随着双碳目标的提出和不断落实，氢能作为未来清洁能源的重要组成部分，具备来源广泛和绿色低碳等特性，不断受到各国的重视[1-4]。作为氢能供应的有力保障，加氢站对于发展燃料电池汽车产业意义重大[5-7]。2006 年 6 月，我国于北京建成了第一座站内制氢的加氢站。其工艺流程是将水电解制备的氢气经过纯化处理后，使用隔膜压缩机加压后充入储氢罐作为汽车的燃料。据不完全统计，截至 2021 年 10 月底，全球已累计建成加氢站 571 座，其中有27 座加氢站因相关手续问题或因燃料电池汽车数量不足处于待运营状态，另有 229 座加氢站已处于规划之中。我国于 2021 年 10 月底共建成加氢站 154 座，其中加氢站投用比例为 90%，按照《节能与新能源汽车技术路线图》规划，预计加氢站数量将在 2025 年突破 300 座[8]。 

近年来，我国加氢站建设步伐加快的同时，建设质量需要得到保障。加氢站的建设质量与氢安全问题息息相关，而氢安全问题对于加氢站长期安全稳定运行至关重要[9]。因此，诸多学者在氢气安全乃至加氢站安全方面做了大量工作。Yang 等通过对一些已经发生的氢气安全事件进行分析，发现氢气系统中的管道和阀门故障是氢气相关事件中最常见的原因，并介绍了常用的氢气流动观测方法，对容易发生故障的管道阀门进行监控[10]。Sakamoto J 等建立了一个加氢站的物理模型，可以在正常和异常操作状态下模拟氢气的温度、压力和流速，并通过模型确定了可能导致加氢站严重事故的几个因素，提出了预防和缓解事故情景的措施[11]。Hirayama M 开发了一种评估加氢站加氢机安全距离的方法，并将之应用于加氢机的模型中，分别得到了加氢机应对爆炸、泄露和闪火等问题的安全距离，有助于实际中加氢机安全距离的确立[12]。Park B 等以美国桑迪亚国家实验室的报告为依据，使用 HyRAM 软件对氢气的羽流扩散、喷射火焰和热通量进行模拟，发现储氢容器的压力和泄漏直径对氢气扩散距离、喷射火焰长度和辐射热大小有极大影响[13]。 

目前大多数的研究都只涉及到加氢站的整体安全性分析，对加氢站单个设备的安全性研究相对较少。本文以加氢站高压储氢容器为研究对象，阐述了加氢站的系统结构，重点分析了储氢系统中高压储氢容器安全性方面存在的问题，并对未来高压储氢容器的发展进行展望。  

1  加氢站系统 

作为氢燃料电池汽车的基础设施，加氢站承担着氢燃料电池汽车加氢的工作[14]。我国的加氢站主要是专用加氢站，只有少量的油氢合建站和油氢电合建站。加氢站按加注压力分为35 MPa 加氢站和 70 MPa 加氢站。已建成运营的加氢站加注压力大多为 35 MPa，如如皋神华加氢站、上海依兰金山加氢站、山东潍柴加氢站等，也有一部分加氢站同时具备 35 MPa 和70 MPa 的加氢能力，如内蒙古乌海化学加氢站。在促进氢能产业进步政策的推行与加氢站关键设备实现国产化的背景下，更高加注压力的加氢站是我国未来的发展趋势[15,16]。 

我国加氢站的储氢方式大多为高压气态储氢，其加氢能力从 80 kg/d 至 2 000 kg/d 不等。根据氢源获取方式的差异将加氢站分为站内制氢加氢站和外部供氢加氢站。外部供氢加氢站的氢源由管束拖车从外部进行供应，而站内供氢加氢站的氢源则由站内原料制氢获得[17-19]，如图 1 所示，图 1a 为站内制氢加氢站工艺流程，图 1b 为外部供氢加氢站工艺流程。 

图 1 加氢站工艺流程 

加氢站有三大核心设备，分别为压缩机、储氢罐和加注机。其中氢气压缩机是通过改变低压氢气的容积来完成增压目的的设备。现阶段的氢气压缩机包括液驱式压缩机、隔膜式压缩机、离子液压缩机、活塞式压缩机等[20]。目前，站内的压缩机以氢气隔膜压缩机为主，其具有洁净度高、密封性好等优点[21,22]。储氢罐用于储存氢气，可加速燃料电池车辆的加氢过程，避免压缩机频繁启停。近年来为了降低加氢站能耗，由多个不同压力级别储氢罐构成的级联储氢系统吸引了众多学者的关注[23,24]。加氢机的功能与加油机功能类似，区别是一个为  氢燃料电池汽车加氢，另一个为燃油车加油。加氢机主要部件包含加氢枪、流量计、控制系统等，其中 35 MPa 加氢枪已经初步实现国产，而 70 MPa 加氢枪仍然依赖进口[25]。 

2  高压储氢容器安全性分析 

高压储氢容器作为一种储氢装置，常用于需要大规模、低成本氢气储存的加氢站中[26]。高压储氢容器具有潜在的泄漏和爆炸危险，高压储氢容器的安全性直接影响到整个加氢站能否正常运行，因此对其安全性的研究分析是必不可少的。对于 35 MPa 加氢站站用储氢容器的设计压力一般取 45～50 MPa[27]；当加注压力提高至 70 MPa 时，站用储氢容器的设计压力将相应提高至 80～90 MPa。为了满足氢燃料电池车辆中氢气的纯度要求中，储氢容器中氢气的体积分数通常高于 99.999%[28]。 

2.1 高压储氢容器分类 

我国常用的站用固定式储氢容器分为两种结构形式，分别为单层储氢压力容器（包括大容积无缝储氢容器、单层整体锻造式储氢压力容器等）和多层储氢压力容器（包括钢带错绕式储氢容器、层板包扎储氢压力容器等）[29]，其中钢质无缝储氢容器有两种类型：固定式（例如加氢站储氢罐）和移动式（例如氢气长管拖车气瓶）。钢质无缝储氢容器依据美国机械工程师协会锅炉压力容器规范建造，其无缝钢管经过两端锻造收口而成，属于整体无焊缝结构[30]。钢质无缝容器发展时间较长，气瓶的生产线设备技术十分成熟，有着成本低、交货快的优点。 

钢带错绕式压力容器首创于 1964 年，其容器结构完全由我国自主研发完成，主要产品包括高压空气储罐、高压氦气储罐和高压氢气储罐等[31]。经过近 60 年的研究与验证，我国已有扎实的理论基础和丰富的实践经验。郑津洋等以传统钢带错绕式压力容器为基础，在主体结构不变的条件下（扁平钢带倾角错绕式容器结构），提出了一种多功能全多层高压储氢容器。图 2 为世界上第一台 77 MPa 多功能全多层固定式储氢容器[30]。  

图 2 多功能全多层固定式储氢容器[30]

作为站用固定式储氢容器的两种不同结构，钢质无缝储氢容器和钢带错绕式储氢容器有着各自的优势和短板，两种储氢压力容器综合对比详见表 1。 

表 1 钢质无缝储氢容器和钢带错绕式储氢容器综合对比

2.2 高压储氢容器事故分析 

氢能产业链包含三个环节：上游制氢、中游储氢运氢和下游燃料电池及氢能应用，其中氢气的储存和运输是氢能进行大规模应用的前提。氢气易燃易爆的特性(尤其是与空气接触时)制约了氢能的应用场景，给储运过程带来了极大的安全威胁。此外，氢气是相对分子质量最小的气体，这意味着它在储运过程中相较于其他气体更容易从高压环境中泄漏或渗透，危害公共安全。高压储氢容器作为氢气储运的核心，其安全问题一直都是阻碍氢能快速发展的关键问题，也是确保氢能相关产业顺利发展的根本[32,33]。通过查询美国 H2Tools 数据库、欧盟HIAD 数据库和我国化学品安全协会网，不完全统计了近三年发生的高压储氢容器事故，并汇总于表 2。 

表 2 高压储氢容器事故汇总

挪威、美国、韩国储氢罐接连发生爆炸事件，这些事故的发生引起了全球氢能工作者的关注和担忧。在韩国，氢气不受危险品安全管理法规管制，氢气储罐爆炸事件将直接增加部分民众对加氢站、燃料电池车的质疑，引起民众对加氢站建设的抵制，这对加氢站、燃料电池汽车乃至氢能发展是及其不利的。 

除此之外，出于对高压储氢容器安全问题的担忧，部分生产燃料电池汽车的车企，如丰田、现代等，在事故发生的第一时间停止了燃料汽车的销售，直至事故原因被确定后，其销售工作才被恢复。因此，对高压储氢容器的安全分析是非常必要且不可避免的。 

2.3 高压储氢容器安全问题分析

目前国内关于氢能的研究大多都在燃料电池领域，对加氢站单个设备的安全性研究相对较少。高压容器的生产工序繁多，不同领域所用的压力容器也有一定的区别。市场上的压力容器种类越来越多，其材料、结构形式以及使用工况各有其特殊性，导致其故障的安全问题各不相同。根据上一节提到的氢能产业事故，可以将高压储氢容器产生的安全问题分为以下4 类：①设计问题。由于相关标准设计不够完善或高压储氢容器未能按照相关标准进行设计或制造。②配件问题。承力部件包括大螺纹套筒、抗剪螺钉、径向销、大螺栓等结构失效，密封部件包括阀门、法兰、垫片密封结构失效。③设备问题。高压储氢容器由于长期暴露于氢环境中导致了氢脆或疲劳失效，最终引起设施故障。④人工问题。由于加氢站操作人员未按照操作手册或相关标准规定对设备进行安装、运行和维护。 

2.3.1  设计问题 

高压储氢容器是加氢站用作储存氢气的特殊设备，是随着氢能发展而出现的新事物。我国对高压储氢容器缺乏系统深入的研究，目前的许多标准都参照国外，因此在技术规范、设计计算等方面可能会存在一些安全隐患。 

目前，美国储氢容器设计时依照规范标准 ASME BPVC VIII《锅炉压力容器规范》，选择材料时依照 ASMEⅡ-A《钢基材料》、 ASMEⅡ-D《材料性能》。国际上使用 ISO 11114 标准对储氢容器进行材料选择，使用 ISO11120《150～3000L 无缝钢质气瓶设计、制造和试验标准》等对储氢容器进行设计。 

国内针对站用储氢容器安全性标准规范有《加氢站用储氢装置安全技术要求》，涉及到储氢容器的设计标准主要见表 3。  

表 3 我国储氢容器的设计标准 

目前我国无缝管式容器企业在参考设计标准进行疲劳设计过程中，存在两个问题：一是未考虑氢气环境下，容器疲劳寿命是否会发生改变的问题；二是部分新型材料尚未加入标准中，在不考虑氢气影响的情况下，其设计标准是否可用仍是一个问题。目前，我国燃料电池汽车数量少，加氢次数有限，加氢站固定式储氢容器的标准均按气瓶标准进行设计制造。未来随着燃料电池汽车的普及，加氢频率大幅提高，其气瓶标准下的疲劳寿命可能达不到容器安全运行的条件。因此完善和设立高压储氢容器标准有利于我国氢能的安全发展，最大限度地减小事故发生的可能。 

2.3.2  配件问题 

高压容器的密封装置主要包括两个部分，一部分是承力部件如大螺纹套筒、抗减螺钉、径向销、大螺栓等，其主要用于承担内压引起的轴向力；另一部分是用于保证容器端面及四周能够可靠密封的密封元件，常用的如 O 形密封圈、唇形密封圈等。 密封元件作为高压储氢容器中极其重要的关键部件，往往是密封装置的一个薄弱环节。由于橡胶在高压和高纯度氢气环境中长期工作，因此可能会发生溶解氢引起的膨胀行为，这将损坏其弹性模量、拉伸强度和其他机械性能。但是，国际上针对高压和高纯度氢气环境下橡胶吸氢膨胀方面的研究十分少。就现有研究来看，吸氢膨胀与容器内氢气压力、温度以及橡胶填充物的材质等因素有关。Fujiwara H 等将橡胶等温置于氢气中 1h，与此同时将氢气压力从 10 MPa 增加到 100 MPa，得出氢气溶解度与其压力成正比[35-37]。 

除此之外，在高压储氢容器输氢的过程中，容器压力迅速减小，会引起 O 型圈的橡胶发生内部断裂，一般称这个过程为“起泡断裂”或“爆炸减压失效”。而影响“起泡断裂”的主要因素是溶解在橡胶材料中的氢浓度。随着材料中氢浓度的增加，O 型圈的弹性模量和拉伸 强度降低，其气泡损伤逐渐增大。 

2.3.3  设备问题 

作为加氢站储氢的核心设备，高压储氢容器长期暴露于高压氢气的环境下，疲劳裂纹扩展速率显著加快，氢致开裂的应力因子阈值显著降低，严重威胁储氢容器的安全。目前大多数固定式储氢容器筒身多采用细长结构，其中高压储氢容器的直径对其壁厚有着密切的影响，而壁厚又会对储氢容器的制造和使用带来影响，给未来高压储氢容器的正常安全运行带来极大的不稳定性。 

周池楼等基于固定式 I 型储氢容器的一般模型，以直径尺寸为 150  mm、250  mm 和 350 mm 的储氢罐模型讨论直径对容器设计疲劳寿命的影响。在 45 MPa、85 MPa 和 105 MPa 的氢气压力下，采用不同规则标准计算上述三种不同直径储氢罐模型的壁厚。研究表明，在给定压力下，壁厚与直径的比值保持不变的情况下，通过疲劳裂纹扩展分析（CGA），得出高压储氢容器壁厚越厚，其设计疲劳寿命越短的结论。与此同时，通过对储氢罐进行未爆先漏检测，发现容器要满足未爆先漏的条件，其平面应变断裂韧性应随着其壁厚增加而增加[38]。 

氢作为相对活泼的化学元素，可以与大多数元素能发生结合反应，导致容器发生氢脆的现象，而且氢来源不同，其氢脆机理也不相同，具体分类见表  4。加氢站的储氢容器工作在高压环境中，考虑容器氢脆时一般只考虑高压氢环境氢脆。 

表 4 高压氢脆类型 

Zhang 等通过 CGA 对目前使用较多的储氢材料 4340、4137、4130X、A286、316 型材料进行分析，分别估算它们于 105 MPa 下，在氢气环境中和在空气环境构成的高压储氢容器的循环寿命。研究表明：4340、4137 和 4130X 型在氢气环境中的循环寿命要远短于它们在空气环境中的循环寿命；A286、316 型在氢气环境中与空气环境中的循环寿命几乎没有差别。这表明：合适的储氢材料可以有效地限制高压氢脆的发生。此外，他还定量地给出了高压储氢材料在压力、UTS、KIH、FCG 以及氢气和空气等规定条件下的循环寿命数据，用于高压储氢材料的选择[38]。 

2.3.4  人工问题 高压储氢容器适用于加氢站储氢系统，其存在高压、易燃和易爆炸等潜在的危险因素[39]，若相关操作人员与管理人员的安全意识不足，出现违规操作的情况时，容易引发相应的事故，威胁周边居民及自身的生命。因此，必须加强对高压容器安全操作的管理力度，在此基础上维护并延长设备的使用寿命，保障高压容器的运行安全。 

多年来，我国针对高压容器安全管理出台了一系列管理条例、法规及标准。同时，也推出了诸多行政及技术层面的举措，涵盖了高压容器的采购、安装验收、使用记录、设备安全技术档案、定期检验保养及维护等多个方面。高压容器发生事故一方面是操作人员对储氢容器的不重视，引发违章操作；另一方面是管理者对检修过程的重视程度不够，消极对待高压储氢容器的定期检验工作，被动应付各类检验、监察工作，甚至认定检验部门是为收费而开展检验工作。目前，部分企业尚未建立技术主管负责的安全管理组织机构，导致高压储氢容器安全管理工作中，出现问题时缺少主要负责人，严重阻碍安全管理工作的开展。 

3  未来展望 

目前，高压气态储氢作为国内唯一商用的储氢技术，自 1970 年以来得到了长足的发展。其中高压储氢气瓶正不断朝轻质高压、高质量/体积储氢密度的方向发展。同时随着纤维复合材料、聚合物材料以及缠绕设备和缠绕技术的更新升级，高压储氢容器必将更大地拓展其应用场景。在容器性能不断提升的同时，还需要进一步对高压储氢容器的使用寿命和使用条件进行分析，对容器的生产、测试等进行标准化，不断提升高压储氢容器的安全性能。未来为拓展氢能的应用场景，必须降低高压储氢容器的制造成本。 为应对我国高压储氢容器疲劳寿命数据匮乏的困境，预防国外类似容器密封失效问题的发生，我们需要加强对高压储氢容器疲劳失效机制的研究,提高密封操作工作重要性的认知。除此之外，国内厂商不仅需要加强高压储氢容器质量管理意识，严格遵照储氢容器制造流程， 

在关键处设立停检点确保高压储氢容器质量，还应杜绝高压储氢容器因赶工而导致质量下降的问题。 

目前，虽然国家已经制定了一些加氢站安全管理的标准，但是由于中国各区域加氢压力和加氢规模的差异性，现有的加氢站安全管理制度存在诸多不足之处。因此，需要根据各个加氢站实际情况来完善其安全管理制度。由于加氢站在压缩、冷却、储存、加注方面的不同，导致在实际加注过程中一些细节存在差异，可根据日常安全管理中存在的问题对加氢站管理规范进行改善。此外，还可根据管理人员的技术水平来修正管理制度，安全管理的内容越多，对管理人员的要求越高。 

4  结论 

随着人们对氢气的开发和认识，高压储氢容器作为一种专门储氢的高压容器应运而生。由于我国氢能发展相对较晚，现阶段缺乏对储氢容器系统深入的研究，在技术规范、设计、管理等方面存在诸多问题，现有的规范、设计和管理方案并不能完全保证容器的安全运行。因此，在未来仍然需要注意以下几点： 

（1）为避免技术设计缺陷的存在，提高储氢容器的安全性，应采用多种不同的实验方法检验，如磁粉检测、渗透检测、周期性超声相控阵检测等，以确保设计工艺有着足够的安全性和可靠性。 

（2）需要加快建立氢安全检验检测体系，引导及资助有实力的科研单位开展氢能安全基础研究，包括高压氢接触部件的耐久性问题、储氢容器密封性能和疲劳及氢脆性能研究，形成氢能安全基础理论体系。 

（3）在建立标准体系的基础上，组建国内第三方氢安全检测中心，定期对正在使用的高压储氢容器安全性进行评估，避免潜在事故的发生。 

（4）为提高储氢罐安装、运行和维护的整体安全性，对操作者进行规范的安全培训。加强加氢站安全管理，提高操作者对违规操作危险性的认知。 参考文献 

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