天然气在实际输运过程中工况较为复杂，且混氢环境下，材料氢脆影响因素较多，与掺氢比、掺氢天然气成分、应力状态、管网原始状态等均相关，不能简单地通过掺氢比这个参数来判断是否可以安全掺氢输运。

4、我国氢能产业布局同质化严重

当前我国从中央到地方纷纷出台多种支持氢能产业发展的政策，似有些“一哄而上”之嫌。政策扶持应该注意哪些问题？产业配套标准是否能够跟上技术的发展？如何做好氢能产学研融合发展？

郑院士认为，国家支持氢能发展是国家发展战略的需要，各级政府出台一些扶持政策是值得肯定的，但以下3个方面的问题值得重视：

1)同质化突出。政府带动市场发展下，绝大多数氢能发展规划聚焦氢燃料电池汽车全产业链：氢源、加氢站、核心零部件企业、整车厂。事实上，无整车龙头企业和距离氢源比较远的地区均不适合全产业链发展氢燃料电池汽车；无雄厚经济实力和扎实产业基础的地区，也不适合全产业链发展氢能。氢燃料电池汽车只是氢能的一个重要应用领域，应从大系统、多元应用角度对氢能进行布局。

2)重电池轻供氢。燃料电池、供氢系统是氢燃料电池汽车的2个核心部件。财政部、工业和信息化部、科技部等5部委发布了《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》，仅对电堆、膜电极、双极板、质子交换膜、催化剂、碳纸、空气压缩机等基础材料和关键零部件在推广过程中进行综合评价，优异者可享受额外补贴。也就是说，受益企业为燃料电池关键零部件企业，而不包括供氢系统基础材料和关键零部件企业，比如，生产高压氢气瓶、高压氢阀、高压储氢容器、抗氢脆/氢渗透材料等的企业，这不利于产业发展。

3)自主制定的标准少。标准是推动产业稳健发展的基本条件，郑院士非常重视标准制定，他认为形成标准是技术成熟的一个重要标志。国家标准大致可分为3类：第1类是以自主技术为核心的国家标准；第2类是非等同采用国际标准的国家标准；第3类是等同采用国际标准的国家标准。我国的实际情况是第1类标准少，第2、3类标准多。标准制定面临的最大问题是缺乏数据和工程实践案例作为支撑。