“氢”装上阵： 聚合物科技如何打破马斯克的氢能储运诅咒

近年来，储能行业发展迅速，已成为能源转型和碳中和目标实现的关键领域。各国纷纷推出了储能支持政策，如美国的《通胀削减法案》、欧盟的《绿色协议》、中国的“十四五”储能发展规划，储能还被中国列为了战略性新兴产业。

储能是指将能量以某种形式存储起来，在需要时释放使用，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规模应用。储能技术在电力调峰、备用电源、电动汽车等领域有着广泛的应用。常见的储能技术路线包括：

 

◆ 电化学储能：如锂离子电池、铅酸电池；
◆ 机械储能：如抽水蓄能、压缩空气储能；
◆ 热储能：如熔盐储热、相变材料储热；
◆ 化学储能：如氢能、合成燃料。

 

氢能：绿色梦想照进现实

氢能作为一种重要的化学储能形式，通过电解水制氢（H2），将电能转化为氢能储存，并在需要时通过燃料电池或燃烧来释放能量。

氢（H）是元素周期表中的“排头兵”，氢气燃烧的唯一副产物为水（H2O），并不产生造成温室效应的CO2。氢能具有清洁环保、燃烧值高、无污染和可储运等一系列优点，尤其在大规模、长时间的储能方面具有独特优势，与电池储能等技术互补。将风能、太阳能等间歇性可再生能源的多余电力转化为氢气储存，可以在能源短缺时释放，平衡电网负荷，解决可再生能源波动性，推动可再生能源的高效利用。有人把氢能视作继太阳能、风能之后未来替代化石燃料的理想选择，甚至被誉为“21世纪的终极清洁能源”。2023年，全球氢气产量首次突破1亿吨，氢能在全球能源结构绿色转型中的潜力无可限量。

 

图1： ©互联网

当然，关于氢能源在交通领域的应用，仍存在着不小的争议。全球科技狂人埃隆·马斯克就一直对氢能源持怀疑态度，多次猛烈炮轰氢能源技术路线效率低下、成本高昂且运输危险。他直言不讳地称氢能源为“储能领域最愚蠢的选择”，认为电能驱动汽车更为高效和经济。作为全球电动汽车领导品牌特斯拉的掌门人，马斯克对氢能有意或无意的“打压”或许不难理解，但这并未阻止氢能技术的持续发展（图1）。
 
储运：氢能源的“成长烦恼”

从氢能产业链来看，上游为制氢；中游是氢气的储存和运输，主要储运技术包括气态储运、液态储运、固态储运以及有机液态储运等，涵盖储氢装置、氢气运输等；下游为加氢及氢的综合应用，涉及到加氢站建设及设备，以及交通、工业、建筑等领域的应用。

目前氢能的商业化还处在发展初期。在制氢和用氢环节，现有技术已相对成熟，还可以支撑产业化。但在储存和运输环节，储运成本长期占据终端氢气价格组成的30%-40%，经济性不好，另外还有安全性的问题，导致储运成为制约氢能大规模广泛应用的“阿喀琉斯之踵”。马斯克就曾犀利地指出，氢能用于车辆的存储效率低下令人堪忧，需要庞大的储罐，而液态储存更是问题重重。

 

图2： ©互联网

传统储氢方法，无论是高压气态储氢、液化储氢还是固态储氢，技术难题和成本问题始终如影随形。高压气态储氢因技术成熟度高、成本相对较低，成为当前主流方案。但其在重量、体积以及安全性方面仍存在改进空间，为氢能源的规模化应用提供了新的可能（图2）。

 

图3： ©互联网

如何打破狂人马斯克之诅咒，提高氢能储运装备的经济性和安全性，是氢能产业链发展的关键，也是未来趋势。储氢罐作为储存和运输氢气的关键设备，能否实现安全输送，取决于是否使用了耐用、坚固和经济的材料。这也为聚合物材料带来了新机遇，塑料业界通过新材料新技术的推广应用，可为储氢赋能，为氢能产业提速（图3）。
 
氢能与塑料的共赢之路

储氢罐（瓶）是为容纳各种形式的氢气而设计的，在确保氢气作为能源载体的可及性和可靠性方面发挥着关键作用。其发展历程见证了材料科学和工程技术的重大突破，目前氢气储存方案主要分为如下图示的五种类型，也代表着储氢技术的五代进化史（图4）：

 

图4： ©互联网

• Ⅰ型：全金属气瓶，没有外包装。
• Ⅱ型：承重金属内衬气瓶（通常为钢或铝合金），外覆玻璃纤维复合材料，并对金属气瓶进行部分纤维增强。
• Ⅲ型：非承重金属内衬气瓶（铝制），完全包覆碳纤维复合材料。
• Ⅳ型：非承重塑料/复合材料内衬气瓶，外覆与热塑性聚合物交织的复合材料。这种瓶重量较轻，特别适用于高压（如超过700 bar即70MPa）储存且密集使用的场景，如汽车和航空领域。Ⅳ型储氢气瓶正成为全世界的研发热点（图5）。
•Ⅴ型：全复合材料无内衬储罐，目前尚处于实验阶段。

 

图5： ©互联网

本文重点介绍涉塑程度高的IV型储氢瓶。内胆（内衬）是IV型储氢瓶的核心部件之一，负责吸收气体并包封内容物，与外界隔离。因此，内衬会遭受高机械应力和-60℃～+120℃的温度。为了防止氢气渗透，储氢罐内胆通常采用热塑性聚合物材料，如高密度聚乙烯HDPE、聚酰胺PA（尼龙），厚度约为2-3mm。这些材料不仅具有良好的气密性，还能有效抵抗氢脆现象，确保储氢罐的长期稳定性（图6）。

 

图6： ©互联网

 

HDPE用于许多储能瓶的制造，但与PA相比，容易起泡并且需要更厚的瓶壁才能满足渗透标准。而标准PA6材料具有成本效益并具有高耐热性，但在低于零的温度下通常会变脆。为了领先于竞争对手，制造商需要选择一种热塑性解决方案，能有效平衡设计、性能和成本。早在10年余前，可持续工程材料解决方案供应商——帝斯曼DSM公司（2022年帝斯曼工程材料与朗盛高性能材料合并成恩骅力Envalior公司）推出了先进的PA6材料Akulon® Fuel Lock，非常适合生产比钢替代品轻70%的IV型储氢瓶内胆，并在整个零件生命周期内提供出色的机械强度、尺寸稳定性和抗冲击性。Akulon® Fuel Lock材质内胆提供出色的阻隔性能（是HDPE的五倍），减少氢气从压力容器中渗透泄漏，从而提高车辆安全性和燃油效率，已经成功应用在量产燃料电池车型上（图7）。

 

图7： ©互联网

为了提高氢气阻隔性能，高分子材料常通过共聚物改性（如乙烯乙烯醇共聚物）或添加无机填料（如纳米颗粒）来降低氢气渗透率。例如，南京聚隆科技股份有限公司于2024年9月申请了一项名为“一种吹塑级储氢罐内胆材料及其制备方法”的专利，公开号为CN119371814A。该材料主要由48%到78%的PA树脂、20%到50%的增韧母粒、0.5%到3%的乙烯乙烯醇共聚物、0.5%到3%的无机填料、0.1%到1%的扩链剂、0.4%到0.8%的润滑剂和0.2%到0.5%的抗氧剂构成。其制备过程包括先用马来酸酐共聚物与PA树脂制成增韧母粒，再将多种组分混合成PA复合材料半成品，最终通过扩链剂提升粘度，制得能够用于吹塑成型的储氢罐内胆材料。南京聚隆的这一专利有望显著提升储氢罐内胆的性能，为氢能产业的发展提供技术支持，推动相关领域的进步。

 

图8： ©互联网

高分子材料易于成型，内胆可通过挤吹成型或滚塑成型等工艺制备而成。PA材料具有很好的阻隔性能，然而由于它们的低熔体刚性和复杂性，难以通过吹塑工艺进行大尺寸产品的加工。几年前，德国考特斯公司（Kautex）的吹塑专家利用KBS241吹塑机，成功生产出一个可用于氢压力容器的大体积PA内胆，长达2米多，直径约500毫米，容积为320升，这是首次采用吹塑工艺生产这种尺寸的氢压力容器内胆（图8）。

 

图9： ©互联网

储氢瓶的外壳则由碳纤维增强塑料（CFRP）和玻璃纤维增强塑料（GFRP）等复合材料缠绕而成，复材的轻质+高强特性能够显著降低储氢设备的重量，同时提供足够的机械强度和耐压性能。与传统的热固性复合材料（如环氧树脂复合材料）相比，热塑性复合材料的带材成本较高，在当前储氢瓶的成本构成中占比超60%。碳纤维原料市场为日本东丽（Toray）等日韩欧美公司所主导，中国企业在这一领域暂显弱势。在去年，上海凯赛生物技术股份有限公司和合作伙伴韩国3P.COM公司推出合作研发成果 - 应用连续纤维增强生物基聚酰胺复合材料制作的IV型储氢瓶（图9），为储氢领域带来兼具性能及环保的材料解决方案。该储氢瓶内胆材料采用高气体阻隔生物基聚酰胺，增强层外壁采用连续纤维增强生物基聚酰胺复合材料缠绕工艺，不仅具备绿色、轻量化，高气瓶抗压强度等性能，同时通过缠绕工艺不仅可在生产端助力提升生产效率，更可支持产品实现高防风险功能。

 

图10： ©互联网

日本丰田汽车公司是全球最早研发氢燃料电池汽车的汽车厂商之一，Mirai是其推出的首款氢燃料电池车和旗舰产品，通过氢燃料电池产生电能驱动电动机，于2014年首次亮相，2015年开始上市销售。该车搭载了复合材料高压储氢瓶（见图10中黄色部分），采用高强度聚合物内胆和碳纤维外壳，多层结构设计使储氢罐既能承受高达700 bar的压力；又保持了轻量化，储氢罐重量仅为传统金属罐的一半，从而提升了Mirai的安全性和续航能力，续航里程可达700km。然而，Mirai的市场销售表现相对有限，截至2023年的全球累计销量仅约2万辆，市场接受程度低。究其个中原因，一个关键的瓶颈因素正是储氢罐成本高昂导致Mirai售价较高，在特斯拉、比亚迪等纯电动车的挑战之下只能乖乖缴械投降。由此可以看到，氢燃料电池车若想在未来的清洁能源交通中占据一席之地，发展材料技术以降低储氢罐成本，仍是一项艰巨的任务。

 

明日之光

随着氢能源成为全球能源结构中的地位日益重要，氢气生产规模预计将不断扩大。据预测，到2030年，全球氢气年产量将超过2亿吨，到2050年，这个数字将超过5亿。

马斯克对氢能源表示怀疑态度，也提醒我们：氢能源的发展并非一路坦途。未来，谁能主宰新能源市场仍是未知数。在这场竞争中，市场和政策的影响将至关重要。

随着塑料/高分子材料及复合材料在氢能源储存领域的应用越来越广泛，我们有理由相信，氢能源的前景将更加光明。在未来，我们或许会看到更多轻便、安全且成本低廉的氢能源储存设备。它们不仅能让氢燃料电池车跑得更远、更稳，还能在分布式能源、储能等领域大显身手。想象一下，在不久的将来，氢能源就像现在的电能一样，随处可得，为我们的生活提供源源不断的绿色动力。而且，随着技术的不断创新，塑料和复合材料还可能会有更多意想不到的应用。把我们的“脑洞”打开得更大，或许有一天，我们能开发出可以像气球一样轻松携带的便携式储氢装置，让氢能源真正走进千家万户。
让我们一起憧憬氢能源时代的早日到来！

 

来源：荣格-《国际塑料商情》

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