近年來(lái)，儲(chǔ)能行業(yè)發(fā)展迅速，已成為能源轉(zhuǎn)型和碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵領(lǐng)域。各國(guó)紛紛推出了儲(chǔ)能支持政策，如美國(guó)的《通脹削減法案》、歐盟的《綠色協(xié)議》、中國(guó)的“十四五”儲(chǔ)能發(fā)展規(guī)劃，儲(chǔ)能還被中國(guó)列為了戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。

儲(chǔ)能是指將能量以某種形式存儲(chǔ)起來(lái)，在需要時(shí)釋放使用，其核心目的是平衡能源供需、提高能源利用效率，并支持可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用。儲(chǔ)能技術(shù)在電力調(diào)峰、備用電源、電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。常見(jiàn)的儲(chǔ)能技術(shù)路線包括：

 

◆ 電化學(xué)儲(chǔ)能：如鋰離子電池、鉛酸電池；
◆ 機(jī)械儲(chǔ)能：如抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能；
◆ 熱儲(chǔ)能：如熔鹽儲(chǔ)熱、相變材料儲(chǔ)熱；
◆ 化學(xué)儲(chǔ)能：如氫能、合成燃料。

 

氫能：綠色夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)

氫能作為一種重要的化學(xué)儲(chǔ)能形式，通過(guò)電解水制氫（H2），將電能轉(zhuǎn)化為氫能儲(chǔ)存，并在需要時(shí)通過(guò)燃料電池或燃燒來(lái)釋放能量。

氫（H）是元素周期表中的“排頭兵”，氫氣燃燒的唯一副產(chǎn)物為水（H2O），并不產(chǎn)生造成溫室效應(yīng)的CO2。氫能具有清潔環(huán)保、燃燒值高、無(wú)污染和可儲(chǔ)運(yùn)等一系列優(yōu)點(diǎn)，尤其在大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)能方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，與電池儲(chǔ)能等技術(shù)互補(bǔ)。將風(fēng)能、太陽(yáng)能等間歇性可再生能源的多余電力轉(zhuǎn)化為氫氣儲(chǔ)存，可以在能源短缺時(shí)釋放，平衡電網(wǎng)負(fù)荷，解決可再生能源波動(dòng)性，推動(dòng)可再生能源的高效利用。有人把氫能視作繼太陽(yáng)能、風(fēng)能之后未來(lái)替代化石燃料的理想選擇，甚至被譽(yù)為“21世紀(jì)的終極清潔能源”。2023年，全球氫氣產(chǎn)量首次突破1億噸，氫能在全球能源結(jié)構(gòu)綠色轉(zhuǎn)型中的潛力無(wú)可限量。

 

圖1： ©互聯(lián)網(wǎng)

當(dāng)然，關(guān)于氫能源在交通領(lǐng)域的應(yīng)用，仍存在著不小的爭(zhēng)議。全球科技狂人埃隆·馬斯克就一直對(duì)氫能源持懷疑態(tài)度，多次猛烈炮轟氫能源技術(shù)路線效率低下、成本高昂且運(yùn)輸危險(xiǎn)。他直言不諱地稱(chēng)氫能源為“儲(chǔ)能領(lǐng)域最愚蠢的選擇”，認(rèn)為電能驅(qū)動(dòng)汽車(chē)更為高效和經(jīng)濟(jì)。作為全球電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)導(dǎo)品牌特斯拉的掌門(mén)人，馬斯克對(duì)氫能有意或無(wú)意的“打壓”或許不難理解，但這并未阻止氫能技術(shù)的持續(xù)發(fā)展（圖1）。
 
儲(chǔ)運(yùn)：氫能源的“成長(zhǎng)煩惱”

從氫能產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)看，上游為制氫；中游是氫氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸，主要儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)包括氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)、液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)、固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)以及有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)等，涵蓋儲(chǔ)氫裝置、氫氣運(yùn)輸?shù)?；下游為加氫及氫的綜合應(yīng)用，涉及到加氫站建設(shè)及設(shè)備，以及交通、工業(yè)、建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用。

目前氫能的商業(yè)化還處在發(fā)展初期。在制氫和用氫環(huán)節(jié)，現(xiàn)有技術(shù)已相對(duì)成熟，還可以支撐產(chǎn)業(yè)化。但在儲(chǔ)存和運(yùn)輸環(huán)節(jié)，儲(chǔ)運(yùn)成本長(zhǎng)期占據(jù)終端氫氣價(jià)格組成的30%-40%，經(jīng)濟(jì)性不好，另外還有安全性的問(wèn)題，導(dǎo)致儲(chǔ)運(yùn)成為制約氫能大規(guī)模廣泛應(yīng)用的“阿喀琉斯之踵”。馬斯克就曾犀利地指出，氫能用于車(chē)輛的存儲(chǔ)效率低下令人堪憂，需要龐大的儲(chǔ)罐，而液態(tài)儲(chǔ)存更是問(wèn)題重重。

 

圖2： ©互聯(lián)網(wǎng)

傳統(tǒng)儲(chǔ)氫方法，無(wú)論是高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、液化儲(chǔ)氫還是固態(tài)儲(chǔ)氫，技術(shù)難題和成本問(wèn)題始終如影隨形。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫因技術(shù)成熟度高、成本相對(duì)較低，成為當(dāng)前主流方案。但其在重量、體積以及安全性方面仍存在改進(jìn)空間，為氫能源的規(guī)?；瘧?yīng)用提供了新的可能（圖2）。

 

圖3： ©互聯(lián)網(wǎng)

如何打破狂人馬斯克之詛咒，提高氫能儲(chǔ)運(yùn)裝備的經(jīng)濟(jì)性和安全性，是氫能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的關(guān)鍵，也是未來(lái)趨勢(shì)。儲(chǔ)氫罐作為儲(chǔ)存和運(yùn)輸氫氣的關(guān)鍵設(shè)備，能否實(shí)現(xiàn)安全輸送，取決于是否使用了耐用、堅(jiān)固和經(jīng)濟(jì)的材料。這也為聚合物材料帶來(lái)了新機(jī)遇，塑料業(yè)界通過(guò)新材料新技術(shù)的推廣應(yīng)用，可為儲(chǔ)氫賦能，為氫能產(chǎn)業(yè)提速（圖3）。
 
氫能與塑料的共贏之路

儲(chǔ)氫罐（瓶）是為容納各種形式的氫氣而設(shè)計(jì)的，在確保氫氣作為能源載體的可及性和可靠性方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。其發(fā)展歷程見(jiàn)證了材料科學(xué)和工程技術(shù)的重大突破，目前氫氣儲(chǔ)存方案主要分為如下圖示的五種類(lèi)型，也代表著儲(chǔ)氫技術(shù)的五代進(jìn)化史（圖4）：

 

圖4： ©互聯(lián)網(wǎng)

• Ⅰ型：全金屬氣瓶，沒(méi)有外包裝。
• Ⅱ型：承重金屬內(nèi)襯氣瓶（通常為鋼或鋁合金），外覆玻璃纖維復(fù)合材料，并對(duì)金屬氣瓶進(jìn)行部分纖維增強(qiáng)。
• Ⅲ型：非承重金屬內(nèi)襯氣瓶（鋁制），完全包覆碳纖維復(fù)合材料。
• Ⅳ型：非承重塑料/復(fù)合材料內(nèi)襯氣瓶，外覆與熱塑性聚合物交織的復(fù)合材料。這種瓶重量較輕，特別適用于高壓（如超過(guò)700 bar即70MPa）儲(chǔ)存且密集使用的場(chǎng)景，如汽車(chē)和航空領(lǐng)域。Ⅳ型儲(chǔ)氫氣瓶正成為全世界的研發(fā)熱點(diǎn)（圖5）。
•Ⅴ型：全復(fù)合材料無(wú)內(nèi)襯儲(chǔ)罐，目前尚處于實(shí)驗(yàn)階段。

 

圖5： ©互聯(lián)網(wǎng)

本文重點(diǎn)介紹涉塑程度高的IV型儲(chǔ)氫瓶。內(nèi)膽（內(nèi)襯）是IV型儲(chǔ)氫瓶的核心部件之一，負(fù)責(zé)吸收氣體并包封內(nèi)容物，與外界隔離。因此，內(nèi)襯會(huì)遭受高機(jī)械應(yīng)力和-60℃～+120℃的溫度。為了防止氫氣滲透，儲(chǔ)氫罐內(nèi)膽通常采用熱塑性聚合物材料，如高密度聚乙烯HDPE、聚酰胺PA（尼龍），厚度約為2-3mm。這些材料不僅具有良好的氣密性，還能有效抵抗氫脆現(xiàn)象，確保儲(chǔ)氫罐的長(zhǎng)期穩(wěn)定性（圖6）。

 

圖6： ©互聯(lián)網(wǎng)

 

HDPE用于許多儲(chǔ)能瓶的制造，但與PA相比，容易起泡并且需要更厚的瓶壁才能滿(mǎn)足滲透標(biāo)準(zhǔn)。而標(biāo)準(zhǔn)PA6材料具有成本效益并具有高耐熱性，但在低于零的溫度下通常會(huì)變脆。為了領(lǐng)先于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，制造商需要選擇一種熱塑性解決方案，能有效平衡設(shè)計(jì)、性能和成本。早在10年余前，可持續(xù)工程材料解決方案供應(yīng)商——帝斯曼DSM公司（2022年帝斯曼工程材料與朗盛高性能材料合并成恩驊力Envalior公司）推出了先進(jìn)的PA6材料Akulon® Fuel Lock，非常適合生產(chǎn)比鋼替代品輕70%的IV型儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)膽，并在整個(gè)零件生命周期內(nèi)提供出色的機(jī)械強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性和抗沖擊性。Akulon® Fuel Lock材質(zhì)內(nèi)膽提供出色的阻隔性能（是HDPE的五倍），減少氫氣從壓力容器中滲透泄漏，從而提高車(chē)輛安全性和燃油效率，已經(jīng)成功應(yīng)用在量產(chǎn)燃料電池車(chē)型上（圖7）。

 

圖7： ©互聯(lián)網(wǎng)

為了提高氫氣阻隔性能，高分子材料常通過(guò)共聚物改性（如乙烯乙烯醇共聚物）或添加無(wú)機(jī)填料（如納米顆粒）來(lái)降低氫氣滲透率。例如，南京聚隆科技股份有限公司于2024年9月申請(qǐng)了一項(xiàng)名為“一種吹塑級(jí)儲(chǔ)氫罐內(nèi)膽材料及其制備方法”的專(zhuān)利，公開(kāi)號(hào)為CN119371814A。該材料主要由48%到78%的PA樹(shù)脂、20%到50%的增韌母粒、0.5%到3%的乙烯乙烯醇共聚物、0.5%到3%的無(wú)機(jī)填料、0.1%到1%的擴(kuò)鏈劑、0.4%到0.8%的潤(rùn)滑劑和0.2%到0.5%的抗氧劑構(gòu)成。其制備過(guò)程包括先用馬來(lái)酸酐共聚物與PA樹(shù)脂制成增韌母粒，再將多種組分混合成PA復(fù)合材料半成品，最終通過(guò)擴(kuò)鏈劑提升粘度，制得能夠用于吹塑成型的儲(chǔ)氫罐內(nèi)膽材料。南京聚隆的這一專(zhuān)利有望顯著提升儲(chǔ)氫罐內(nèi)膽的性能，為氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支持，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)步。

 

圖8： ©互聯(lián)網(wǎng)

高分子材料易于成型，內(nèi)膽可通過(guò)擠吹成型或滾塑成型等工藝制備而成。PA材料具有很好的阻隔性能，然而由于它們的低熔體剛性和復(fù)雜性，難以通過(guò)吹塑工藝進(jìn)行大尺寸產(chǎn)品的加工。幾年前，德國(guó)考特斯公司（Kautex）的吹塑專(zhuān)家利用KBS241吹塑機(jī)，成功生產(chǎn)出一個(gè)可用于氫壓力容器的大體積PA內(nèi)膽，長(zhǎng)達(dá)2米多，直徑約500毫米，容積為320升，這是首次采用吹塑工藝生產(chǎn)這種尺寸的氫壓力容器內(nèi)膽（圖8）。

 

圖9： ©互聯(lián)網(wǎng)

儲(chǔ)氫瓶的外殼則由碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）和玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）等復(fù)合材料纏繞而成，復(fù)材的輕質(zhì)+高強(qiáng)特性能夠顯著降低儲(chǔ)氫設(shè)備的重量，同時(shí)提供足夠的機(jī)械強(qiáng)度和耐壓性能。與傳統(tǒng)的熱固性復(fù)合材料（如環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料）相比，熱塑性復(fù)合材料的帶材成本較高，在當(dāng)前儲(chǔ)氫瓶的成本構(gòu)成中占比超60%。碳纖維原料市場(chǎng)為日本東麗（Toray）等日韓歐美公司所主導(dǎo)，中國(guó)企業(yè)在這一領(lǐng)域暫顯弱勢(shì)。在去年，上海凱賽生物技術(shù)股份有限公司和合作伙伴韓國(guó)3P.COM公司推出合作研發(fā)成果 - 應(yīng)用連續(xù)纖維增強(qiáng)生物基聚酰胺復(fù)合材料制作的IV型儲(chǔ)氫瓶（圖9），為儲(chǔ)氫領(lǐng)域帶來(lái)兼具性能及環(huán)保的材料解決方案。該儲(chǔ)氫瓶?jī)?nèi)膽材料采用高氣體阻隔生物基聚酰胺，增強(qiáng)層外壁采用連續(xù)纖維增強(qiáng)生物基聚酰胺復(fù)合材料纏繞工藝，不僅具備綠色、輕量化，高氣瓶抗壓強(qiáng)度等性能，同時(shí)通過(guò)纏繞工藝不僅可在生產(chǎn)端助力提升生產(chǎn)效率，更可支持產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)高防風(fēng)險(xiǎn)功能。

 

圖10： ©互聯(lián)網(wǎng)

日本豐田汽車(chē)公司是全球最早研發(fā)氫燃料電池汽車(chē)的汽車(chē)廠商之一，Mirai是其推出的首款氫燃料電池車(chē)和旗艦產(chǎn)品，通過(guò)氫燃料電池產(chǎn)生電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，于2014年首次亮相，2015年開(kāi)始上市銷(xiāo)售。該車(chē)搭載了復(fù)合材料高壓儲(chǔ)氫瓶（見(jiàn)圖10中黃色部分），采用高強(qiáng)度聚合物內(nèi)膽和碳纖維外殼，多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使儲(chǔ)氫罐既能承受高達(dá)700 bar的壓力；又保持了輕量化，儲(chǔ)氫罐重量?jī)H為傳統(tǒng)金屬罐的一半，從而提升了Mirai的安全性和續(xù)航能力，續(xù)航里程可達(dá)700km。然而，Mirai的市場(chǎng)銷(xiāo)售表現(xiàn)相對(duì)有限，截至2023年的全球累計(jì)銷(xiāo)量?jī)H約2萬(wàn)輛，市場(chǎng)接受程度低。究其個(gè)中原因，一個(gè)關(guān)鍵的瓶頸因素正是儲(chǔ)氫罐成本高昂導(dǎo)致Mirai售價(jià)較高，在特斯拉、比亞迪等純電動(dòng)車(chē)的挑戰(zhàn)之下只能乖乖繳械投降。由此可以看到，氫燃料電池車(chē)若想在未來(lái)的清潔能源交通中占據(jù)一席之地，發(fā)展材料技術(shù)以降低儲(chǔ)氫罐成本，仍是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

 

明日之光

隨著氫能源成為全球能源結(jié)構(gòu)中的地位日益重要，氫氣生產(chǎn)規(guī)模預(yù)計(jì)將不斷擴(kuò)大。據(jù)預(yù)測(cè)，到2030年，全球氫氣年產(chǎn)量將超過(guò)2億噸，到2050年，這個(gè)數(shù)字將超過(guò)5億。

馬斯克對(duì)氫能源表示懷疑態(tài)度，也提醒我們：氫能源的發(fā)展并非一路坦途。未來(lái)，誰(shuí)能主宰新能源市場(chǎng)仍是未知數(shù)。在這場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，市場(chǎng)和政策的影響將至關(guān)重要。

隨著塑料/高分子材料及復(fù)合材料在氫能源儲(chǔ)存領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，我們有理由相信，氫能源的前景將更加光明。在未來(lái)，我們或許會(huì)看到更多輕便、安全且成本低廉的氫能源儲(chǔ)存設(shè)備。它們不僅能讓氫燃料電池車(chē)跑得更遠(yuǎn)、更穩(wěn)，還能在分布式能源、儲(chǔ)能等領(lǐng)域大顯身手。想象一下，在不久的將來(lái)，氫能源就像現(xiàn)在的電能一樣，隨處可得，為我們的生活提供源源不斷的綠色動(dòng)力。而且，隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，塑料和復(fù)合材料還可能會(huì)有更多意想不到的應(yīng)用。把我們的“腦洞”打開(kāi)得更大，或許有一天，我們能開(kāi)發(fā)出可以像氣球一樣輕松攜帶的便攜式儲(chǔ)氫裝置，讓氫能源真正走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)。
讓我們一起憧憬氫能源時(shí)代的早日到來(lái)！

 

來(lái)源：榮格-《國(guó)際塑料商情》

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