9月14-16日，由中国汽车工程学会与国际氢能燃料电池协会（筹）共同主办的第五届FCVC大会于上海汽车会展中心召开。同济大学教授张存满到场并发表了主题为“车载储氢技术发展趋势分析”的演讲，以下为文字实录：

　　关于车载储氢的发展趋势，首先先介绍一下背景，车载储氢分两大类，一种是基于物理态的储氢，一种是材料或者叫化学，实际上化学都是基于材料体系的。

　　车载储氢里面有几个很重要的要求，第一个一定具备较高的能量密度，第二个是充装的时间，使用要有便捷性，和车不太一样，乘用车三到五分钟稍微快一点，货车、大车基本十五分钟以内完成。

　　第二个要安全，满足安全性，还有最大的挑战是低成本。对车用要求来讲，基本要满足这四个要求，不论什么技术，这个是DOE和全球整个地方统一下来，这个指标主要是DOE2015年提出来的指标。

　　下面分成三个部分介绍，第一个整个车载储氢技术，车载储氢类型上分成两大类，第一个是基于物理态，高压、低温，低温液氢加上压缩储氢，第二类基于材料，实际上叫压缩，随着压力的提升密度就上来了，最好的目前是四型瓶到70GP这样一个水平，液氢可以到7.5，只是重量比，压缩是基于液氢低温压缩，不是普通的压缩，低温压缩可以到7.4，能量密度也很高。

　　物理类的吸附，材料有物理状态，吸附类的，多孔材料就是吸附类，还有基于这个完全是材料偏化学态储氢，金属化合物、DOS其他的化学物质，整个应用来看实际上基本上都是高压，这是70GP高压储氢应用，这是三型瓶、四型瓶，这是35GP，实际上，液氢这块当时宝马推出一款后面液氢车上目前是没有的，但逐渐的可能会有一些商用车，包括国内北汽福田做了一个商用车，也在做一些车的示范和推广。

　　接下来重点讲几个事情，物理储氢展开，首先要介绍它的高压，高压储氢里面的类型，一型、二型、三型、四型瓶，一型瓶是纯钢，二型瓶是环蚕的，三型瓶是金属内胆，加上碳纤维全缠绕的，四型瓶内胆是塑料的，有机物这种类型，。

　　高压储氢有什么技术特征包括成本特性，技术这块很快过掉了，全金属的看特征就知道了，目前两个三型瓶成本是一个以100，现在以四型瓶为100基数，相当三型瓶成本是它的两倍，这个是针对70GP的。

　　三型瓶随着规模的上升可以降一点，但是它仍然是四型瓶的1.5、1.6倍水平，而且四型瓶未来降幅空间还是很大，相当于现在未来四型瓶成本可能到目前三型成本的四分之一，实际上它的下降成本还是比较大的，聚焦到四型瓶特征来看，这两年高压这块比较热，特别是在国内，原来主要在供三型瓶，这两年攻克四型瓶产业化技术特点，四型瓶有一些优点，第一个是轻大家都能想得到，内胆是塑料的所以轻，这是密度，1.4，这个是0.83，这是明显高了。

　　成本四型瓶是三型瓶未来的二分之一，为什么，技术本身特别造成的，因为内胆本身比较便宜，成形方便。

　　第二个特征对碳纤维需求量大幅度下降，造成这个优势，四型屏有什么优势，一个轻，但是一个缺点是什么，抗轻的能力，造成内胆失效包括渗透的精密性这是它的挑战，但是它抗疲劳，因为它的弹性能量比较好，塑形变形能力好，所以抗疲劳性能好，成本比较低，安全性没有碎片完全有机的为一体，最大的问题就是氢气的抗渗透能力差，这是一个点，核心是降成本，最重要的优点，低成本、轻量化、安全性好。

　　简单的介绍一下纤维的缠绕方式，其实核心有三种缠绕方式，一种环向缠绕，一种低角度缠绕，和高角度的缠绕，不同缠绕发挥得强度不一样的，这个环缠走向的夹角，纤维发挥得最好效能，制造压力瓶的时候尽量多用换向缠绕，尽量多用低角度螺旋，这个是高角度螺旋，和上面垂直的，这就是一个缠绕方式变化，经过优化瓶瓶口未知的设计，可以大量的降低我们碳纤维的用量，这就是它的实效的类型，最难的是怕它出现危险，出现爆炸、爆破，出现这个退化，所以说它有损伤失效，失效类型主要有三种，第一个是爆破了，整个强度摔坏了以后爆炸，这是最大的，第二个损伤，包括内部的损伤，还有这个外部的一个损伤，就是外部的划伤、磕伤，内部是内伤。

　　第三个是它非结构性的退化造成的，还有疲劳，实际上是重点要攻克的地方，这种东西是可以避免的，设计和计算好，尤其是这块，是真正应用里最讨厌的是疲劳失效。

　　疲劳失效，四型这块大的类型失效还是差不多的，但是四型瓶单独提高，它的失效跟这个不一样，更有独特的地方，第一个是纤维层的损伤，纤维层损伤包括纤维本身强度的衰退，第二个是肌体，主要是树脂和纤维之间的相结合，界面失效，纤维和树脂之间的界面。

　　第二个内胆的损伤，内胆的损伤包括塑料层本身的损伤，第二是纤维层的起泡，渗透了有时候出不来，最后起泡，起泡渗透量就上来，还有肌体，纤维复合层和内胆纤维失效造成继续坍塌，这是四型瓶失效里非常重要的几种方式。

　　在整个压力容器的设计里面，首先进行硬力设计计算，还有一个硬力应变，特别对四型瓶来讲，对三型来讲最大的问题就是应变，应变大了容易疲劳开裂，四型瓶重点强调硬力损伤，不同类型里注重点不一样。

　　接下来讲低温的，低温这块主要是液氢，它的核心四个部分组成一个内胆、支撑体，第二个是绝热层，真空加上里面特殊的包袱绝热，第四层就是外面这个壳，在四型瓶来讲，绝热是关键，但它的系统还是有一定复杂度，它有它的特征，四型瓶有什么问题有什么优点，优点就是密度高，缺点是能耗高，液氢本来液化的损失超过30%以上，国内水平可能损失50%以上，最好达到30%的损耗，本身储氢能量30%用于它的液化，但是它本身储热里绝热不能做到百分之百绝热，罐越小绝热越来越难，所以造成整个储氢的成本实际上是偏高的。

　　还有一个成本，很重要一点，液氢在车上的挑战是什么，一直要蒸发，不可避免要蒸发，一段时间不用，氢气怎么维持，液氢来说最大的挑战有很多。

　　为了避免蒸发，又发明了低温压缩的这么一个技术，低温压缩能量密度还比液晶可以做到更高，看压力的状态，但是它也带来其他的问题，又要高压又要低温，对制造成本的技术又带来新的挑战，包括安全性也不太一样，又要低温的安全性，又要高压的安全性，这个前面看挺好，难度很大，未来成本是它最大的一个短板。

　　在物理里面，材料储氢里面，MOFs是一个有机聚合物，这种材料储氢密度可以做的挺高，最大的挑战是什么一定要结合低温，可以做到16%的比例，但是一个基于它的材料，第二个低温，加了液氮绝热，要转向常温的吸附就来了，常温的吸附出的密度都很低，一般在2%，这是一个很大的挑战。

　　就有一种碳材料，什么碳，纳米管、多孔维孔碳，活性碳，碳吸附材料，做的指标可以很高，也是在77K下，液氮温度下的材料，容器算下来就下来了，制约性主要在低温下面，成本安全性还可以，碳材料成本还可以，但是这个使用的便捷性是一个很大的问题，所以一直不能用，还有一个技术值得关注我们液体里有机液体储氢，有机液体储氢这些年发展还算比较快的，它其实有两个过程，一个催化加氢，一个催化脱氢，实际上两个反应。

　　这个里面目前水平可以做到5%以上，甚至国内做到200多以内5%以上，重量密度是挺高，但是这个技术也有很多问题，会带来新的挑战，一个是程度，第二是寿命，系统里也挺复杂，在车载，一般车载我认为这个是用在车上难度很大，但是在特种的应用里，我认为是很有空间的，特别是在长周期长时间的运输和储存，车载里要求太高，又要简单又要响应快，它响应比较慢，有加热系统。

　　还有金属储氢，金属储氢实际上如果材料储氢的话，我认为如果能金属突破这个成本高能量密度和低温失氢来说，便捷性挺好，往车载应用来讲仍然存在很大的挑战。

　　其中一个热管理，第二低成本，要和高压竞争，它的成本是一个致命的弱点，每个技术来讲，不能量密度，技术可用材料就2%，加上系统百分之一点几的能量密度，能量密度不高但是体积可以做的很高，压力比较低，安全比较高，我觉得应该在特殊应用里，包括车上也有可能有它的空间，不是一个技术一定要底的，也不是一个技术一定全覆盖，这个里面要注意。

　　车载属性总结一下，要达到真正车载应用要满足几个条件，第一个要简单，而且要可靠，可靠性要高；第二它的密度要高，无论是体积还是那个重量，相对都要高一点；第三个安全性要高；第四个成本一定要低，而且批量化成本一定要下降，这里我简单排了一个序，有一定倾向性，对现在成熟度来讲优先还是高压，逐渐不同的特殊里面做一些挑战，这个里面提出几个，一个是成熟度，一个是简单、快速响应、低成本，四个关键因素，满足整个目标成本的应用，其实技术满足以后成本是关键，最后一个车乘用车一共才二十万，车载储氢弄个五万、十万这个车没法卖，这是最致命的缺点，不是商品没法竞争，油箱五百块钱，一个车载储氢五万块钱那就麻烦了，汽车也没有希望，还有总体目标设定，简单看得到五年之内，保守一点，五年之内看不到其他车载技术取代掉，还是高压，这是我基本判断，我的报告就到这儿，谢谢大家。

　　王琨整理