“我們的總體思路是，瞄準國家重大需求，攻克關鍵技術，創建檢測平臺，制定技術標準，研制核心裝備，實現我國氫氣規模化提純裝備與高壓儲存裝備自主可控。”項目第一完成人，浙江大學能源工程學院教授鄭津洋帶領項目組，緊盯高壓氫脆防控、氫氣高效儲存和規模化提純三大世界難題，取得三大創新成果，經過近20年的科研攻關，將我國大容量高壓氫氣儲存裝備技術和大型高壓氫氣提純裝備技術推至國際領先水平。

 

在日前召開的國家科學技術獎勵大會上，這項成果獲得2020年度國家科學技術進步獎二等獎。

 

基理研究，實現氫脆防控和檢測

 

氫能應用的關鍵之一在于儲氫技術，即如何實現安全、高效、經濟的氫氣儲存。當前，儲氫方式主要有氣態儲氫、液態儲氫和固態儲氫3種，相較而言，高壓氣態儲氫具有設備結構簡單、充裝和排放速度快、溫度適應范圍寬等優點，是世界各國優先重點發展的氫能儲存技術。

 

但是，設計和制造安全高效高壓儲氫裝備并非易事。盛裝高壓高純度氫氣的儲氫裝備，具有氫氣易泄漏擴散、可燃范圍廣的特點，且易引發高壓氫脆，導致材料性能劣化，甚至造成突然斷裂和爆炸。比如，2019年5月和6月，韓國、美國和挪威就相繼發生爆炸事故。

 

要實現安全高效高壓儲氫，最首要和基礎的任務是揭示高壓氫脆機理并實現性能調控。

 

鄭津洋介紹，氫脆是一個古老的話題，100多年前就有研究介入。但是項目實施前，國內外普遍的測試手段是預充氫檢測，即將已預先充氫的材料在空氣環境中進行力學性能測試。顯然，這種方法無法模擬儲氫裝備的實際工作環境。

 

基于產業需求，鄭津洋帶領團隊攻克高壓氫氣密封、加載桿軸向力平衡等關鍵技術，發明了140MPa快開式材料高壓氫脆原位檢測裝置，解決了傳統預充氫試驗中長期困擾的“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鍵設備。使我國成為繼美國、日本后第三個有在140MPa壓力下開展高壓氫脆科學研究能力的國家。

 

30CrMo、S30408、S31603等6種國產金屬材料，在我國高壓儲氫裝備中最為常用。團隊對這6種材料，在5至140MPa的高壓氫氣環境中原位測試力學性能，并在此基礎上建立了國內首個材料高壓氫脆數據庫，為高壓氫氣儲存裝備研制提供了關鍵基礎數據。

 

不僅厘清材料成分及性能、應力水平、工作環境等因素和高壓氫脆之間的關系。團隊還揭示了沖壓、旋壓、熱處理等制造工藝與微觀組織、氫偏聚、氫致開裂之間的關聯機制，為實現形性協同制造提供了關鍵核心技術。

 

基于以上研究結果，團隊創建了以抗氫脆設計制造為主、安全狀態監控并重的防控技術體系，并成為國家標準。從而為設備的安全可靠加裝了全生命周期的保險閥。

 

設備落地，助推高效儲存和提純

 

機理研究先行，緊跟而上的還有產品制造。項目組根據氫氣高效儲存裝備和規模提純裝置的研發需求，開展產學研融通協同攻關，取得了特色鮮明的系統創新成果。

 

項目實施前，我國壓力超過35MPa的儲氫裝備長期處于空白，難以滿足加氫站、氫燃料電池汽車發展的需要。

 

世界各國也曾研發了多種結構形式的高壓儲氫裝備。例如單層無縫瓶式鋼制容器、鋼內膽碳纖維環向纏繞容器、塑料內膽碳纖維全纏繞容器等，但是存在單臺容積小，鋼制容器用高強度鋼對高壓氫脆敏感，復合材料容器成本高的問題。

 

基于現實矛盾，團隊另辟蹊徑，提出以抗氫脆焊接薄內筒為核心的全多層儲氫容器設計思想。“簡單理解，就是與高壓氫氣接觸的薄內筒采用抗高壓氫脆性能優良的材料，其余則采用普通高壓容器用鋼。”鄭津洋解釋。不僅如此，團隊建立了專門針對這類儲氫容器的設計方法，形成了制造過程中提高容器抗氫脆性能的技術，并牽頭制定了首部儲氫高壓容器產品國家標準。

 

此外，團隊還發明了小孔內置式曲面耦合超聲相控陣檢測技術，即在儲氫容器服役周期內，通過特制的檢測設備，深入儲氫容器內部對容器安全狀態進行“體檢”，解決了全多層儲氫高壓容器氫致損傷無損檢測的難題，從而打通了全多層儲氫高壓容器從設計、制造、檢驗檢測的全技術鏈。

 

除了解決固定安裝的大容量高壓儲氫難題，團隊在車載輕質高壓儲氫技術研發方面也產生了一系列成果。

 

開發隨車運動的高壓儲氫氣瓶，需要考慮火災、頻繁快充、碰撞等極端服役條件，并盡量降低質量和體積。在這一領域，團隊發明了纖維全纏繞復合材料高壓氫氣瓶性能預測系列方法，實現了高壓氫氣瓶強度-壽命-耐火多維協同設計制造，并主導制定了高壓氫氣瓶產品國家標準。

 

基于這些創新性技術，成果轉化和落地也在有序推進。團隊牽頭制定了高壓儲氫主要國家標準9項，參與制定國家標準27項、聯合國全球技術規范UN GTR13等國際規范標準5項，有力推動了行業的科技進步及產業發展。

 

在豐田常熟加氫站，團隊主持研制的98MPa儲氫高壓容器正在安全服役，不僅容積達到1m³，為世界最大，而且壽命長、成本低，在線檢漏功能更大大提升了安全性。另外，在上汽集團自主研發的榮威950等氫燃料電池汽車上，就裝載了團隊研制的國內首臺70MPa高壓氫氣瓶。

 

在很長一段時間里，我國變壓吸附提純氫的規模小，每小時最大處理量僅7.5萬標準立方米，且壓力低，遠不能滿足國家重大工程建設的需要。于是，團隊與合作完成單位瞄準高效特大型高壓變壓吸附提純氫氣裝置的需求，主導制定了變壓吸附提純氫系統安全國際標準，研制成功世界最大每小時34萬標準立方米煤制氣變壓吸附提純氫裝置，解決了大規模、高壓力、多雜質氣源的氫氣分離提純國際難題。

 

目前，項目技術已應用于氫能提純和高壓儲輸全行業，核心裝備在我國加氫站建設、氫燃料電池汽車發展中持續發揮著不可替代的關鍵作用。技術產品不僅應用于國家能源、上汽等1000多家企業，也遠銷美國、韓國等20多個國家和地區。據了解，項目近三年新增銷售額 33.5億元、利稅5.4億元。隨著氫能的快速發展，其經濟效益將更加顯著。

 

（文字 馬宇丹/攝影 盧紹慶/攝像 劉涵）