隨著雙碳目標的提出和不斷落實，氫能作為未來清潔能源的重要組成部分，具備來源廣泛和綠色低碳等特性，不斷受到各國的重視[1-4]。作為氫能供應的有力保障，加氫站對于發(fā)展燃料電池汽車產業(yè)意義重大[5-7]。2006 年 6 月，我國于北京建成了第一座站內制氫的加氫站。其工藝流程是將水電解制備的氫氣經過純化處理后，使用隔膜壓縮機加壓后充入儲氫罐作為汽車的燃料。據不完全統(tǒng)計，截至 2021 年 10 月底，全球已累計建成加氫站 571 座，其中有27 座加氫站因相關手續(xù)問題或因燃料電池汽車數量不足處于待運營狀態(tài)，另有 229 座加氫站已處于規(guī)劃之中。我國于 2021 年 10 月底共建成加氫站 154 座，其中加氫站投用比例為 90%，按照《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖》規(guī)劃，預計加氫站數量將在 2025 年突破 300 座[8]。 

近年來，我國加氫站建設步伐加快的同時，建設質量需要得到保障。加氫站的建設質量與氫安全問題息息相關，而氫安全問題對于加氫站長期安全穩(wěn)定運行至關重要[9]。因此，諸多學者在氫氣安全乃至加氫站安全方面做了大量工作。Yang 等通過對一些已經發(fā)生的氫氣安全事件進行分析，發(fā)現氫氣系統(tǒng)中的管道和閥門故障是氫氣相關事件中最常見的原因，并介紹了常用的氫氣流動觀測方法，對容易發(fā)生故障的管道閥門進行監(jiān)控[10]。Sakamoto J 等建立了一個加氫站的物理模型，可以在正常和異常操作狀態(tài)下模擬氫氣的溫度、壓力和流速，并通過模型確定了可能導致加氫站嚴重事故的幾個因素，提出了預防和緩解事故情景的措施[11]。Hirayama M 開發(fā)了一種評估加氫站加氫機安全距離的方法，并將之應用于加氫機的模型中，分別得到了加氫機應對爆炸、泄露和閃火等問題的安全距離，有助于實際中加氫機安全距離的確立[12]。Park B 等以美國桑迪亞國家實驗室的報告為依據，使用 HyRAM 軟件對氫氣的羽流擴散、噴射火焰和熱通量進行模擬，發(fā)現儲氫容器的壓力和泄漏直徑對氫氣擴散距離、噴射火焰長度和輻射熱大小有極大影響[13]。 

目前大多數的研究都只涉及到加氫站的整體安全性分析，對加氫站單個設備的安全性研究相對較少。本文以加氫站高壓儲氫容器為研究對象，闡述了加氫站的系統(tǒng)結構，重點分析了儲氫系統(tǒng)中高壓儲氫容器安全性方面存在的問題，并對未來高壓儲氫容器的發(fā)展進行展望。  

1  加氫站系統(tǒng) 

作為氫燃料電池汽車的基礎設施，加氫站承擔著氫燃料電池汽車加氫的工作[14]。我國的加氫站主要是專用加氫站，只有少量的油氫合建站和油氫電合建站。加氫站按加注壓力分為35 MPa 加氫站和 70 MPa 加氫站。已建成運營的加氫站加注壓力大多為 35 MPa，如如皋神華加氫站、上海依蘭金山加氫站、山東濰柴加氫站等，也有一部分加氫站同時具備 35 MPa 和70 MPa 的加氫能力，如內蒙古烏海化學加氫站。在促進氫能產業(yè)進步政策的推行與加氫站關鍵設備實現國產化的背景下，更高加注壓力的加氫站是我國未來的發(fā)展趨勢[15,16]。 

我國加氫站的儲氫方式大多為高壓氣態(tài)儲氫，其加氫能力從 80 kg/d 至 2 000 kg/d 不等。根據氫源獲取方式的差異將加氫站分為站內制氫加氫站和外部供氫加氫站。外部供氫加氫站的氫源由管束拖車從外部進行供應，而站內供氫加氫站的氫源則由站內原料制氫獲得[17-19]，如圖 1 所示，圖 1a 為站內制氫加氫站工藝流程，圖 1b 為外部供氫加氫站工藝流程。 

圖 1 加氫站工藝流程 

加氫站有三大核心設備，分別為壓縮機、儲氫罐和加注機。其中氫氣壓縮機是通過改變低壓氫氣的容積來完成增壓目的的設備。現階段的氫氣壓縮機包括液驅式壓縮機、隔膜式壓縮機、離子液壓縮機、活塞式壓縮機等[20]。目前，站內的壓縮機以氫氣隔膜壓縮機為主，其具有潔凈度高、密封性好等優(yōu)點[21,22]。儲氫罐用于儲存氫氣，可加速燃料電池車輛的加氫過程，避免壓縮機頻繁啟停。近年來為了降低加氫站能耗，由多個不同壓力級別儲氫罐構成的級聯儲氫系統(tǒng)吸引了眾多學者的關注[23,24]。加氫機的功能與加油機功能類似，區(qū)別是一個為  氫燃料電池汽車加氫，另一個為燃油車加油。加氫機主要部件包含加氫槍、流量計、控制系統(tǒng)等，其中 35 MPa 加氫槍已經初步實現國產，而 70 MPa 加氫槍仍然依賴進口[25]。 

2  高壓儲氫容器安全性分析 

高壓儲氫容器作為一種儲氫裝置，常用于需要大規(guī)模、低成本氫氣儲存的加氫站中[26]。高壓儲氫容器具有潛在的泄漏和爆炸危險，高壓儲氫容器的安全性直接影響到整個加氫站能否正常運行，因此對其安全性的研究分析是必不可少的。對于 35 MPa 加氫站站用儲氫容器的設計壓力一般取 45～50 MPa[27]；當加注壓力提高至 70 MPa 時，站用儲氫容器的設計壓力將相應提高至 80～90 MPa。為了滿足氫燃料電池車輛中氫氣的純度要求中，儲氫容器中氫氣的體積分數通常高于 99.999%[28]。 

2.1 高壓儲氫容器分類 

我國常用的站用固定式儲氫容器分為兩種結構形式，分別為單層儲氫壓力容器（包括大容積無縫儲氫容器、單層整體鍛造式儲氫壓力容器等）和多層儲氫壓力容器（包括鋼帶錯繞式儲氫容器、層板包扎儲氫壓力容器等）[29]，其中鋼質無縫儲氫容器有兩種類型：固定式（例如加氫站儲氫罐）和移動式（例如氫氣長管拖車氣瓶）。鋼質無縫儲氫容器依據美國機械工程師協(xié)會鍋爐壓力容器規(guī)范建造，其無縫鋼管經過兩端鍛造收口而成，屬于整體無焊縫結構[30]。鋼質無縫容器發(fā)展時間較長，氣瓶的生產線設備技術十分成熟，有著成本低、交貨快的優(yōu)點。 

鋼帶錯繞式壓力容器首創(chuàng)于 1964 年，其容器結構完全由我國自主研發(fā)完成，主要產品包括高壓空氣儲罐、高壓氦氣儲罐和高壓氫氣儲罐等[31]。經過近 60 年的研究與驗證，我國已有扎實的理論基礎和豐富的實踐經驗。鄭津洋等以傳統(tǒng)鋼帶錯繞式壓力容器為基礎，在主體結構不變的條件下（扁平鋼帶傾角錯繞式容器結構），提出了一種多功能全多層高壓儲氫容器。圖 2 為世界上第一臺 77 MPa 多功能全多層固定式儲氫容器[30]。  

圖 2 多功能全多層固定式儲氫容器[30]

作為站用固定式儲氫容器的兩種不同結構，鋼質無縫儲氫容器和鋼帶錯繞式儲氫容器有著各自的優(yōu)勢和短板，兩種儲氫壓力容器綜合對比詳見表 1。 

表 1 鋼質無縫儲氫容器和鋼帶錯繞式儲氫容器綜合對比

2.2 高壓儲氫容器事故分析 

氫能產業(yè)鏈包含三個環(huán)節(jié)：上游制氫、中游儲氫運氫和下游燃料電池及氫能應用，其中氫氣的儲存和運輸是氫能進行大規(guī)模應用的前提。氫氣易燃易爆的特性(尤其是與空氣接觸時)制約了氫能的應用場景，給儲運過程帶來了極大的安全威脅。此外，氫氣是相對分子質量最小的氣體，這意味著它在儲運過程中相較于其他氣體更容易從高壓環(huán)境中泄漏或滲透，危害公共安全。高壓儲氫容器作為氫氣儲運的核心，其安全問題一直都是阻礙氫能快速發(fā)展的關鍵問題，也是確保氫能相關產業(yè)順利發(fā)展的根本[32,33]。通過查詢美國 H2Tools 數據庫、歐盟HIAD 數據庫和我國化學品安全協(xié)會網，不完全統(tǒng)計了近三年發(fā)生的高壓儲氫容器事故，并匯總于表 2。 

表 2 高壓儲氫容器事故匯總

挪威、美國、韓國儲氫罐接連發(fā)生爆炸事件，這些事故的發(fā)生引起了全球氫能工作者的關注和擔憂。在韓國，氫氣不受危險品安全管理法規(guī)管制，氫氣儲罐爆炸事件將直接增加部分民眾對加氫站、燃料電池車的質疑，引起民眾對加氫站建設的抵制，這對加氫站、燃料電池汽車乃至氫能發(fā)展是及其不利的。 

除此之外，出于對高壓儲氫容器安全問題的擔憂，部分生產燃料電池汽車的車企，如豐田、現代等，在事故發(fā)生的第一時間停止了燃料汽車的銷售，直至事故原因被確定后，其銷售工作才被恢復。因此，對高壓儲氫容器的安全分析是非常必要且不可避免的。 

2.3 高壓儲氫容器安全問題分析

目前國內關于氫能的研究大多都在燃料電池領域，對加氫站單個設備的安全性研究相對較少。高壓容器的生產工序繁多，不同領域所用的壓力容器也有一定的區(qū)別。市場上的壓力容器種類越來越多，其材料、結構形式以及使用工況各有其特殊性，導致其故障的安全問題各不相同。根據上一節(jié)提到的氫能產業(yè)事故，可以將高壓儲氫容器產生的安全問題分為以下4 類：①設計問題。由于相關標準設計不夠完善或高壓儲氫容器未能按照相關標準進行設計或制造。②配件問題。承力部件包括大螺紋套筒、抗剪螺釘、徑向銷、大螺栓等結構失效，密封部件包括閥門、法蘭、墊片密封結構失效。③設備問題。高壓儲氫容器由于長期暴露于氫環(huán)境中導致了氫脆或疲勞失效，最終引起設施故障。④人工問題。由于加氫站操作人員未按照操作手冊或相關標準規(guī)定對設備進行安裝、運行和維護。 

2.3.1  設計問題 

高壓儲氫容器是加氫站用作儲存氫氣的特殊設備，是隨著氫能發(fā)展而出現的新事物。我國對高壓儲氫容器缺乏系統(tǒng)深入的研究，目前的許多標準都參照國外，因此在技術規(guī)范、設計計算等方面可能會存在一些安全隱患。 

目前，美國儲氫容器設計時依照規(guī)范標準 ASME BPVC VIII《鍋爐壓力容器規(guī)范》，選擇材料時依照 ASMEⅡ-A《鋼基材料》、 ASMEⅡ-D《材料性能》。國際上使用 ISO 11114 標準對儲氫容器進行材料選擇，使用 ISO11120《150～3000L 無縫鋼質氣瓶設計、制造和試驗標準》等對儲氫容器進行設計。 

國內針對站用儲氫容器安全性標準規(guī)范有《加氫站用儲氫裝置安全技術要求》，涉及到儲氫容器的設計標準主要見表 3。  

表 3 我國儲氫容器的設計標準 

目前我國無縫管式容器企業(yè)在參考設計標準進行疲勞設計過程中，存在兩個問題：一是未考慮氫氣環(huán)境下，容器疲勞壽命是否會發(fā)生改變的問題；二是部分新型材料尚未加入標準中，在不考慮氫氣影響的情況下，其設計標準是否可用仍是一個問題。目前，我國燃料電池汽車數量少，加氫次數有限，加氫站固定式儲氫容器的標準均按氣瓶標準進行設計制造。未來隨著燃料電池汽車的普及，加氫頻率大幅提高，其氣瓶標準下的疲勞壽命可能達不到容器安全運行的條件。因此完善和設立高壓儲氫容器標準有利于我國氫能的安全發(fā)展，最大限度地減小事故發(fā)生的可能。 

2.3.2  配件問題 

高壓容器的密封裝置主要包括兩個部分，一部分是承力部件如大螺紋套筒、抗減螺釘、徑向銷、大螺栓等，其主要用于承擔內壓引起的軸向力；另一部分是用于保證容器端面及四周能夠可靠密封的密封元件，常用的如 O 形密封圈、唇形密封圈等。 密封元件作為高壓儲氫容器中極其重要的關鍵部件，往往是密封裝置的一個薄弱環(huán)節(jié)。由于橡膠在高壓和高純度氫氣環(huán)境中長期工作，因此可能會發(fā)生溶解氫引起的膨脹行為，這將損壞其彈性模量、拉伸強度和其他機械性能。但是，國際上針對高壓和高純度氫氣環(huán)境下橡膠吸氫膨脹方面的研究十分少。就現有研究來看，吸氫膨脹與容器內氫氣壓力、溫度以及橡膠填充物的材質等因素有關。Fujiwara H 等將橡膠等溫置于氫氣中 1h，與此同時將氫氣壓力從 10 MPa 增加到 100 MPa，得出氫氣溶解度與其壓力成正比[35-37]。 

除此之外，在高壓儲氫容器輸氫的過程中，容器壓力迅速減小，會引起 O 型圈的橡膠發(fā)生內部斷裂，一般稱這個過程為“起泡斷裂”或“爆炸減壓失效”。而影響“起泡斷裂”的主要因素是溶解在橡膠材料中的氫濃度。隨著材料中氫濃度的增加，O 型圈的彈性模量和拉伸 強度降低，其氣泡損傷逐漸增大。 

2.3.3  設備問題 

作為加氫站儲氫的核心設備，高壓儲氫容器長期暴露于高壓氫氣的環(huán)境下，疲勞裂紋擴展速率顯著加快，氫致開裂的應力因子閾值顯著降低，嚴重威脅儲氫容器的安全。目前大多數固定式儲氫容器筒身多采用細長結構，其中高壓儲氫容器的直徑對其壁厚有著密切的影響，而壁厚又會對儲氫容器的制造和使用帶來影響，給未來高壓儲氫容器的正常安全運行帶來極大的不穩(wěn)定性。 

周池樓等基于固定式 I 型儲氫容器的一般模型，以直徑尺寸為 150  mm、250  mm 和 350 mm 的儲氫罐模型討論直徑對容器設計疲勞壽命的影響。在 45 MPa、85 MPa 和 105 MPa 的氫氣壓力下，采用不同規(guī)則標準計算上述三種不同直徑儲氫罐模型的壁厚。研究表明，在給定壓力下，壁厚與直徑的比值保持不變的情況下，通過疲勞裂紋擴展分析（CGA），得出高壓儲氫容器壁厚越厚，其設計疲勞壽命越短的結論。與此同時，通過對儲氫罐進行未爆先漏檢測，發(fā)現容器要滿足未爆先漏的條件，其平面應變斷裂韌性應隨著其壁厚增加而增加[38]。 

氫作為相對活潑的化學元素，可以與大多數元素能發(fā)生結合反應，導致容器發(fā)生氫脆的現象，而且氫來源不同，其氫脆機理也不相同，具體分類見表  4。加氫站的儲氫容器工作在高壓環(huán)境中，考慮容器氫脆時一般只考慮高壓氫環(huán)境氫脆。 

表 4 高壓氫脆類型 

Zhang 等通過 CGA 對目前使用較多的儲氫材料 4340、4137、4130X、A286、316 型材料進行分析，分別估算它們于 105 MPa 下，在氫氣環(huán)境中和在空氣環(huán)境構成的高壓儲氫容器的循環(huán)壽命。研究表明：4340、4137 和 4130X 型在氫氣環(huán)境中的循環(huán)壽命要遠短于它們在空氣環(huán)境中的循環(huán)壽命；A286、316 型在氫氣環(huán)境中與空氣環(huán)境中的循環(huán)壽命幾乎沒有差別。這表明：合適的儲氫材料可以有效地限制高壓氫脆的發(fā)生。此外，他還定量地給出了高壓儲氫材料在壓力、UTS、KIH、FCG 以及氫氣和空氣等規(guī)定條件下的循環(huán)壽命數據，用于高壓儲氫材料的選擇[38]。 

2.3.4  人工問題 高壓儲氫容器適用于加氫站儲氫系統(tǒng)，其存在高壓、易燃和易爆炸等潛在的危險因素[39]，若相關操作人員與管理人員的安全意識不足，出現違規(guī)操作的情況時，容易引發(fā)相應的事故，威脅周邊居民及自身的生命。因此，必須加強對高壓容器安全操作的管理力度，在此基礎上維護并延長設備的使用壽命，保障高壓容器的運行安全。 

多年來，我國針對高壓容器安全管理出臺了一系列管理條例、法規(guī)及標準。同時，也推出了諸多行政及技術層面的舉措，涵蓋了高壓容器的采購、安裝驗收、使用記錄、設備安全技術檔案、定期檢驗保養(yǎng)及維護等多個方面。高壓容器發(fā)生事故一方面是操作人員對儲氫容器的不重視，引發(fā)違章操作；另一方面是管理者對檢修過程的重視程度不夠，消極對待高壓儲氫容器的定期檢驗工作，被動應付各類檢驗、監(jiān)察工作，甚至認定檢驗部門是為收費而開展檢驗工作。目前，部分企業(yè)尚未建立技術主管負責的安全管理組織機構，導致高壓儲氫容器安全管理工作中，出現問題時缺少主要負責人，嚴重阻礙安全管理工作的開展。 

3  未來展望 

目前，高壓氣態(tài)儲氫作為國內唯一商用的儲氫技術，自 1970 年以來得到了長足的發(fā)展。其中高壓儲氫氣瓶正不斷朝輕質高壓、高質量/體積儲氫密度的方向發(fā)展。同時隨著纖維復合材料、聚合物材料以及纏繞設備和纏繞技術的更新升級，高壓儲氫容器必將更大地拓展其應用場景。在容器性能不斷提升的同時，還需要進一步對高壓儲氫容器的使用壽命和使用條件進行分析，對容器的生產、測試等進行標準化，不斷提升高壓儲氫容器的安全性能。未來為拓展氫能的應用場景，必須降低高壓儲氫容器的制造成本。 為應對我國高壓儲氫容器疲勞壽命數據匱乏的困境，預防國外類似容器密封失效問題的發(fā)生，我們需要加強對高壓儲氫容器疲勞失效機制的研究,提高密封操作工作重要性的認知。除此之外，國內廠商不僅需要加強高壓儲氫容器質量管理意識，嚴格遵照儲氫容器制造流程， 

在關鍵處設立停檢點確保高壓儲氫容器質量，還應杜絕高壓儲氫容器因趕工而導致質量下降的問題。 

目前，雖然國家已經制定了一些加氫站安全管理的標準，但是由于中國各區(qū)域加氫壓力和加氫規(guī)模的差異性，現有的加氫站安全管理制度存在諸多不足之處。因此，需要根據各個加氫站實際情況來完善其安全管理制度。由于加氫站在壓縮、冷卻、儲存、加注方面的不同，導致在實際加注過程中一些細節(jié)存在差異，可根據日常安全管理中存在的問題對加氫站管理規(guī)范進行改善。此外，還可根據管理人員的技術水平來修正管理制度，安全管理的內容越多，對管理人員的要求越高。 

4  結論 

隨著人們對氫氣的開發(fā)和認識，高壓儲氫容器作為一種專門儲氫的高壓容器應運而生。由于我國氫能發(fā)展相對較晚，現階段缺乏對儲氫容器系統(tǒng)深入的研究，在技術規(guī)范、設計、管理等方面存在諸多問題，現有的規(guī)范、設計和管理方案并不能完全保證容器的安全運行。因此，在未來仍然需要注意以下幾點： 

（1）為避免技術設計缺陷的存在，提高儲氫容器的安全性，應采用多種不同的實驗方法檢驗，如磁粉檢測、滲透檢測、周期性超聲相控陣檢測等，以確保設計工藝有著足夠的安全性和可靠性。 

（2）需要加快建立氫安全檢驗檢測體系，引導及資助有實力的科研單位開展氫能安全基礎研究，包括高壓氫接觸部件的耐久性問題、儲氫容器密封性能和疲勞及氫脆性能研究，形成氫能安全基礎理論體系。 

（3）在建立標準體系的基礎上，組建國內第三方氫安全檢測中心，定期對正在使用的高壓儲氫容器安全性進行評估，避免潛在事故的發(fā)生。 

（4）為提高儲氫罐安裝、運行和維護的整體安全性，對操作者進行規(guī)范的安全培訓。加強加氫站安全管理，提高操作者對違規(guī)操作危險性的認知。 參考文獻 

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