“我们的总体思路是，瞄准国家重大需求，攻克关键技术，创建检测平台，制定技术标准，研制核心装备，实现我国氢气规模化提纯装备与高压储存装备自主可控。”项目第一完成人，浙江大学能源工程学院教授郑津洋带领项目组，紧盯高压氢脆防控、氢气高效储存和规模化提纯三大世界难题，取得三大创新成果，经过近20年的科研攻关，将我国大容量高压氢气储存装备技术和大型高压氢气提纯装备技术推至国际领先水平。
在日前召开的国家科学技术奖励大会上，这项成果获得2020年度国家科学技术进步奖二等奖。
基理研究，实现氢脆防控和检测
氢能应用的关键之一在于储氢技术，即如何实现安全、高效、经济的氢气储存。当前，储氢方式主要有气态储氢、液态储氢和固态储氢3种，相较而言，高压气态储氢具有设备结构简单、充装和排放速度快、温度适应范围宽等优点，是世界各国优先重点发展的氢能储存技术。
但是，设计和制造安全高效高压储氢装备并非易事。盛装高压高纯度氢气的储氢装备，具有氢气易泄漏扩散、可燃范围广的特点，且易引发高压氢脆，导致材料性能劣化，甚至造成突然断裂和爆炸。比如，2019年5月和6月，韩国、美国和挪威就相继发生爆炸事故。
要实现安全高效高压储氢，最首要和基础的任务是揭示高压氢脆机理并实现性能调控。
郑津洋介绍，氢脆是一个古老的话题，100多年前就有研究介入。但是项目实施前，国内外普遍的测试手段是预充氢检测，即将已预先充氢的材料在空气环境中进行力学性能测试。显然，这种方法无法模拟储氢装备的实际工作环境。
基于产业需求，郑津洋带领团队攻克高压氢气密封、加载杆轴向力平衡等关键技术，发明了140MPa快开式材料高压氢脆原位检测装置，解决了传统预充氢试验中长期困扰的“充氢和加载不同步”这一突出问题，为高压氢脆研究提供了不可或缺的关键设备。使我国成为继美国、日本后第三个有在140MPa压力下开展高压氢脆科学研究能力的国家。
30CrMo、S30408、S31603等6种国产金属材料，在我国高压储氢装备中最为常用。团队对这6种材料，在5至140MPa的高压氢气环境中原位测试力学性能，并在此基础上建立了国内首个材料高压氢脆数据库，为高压氢气储存装备研制提供了关键基础数据。
不仅厘清材料成分及性能、应力水平、工作环境等因素和高压氢脆之间的关系。团队还揭示了冲压、旋压、热处理等制造工艺与微观组织、氢偏聚、氢致开裂之间的关联机制，为实现形性协同制造提供了关键核心技术。
基于以上研究结果，团队创建了以抗氢脆设计制造为主、安全状态监控并重的防控技术体系，并成为国家标准。从而为设备的安全可靠加装了全生命周期的保险阀。
设备落地，助推高效储存和提纯
机理研究先行，紧跟而上的还有产品制造。项目组根据氢气高效储存装备和规模提纯装置的研发需求，开展产学研融通协同攻关，取得了特色鲜明的系统创新成果。
项目实施前，我国压力超过35MPa的储氢装备长期处于空白，难以满足加氢站、氢燃料电池汽车发展的需要。
世界各国也曾研发了多种结构形式的高压储氢装备。例如单层无缝瓶式钢制容器、钢内胆碳纤维环向缠绕容器、塑料内胆碳纤维全缠绕容器等，但是存在单台容积小，钢制容器用高强度钢对高压氢脆敏感，复合材料容器成本高的问题。
基于现实矛盾，团队另辟蹊径，提出以抗氢脆焊接薄内筒为核心的全多层储氢容器设计思想。“简单理解，就是与高压氢气接触的薄内筒采用抗高压氢脆性能优良的材料，其余则采用普通高压容器用钢。”郑津洋解释。不仅如此，团队建立了专门针对这类储氢容器的设计方法，形成了制造过程中提高容器抗氢脆性能的技术，并牵头制定了首部储氢高压容器产品国家标准。
此外，团队还发明了小孔内置式曲面耦合超声相控阵检测技术，即在储氢容器服役周期内，通过特制的检测设备，深入储氢容器内部对容器安全状态进行“体检”，解决了全多层储氢高压容器氢致损伤无损检测的难题，从而打通了全多层储氢高压容器从设计、制造、检验检测的全技术链。
除了解决固定安装的大容量高压储氢难题，团队在车载轻质高压储氢技术研发方面也产生了一系列成果。
开发随车运动的高压储氢气瓶，需要考虑火灾、频繁快充、碰撞等极端服役条件，并尽量降低质量和体积。在这一领域，团队发明了纤维全缠绕复合材料高压氢气瓶性能预测系列方法，实现了高压氢气瓶强度-寿命-耐火多维协同设计制造，并主导制定了高压氢气瓶产品国家标准。
基于这些创新性技术，成果转化和落地也在有序推进。团队牵头制定了高压储氢主要国家标准9项，参与制定国家标准27项、联合国全球技术规范UN GTR13等国际规范标准5项，有力推动了行业的科技进步及产业发展。
在丰田常熟加氢站，团队主持研制的98MPa储氢高压容器正在安全服役，不仅容积达到1m³，为世界最大，而且寿命长、成本低，在线检漏功能更大大提升了安全性。另外，在上汽集团自主研发的荣威950等氢燃料电池汽车上，就装载了团队研制的国内首台70MPa高压氢气瓶。
在很长一段时间里，我国变压吸附提纯氢的规模小，每小时最大处理量仅7.5万标准立方米，且压力低，远不能满足国家重大工程建设的需要。于是，团队与合作完成单位瞄准高效特大型高压变压吸附提纯氢气装置的需求，主导制定了变压吸附提纯氢系统安全国际标准，研制成功世界最大每小时34万标准立方米煤制气变压吸附提纯氢装置，解决了大规模、高压力、多杂质气源的氢气分离提纯国际难题。
目前，项目技术已应用于氢能提纯和高压储输全行业，核心装备在我国加氢站建设、氢燃料电池汽车发展中持续发挥着不可替代的关键作用。技术产品不仅应用于国家能源、上汽等1000多家企业，也远销美国、韩国等20多个国家和地区。据了解，项目近三年新增销售额 33.5亿元、利税5.4亿元。随着氢能的快速发展，其经济效益将更加显著。
（文字 马宇丹/摄影 卢绍庆/摄像 刘涵）
