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(guó)際氫能委員會(huì)預(yù)計(jì),到2050年,氫能在全球能源中所占比重有望達(dá)到18%。作為能源戰(zhàn)略重點(diǎn)支持的方向，近年來我國(guó)氫氣需求量激增。2019年，我國(guó)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(guó)家重大需求，攻克關(guān)鍵技術(shù)，創(chuàng)建檢測(cè)平臺(tái)，制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，研制核心裝備，實(shí)現(xiàn)我國(guó)氫氣規(guī)?；峒冄b備與高壓儲(chǔ)存裝備自主可控?！表?xiàng)目第一完成人，浙江大學(xué)能源工程學(xué)院教授鄭津洋帶領(lǐng)項(xiàng)目組，緊盯高壓氫脆防控、氫氣高效儲(chǔ)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(guó)大容量高壓氫氣儲(chǔ)存裝備技術(shù)和大型高壓氫氣提純裝備技術(shù)推至國(guó)際領(lǐng)先水平。
在日前召開的國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，這項(xiàng)成果獲得2020年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
基理研究，實(shí)現(xiàn)氫脆防控和檢測(cè)
氫能應(yīng)用的關(guān)鍵之一在于儲(chǔ)氫技術(shù)，即如何實(shí)現(xiàn)安全、高效、經(jīng)濟(jì)的氫氣儲(chǔ)存。當(dāng)前，儲(chǔ)氫方式主要有氣態(tài)儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫和固態(tài)儲(chǔ)氫3種，相較而言，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、充裝和排放速度快、溫度適應(yīng)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，是世界各國(guó)優(yōu)先重點(diǎn)發(fā)展的氫能儲(chǔ)存技術(shù)。
但是，設(shè)計(jì)和制造安全高效高壓儲(chǔ)氫裝備并非易事。盛裝高壓高純度氫氣的儲(chǔ)氫裝備，具有氫氣易泄漏擴(kuò)散、可燃范圍廣的特點(diǎn)，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(guó)、美國(guó)和挪威就相繼發(fā)生爆炸事故。
要實(shí)現(xiàn)安全高效高壓儲(chǔ)氫，最首要和基礎(chǔ)的任務(wù)是揭示高壓氫脆機(jī)理并實(shí)現(xiàn)性能調(diào)控。
鄭津洋介紹，氫脆是一個(gè)古老的話題，100多年前就有研究介入。但是項(xiàng)目實(shí)施前，國(guó)內(nèi)外普遍的測(cè)試手段是預(yù)充氫檢測(cè)，即將已預(yù)先充氫的材料在空氣環(huán)境中進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。顯然，這種方法無法模擬儲(chǔ)氫裝備的實(shí)際工作環(huán)境。
基于產(chǎn)業(yè)需求，鄭津洋帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)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(cè)裝置，解決了傳統(tǒng)預(yù)充氫試驗(yàn)中長(zhǎng)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(guó)成為繼美國(guó)、日本后第三個(gè)有在140MPa壓力下開展高壓氫脆科學(xué)研究能力的國(guó)家。
30CrMo、S30408、S31603等6種國(guó)產(chǎn)金屬材料，在我國(guó)高壓儲(chǔ)氫裝備中最為常用。團(tuán)隊(duì)對(duì)這6種材料，在5至140MPa的高壓氫氣環(huán)境中原位測(cè)試力學(xué)性能，并在此基礎(chǔ)上建立了國(guó)內(nèi)首個(gè)材料高壓氫脆數(shù)據(jù)庫，為高壓氫氣儲(chǔ)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(tuán)隊(duì)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(jī)制，為實(shí)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(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了以抗氫脆設(shè)計(jì)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(guó)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(xiǎn)閥。
設(shè)備落地，助推高效儲(chǔ)存和提純
機(jī)理研究先行，緊跟而上的還有產(chǎn)品制造。項(xiàng)目組根據(jù)氫氣高效儲(chǔ)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(xiàng)目實(shí)施前，我國(guó)壓力超過35MPa的儲(chǔ)氫裝備長(zhǎng)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(guó)也曾研發(fā)了多種結(jié)構(gòu)形式的高壓儲(chǔ)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(tái)容積小，鋼制容器用高強(qiáng)度鋼對(duì)高壓氫脆敏感，復(fù)合材料容器成本高的問題。
基于現(xiàn)實(shí)矛盾，團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，提出以抗氫脆焊接薄內(nèi)筒為核心的全多層儲(chǔ)氫容器設(shè)計(jì)思想?！昂?jiǎn)單理解，就是與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?！编嵔蜓蠼忉尅２粌H如此，團(tuán)隊(duì)建立了專門針對(duì)這類儲(chǔ)氫容器的設(shè)計(jì)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?jī)?chǔ)氫高壓容器產(chǎn)品國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
此外，團(tuán)隊(duì)還發(fā)明了小孔內(nèi)置式曲面耦合超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)，即在儲(chǔ)氫容器服役周期內(nèi)，通過特制的檢測(cè)設(shè)備，深入儲(chǔ)氫容器內(nèi)部對(duì)容器安全狀態(tài)進(jìn)行“體檢”，解決了全多層儲(chǔ)氫高壓容器氫致?lián)p傷無損檢測(cè)的難題，從而打通了全多層儲(chǔ)氫高壓容器從設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)檢測(cè)的全技術(shù)鏈。
除了解決固定安裝的大容量高壓儲(chǔ)氫難題，團(tuán)隊(duì)在車載輕質(zhì)高壓儲(chǔ)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(yùn)動(dòng)的高壓儲(chǔ)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(tuán)隊(duì)發(fā)明了纖維全纏繞復(fù)合材料高壓氫氣瓶性能預(yù)測(cè)系列方法，實(shí)現(xiàn)了高壓氫氣瓶強(qiáng)度-壽命-耐火多維協(xié)同設(shè)計(jì)制造，并主導(dǎo)制定了高壓氫氣瓶產(chǎn)品國(guó)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(jìn)。團(tuán)隊(duì)牽頭制定了高壓儲(chǔ)氫主要國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)9項(xiàng)，參與制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)27項(xiàng)、聯(lián)合國(guó)全球技術(shù)規(guī)范UN GTR13等國(guó)際規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)5項(xiàng)，有力推動(dòng)了行業(yè)的科技進(jìn)步及產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
在豐田常熟加氫站，團(tuán)隊(duì)主持研制的98MPa儲(chǔ)氫高壓容器正在安全服役，不僅容積達(dá)到1m3，為世界最大，而且壽命長(zhǎng)、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(tuán)自主研發(fā)的榮威950等氫燃料電池汽車上，就裝載了團(tuán)隊(duì)研制的國(guó)內(nèi)首臺(tái)70MPa高壓氫氣瓶。
在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，我國(guó)變壓吸附提純氫的規(guī)模小，每小時(shí)最大處理量?jī)H7.5萬標(biāo)準(zhǔn)立方米，且壓力低，遠(yuǎn)不能滿足國(guó)家重大工程建設(shè)的需要。于是，團(tuán)隊(duì)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，研制成功世界最大每小時(shí)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(guó)際難題。
目前，項(xiàng)目技術(shù)已應(yīng)用于氫能提純和高壓儲(chǔ)輸全行業(yè)，核心裝備在我國(guó)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(guó)家能源、上汽等1000多家企業(yè)，也遠(yuǎn)銷美國(guó)、韓國(guó)等20多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。據(jù)了解，項(xiàng)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(jì)效益將更加顯著。
（文字 馬宇丹/攝影 盧紹慶/攝像 劉涵）
