简析运氢的几种方式及未来应用趋势

　　摘要：随着燃料电池汽车产业的发展，其上游氢能产业也得到了迅速的发展，但氢能产业目前还面临着生产、运输和供氢基础设施缺乏等问题，其中氢气的运输在整个氢能供应链的经济、能耗性能中占有很大比重。本文主要讨论氢气运输的几种方式及安全性，分析了影响运氢方式的选择因素和未来发展趋势。

　　加氢站按制氢地点可分为外供氢加氢站和站内制氢加氢站，而对于外供氢加氢站，氢气的运输是重要的一环，目前主要有高压气体运输、液态氢气运输和管道运输等方式。

　　目前国内多采用高压气态运输，国外液态运输略多

　　(1)高压氢气运输以长管拖车为主、结合集装格小范围补充。高压氢气运输分为集装格和长管拖车两类，其中，集装格由多个40L的、压力为15Mpa的高压储氢钢瓶组成，运输较为灵活，适用于需求量小的加氢站;长管拖车结构为车头部分和拖车部分，前者提供动力，后者主要提供存储空间，由9个压力为20Mpa、长约10m的高压储氢钢瓶组成，可充装约3500Nm³氢气，且拖车在到达加氢站后车头和拖车可分离，运输技术成熟、规范较完善，国内的加氢站目前多采用此类方式运输。

　　(2)液氢槽罐车氢气容量高，国外较多采用该类运输方式。液氢的体积能量密度为8. 5 MJ·L-1，是15Mpa压力下氢气的6.5倍。液氢槽罐车运输是将氢气深度冷冻至21K液化，再装入隔温的槽罐车中运输，目前商用的槽罐车容量约为65 m3，可容纳4000kg氢气。国外加氢站使用该类运输略多于高压气态长管拖车运输。

　　(3)国外气态管道应用相对较多，液态管道运输技术要求较高。管道运输分为气态管道运输和液态管道运输两类。气态管道直径约0.25～0.3m、压力范围为1~3Mpa，每小时流量约310~8900kg氢气，目前该类管道总长度已超过16000km，主要分布在美国、加拿大和欧洲等地，其投资成本较天然气管道高50~80%，其中大部分的成本用于搜寻合适的地质环境来布局管道线路;液态管道采用真空夹套绝热技术，由内层和外层两个等截面同心套管构成，且两个管套中间抽成真空状态，防止内管内液氢的温度扩散。

　　(4)氢气在铁路和轮船上的运输，需依托液氢技术，目前仅国外少量应用。其中深冷铁路槽车长距离运输液氢输气量大、又相对经济，储气装置常采用水平放置的圆筒形杜瓦槽罐，存贮液氢容量可达100m³，部分特殊的扩容铁路槽车容量可达120~200 m3，目前仅在国外有非常少量的氢气铁路运输路线。

　　表1 氢气运输方式适用性及优缺点对比

　　(资料来源：《加氢站氢气运输方案比选》)

　　运氢方式存在安全隐患，可通过适当方式降低风险

　　目前的技术条件下，不同的运氢方式均有一定程度的危险性。高压运输方式具有易爆的危险性，、液氢运输方式在热量丢失后，会气化使容器内压力越来越高，形成易爆的危险特征、管道运输的输氢管长期处于高压下，易产生氢脆现象，使管道断裂产生泄露。

　　(1)高压气体运输方式存在一定的危险性，但能通过适当的方式降低风险。在高压运输方式中，目前美国已出台了相应的标准设计，如长管拖车需符合DOT-3AA/3AAX压缩气体运输标准，使其安全系数达到2.48、出台的E-8009标准，限定了储氢材料的钢材成分以及可承受的压力等;我国上海则通过控制运氢外部温度和时间段来提高运氢的安全性，如当户外气温大于30℃，仅能在夜间运输。高压气体运输方式存在一定的危险性，但能通过适当的方式降低风险。

　　(2)液氢运输安装卸压阀调节内部压力，无明火状态不构成危险。由于液氢运输的储氢装置不能完全的隔热，会造成液氢蒸发使装置内压力增大，但可在装置上安装卸压阀，调节装置内部压力，且氢气排出后扩散迅速，在户外无明火状态不会构成危险。

　　(3)管道运输的输氢管材料选用铝制复合材料，防止氢脆发生。管道使用的高强度钢如锰钢、镍钢等，若长期处于高压氢气的环境下，内部分子易受氢气分子入侵，使强度变低，但铝结构受此类影响较小，可采用铝制合金作为内层材料，降低氢脆现象。

　　工业基础和规模化程度影响地区输氢方式

　　影响地区运氢方式的主要因素主要有工业基础和燃料电池汽车的规模化程度。工业基础方面，主要考虑当地的配套工业，如是否有氢气液化厂、管道等;燃料电池规模化方面，随着燃料电池汽车的数量增多，需要的氢气量也随之增多，当燃料电池汽车的规模在万辆或十万辆时，每天需要的氢气量为30吨或300吨，此时如都采用高压氢气运输方式，则会造成运输车辆的调配困难，需适时的增加液氢运输车辆，且液氢运输具有一定的规模效应，运氢成本在可接受范围;当燃料电池汽车规模继续扩大时，输氢管道的规模化效应得到发挥，是更合适的输氢方式。

　　因此，在目前千辆级燃料电池汽车规模条件下，高压气体运氢方式是较为简单且经济的方式;当车辆到达万辆级规模时，采用液氢运输方式性价比更高，而当车辆大规模商业化后，以管道输送为主，其他方式为辅的方式更为合理。

　　结语

　　氢气的运输在整个氢能供应链的经济、能耗和排放性能中占有很大比重;目前运氢方式主要有高压气体运输、液态氢气运输和管道运输等方式，其中国内多采用高压气态运输，国外液态运输略多，而管道非常少;运氢方式存在安全隐患，可通过适当方式降低风险;工业基础和规模化程度影响地区输氢方式。