从海水到氢气：输运环节的材料科学挑战
发布日期：2025/9/9
日前发布的《海上制氢设施指南》2025，包括海上水电解制氢工艺系统、海上制氢设施机电系统、救生通信、消防等方面共9章内容，适用于海上浮动制氢设施、海上固定制氢设施，将于2025年10月1日生效。
海上可再生能源制氢再次引发热议。
本文对海上制氢输运材料类型、研究现状和发展趋势进行盘点。
目前海上制氢输运用海底管道多利用现有的天然气管道采用掺氢的方式进行输运，这比新建输运纯氢气海底管道的经济成本更低。
美国的氢气管道输运规模最大，其材质基本采用低碳钢，运行压力一般在5.5~10.3MPa；我国广东海底掺氢管道采用形变热处理的L415M钢，设计输运压力为4.0MPa，掺氢比例可达20vol%。
氢气输运材料
海上风电制氢输运用海底管道除利用钢铁材料外，还可采用高分子或纤维增强高分子等非金属材料。低压输运时，输氢管道可由聚乙烯、聚氯乙烯、橡胶等高分子材料或纤维增强聚合物制成，氢气溶解进入这些非金属材料中会引起材料弹性模量、拉伸强度、摩擦系数、耐磨性能等变化，并可能会使材料产生氢鼓泡及裂纹等破坏。
一般而言，与高分子材料相比，钢铁材料具有更低的氢渗透系数，且材料自身属性、掺氢比、氢原子渗透通量、氢原子扩散系数、材料中氢陷阱的种类及数量、环境温度及压力等因素都会影响材料的氢渗透系数。
研究表明，随着高密度聚乙烯结晶度的增加，氢渗透系数随之降低；且当温度从15℃升高至80℃时，高密度聚乙烯的氢渗透系数可升高近一个数量级。降低材料的氢渗透系数有益于海上制氢输运的安全性并降低氢气损耗。
与高压氢气储运容器类似，钢、铝和纤维增强塑料多层复合材料在海上制氢输运用海底管道领域亦具有较高的潜在应用价值。
管道内胆常采用钢内胆、铝内胆等金属内胆或高密度聚乙烯、聚偏氟乙烯、交联聚乙烯、聚酰胺、聚苯硫醚等塑料内胆；内胆外部采用碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、聚酰胺纤维等纤维增强塑料进行缠绕加固。
为提升内衬的抗氢渗透性能，可以加入铝箔层等作为阻隔层，此外Zn、Al2O3、TiC、TiN、W、BN、Ni、Mo、Sn、TiO2、Cr、Cr2O3等亦能有效提高内衬的抗氢渗透性能；利用氧化石墨烯或石墨烯纳米片等可以提升聚乙烯复合材料的抗氢渗透性能。
液氢输运材料
利用海洋船舶运输液氢极具商业前景，这一输运方式的实现依赖于可靠的低温绝热容器或专用的液氢运输船舶。由于液氢的温度极低（-253℃，1atm），这就要求其输运材料要有极好的耐低温环境下的临氢服役性能，同时还要保证低温下具有较好的机械性能，又要配备相应的绝热设计。
常用于低温储氢的材料包括金属材料和低温复合材料，其中金属材料包括奥氏体不锈钢、铝合金、钛合金等。广泛应用于低温液体输运的奥氏体不锈钢材料为Cr-Ni（300系列）奥氏体不锈钢。
铝合金具有良好的焊接性、加工性、抗应力腐蚀开裂性、低氢脆敏感性，亦被用于低温液体运输领域中，主要有固溶硬化和沉淀硬化两类铝合金，其中固溶硬化类铝合金主要包括Al-Mg系和Al-Mn系铝合金，沉淀硬化类铝合金主要包括Al-Cu-Mg系、Al-Mg-Si系及Al-Zn-Mg系铝合金。
复合材料在低温环境中的研发也越来越受到重视，研究认为利用聚四氟乙烯对液氢罐用奥氏体不锈钢表面进行处理，可以进一步提升其抗氢脆性能；美国宇航局开发了液氢储罐用复合材料CYCOM5320-1/IM7，其是利用碳纤维对增韧环氧树脂增强改性的一种复合材料，具有强度高、密度低、孔隙率低、成本低等优势，因而在液氢输运材料领域具有较高的应用价值。
固氢输运材料
目前海上制氢的技术路线集中在制备氢气或液氢，很少制备固态氢，然而，随着固态储氢技术的发展，未来发展航运固态储氢材料来解决海上制氢输运也变得更加可行。
利用海洋船舶运输的方式对固态储氢材料进行输运时，输运材料往往是在常温常压下服役的，除满足海上输运环境中（海洋大气环境）必要的耐候性外，仅需要保证输运材料能承受充/放氢时的膨胀压力即可，因而利用海洋船舶运输的方式对固态储氢材料进行氢输运时的材料瓶颈主要受限于固态储氢材料的研发。
固态储氢材料主要是通过化学或物理吸附的方式对氢气进行存储的，固态储氢材料有金属氢化物、多孔碳材料、MOFs、COFs、玻璃毛细管阵列、玻璃微球等。传统固态储氢材料的体积储氢密度较高，但其质量储氢密度往往过低，且脱氢温度往往较高，因而限制了氢的有效输运效率及使用，此外，固态储氢材料在脱氢时往往很难达到完全脱氢状态，因而也会造成较多的氢输运损失。
在海上制氢输运材料研发中，“氢-力-温度-压力-腐蚀”等多种因素共同耦合下的服役规律及失效机理还需进一步深入研究，以提升其在工程应用中的综合性能。
此外，海上制氢输运材料低温绝热系统的研发对于更高效的氢能运输非常关键；在固态储氢材料研制中，需要进一步提升其质量储氢密度并改善脱附氢温度及脱附程度，同时需要对其循环寿命等服役行为及机理进一步深入研究。
来源：中国船级社、海上装备与关键材料
