化工新材料在氢能产业中的应用

氢能是新能源中能量密度高，使用过程无碳排放，是21世纪的理想能源，多个国家将其列为国家战略。在我国氢能产业被定义为战略新兴产业和未来产业。绿氢是氢能应用的初衷，我省有丰富的绿电资源，有开发绿氢的有利条件，在绿氢制备中最关键的就是离子交换膜，膜材料的精细化工产品河北没有基础。同时河北的焦炉煤气副产的灰氢也很丰富。制约氢能产业发展的最大问题就是储存和运输成本居高不下，无论是储存还是运输均离不开新材料。由于传统的钢瓶笔芯时间会产生氢脆现象，发生安全事故。对于储氢目前比较多的应用于实践的是物理储氢和化学储氢。

2022年3月23日由国家发展改革委、国家能源局联合印发的《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》中部署了推动氢能产业的基本原则和高质量发展的重要举措。以河北张家口市牵头的河北省燃料电池汽车示范城市群为氢燃料电池产业链上下游的各类技术研发、产品的规模化应用也将获得很好的发展契机。

近年来，全球氢能产业建设进入一个快速发展时期。电解制氢尽管总量占比低，但增长速度较为可观，2022年电解制氢产量较2021年同比增长35%。受氢能产业发展政策支撑和新能源快速发展的拉动，风电、光伏发电成本的不断下降，绿色制氢技术水平达到规模化条件等因素的驱动，绿色制氢的发展将日益加快。在2050年全球实现净零排放背景下，2030年氢气的需求预计将达1.5亿吨，其中40%来自新应用领域，即交通运输、发电等。

氢能产业涉及制取、储运、加注等多个环节，在如此庞大的产业链中，我们对氢能用主要化工新材料进行简单的盘点。绿氢生产环节用的质子交换膜，氢气储运环节用的碳纤维增强材料、氢气阻隔材料EVOH，加氢环节用化工材料聚甲醛（POM）、聚醚醚酮（PEEK）、聚酰胺（PA）等。

质子交换膜

质子交换膜是水电解槽膜电极的重要部件，起到传导质子、隔离氢气和氧气的作用，同时还为催化剂提供支撑，因此质子交换膜的性能好坏直接决定了电解槽的性能和使用寿命。目前水电解制氢所用质子交换膜主要以全氟磺酸膜为主。

碳纤维增强材料

碳纤维具有高强度、高模量广泛应用于航空航天、风电、体育休闲、建筑、压力容器等领域。其产品链较长，中间部分属于精细化工。从碳纤维的生产技术路线来分可以分为聚丙烯腈基、沥青基和粘胶基三大类，其中聚丙烯腈基应用最为广泛，是市场主流，占碳纤维市场90%以上。将碳纤维原丝改性后生产压力容器是制造储存氢气瓶的理想材料。碳纤维的简要生产工

氢气阻隔材料EVOH

储氢瓶内胆材料是氢气阻隔安全性保障的关键，EVOH对氧气、水蒸气、二氧化碳三种气体的阻隔性都比其它聚合物材料要好得多。EVOH是乙烯和乙烯醇的共聚物，兼具聚乙烯醇的阻气性和聚乙烯的可加工性，通过添加EVOH，使得储氢瓶内胆即使在低温下也有弹性，确保其具有很好的阻隔性能。

聚甲醛（POM）

目前，在氢气加注方面，多采用高压气体加注，加氢枪扮演着重要角色。由于加氢过程主要靠操作人员手动操作，为降低劳动强度，在保证安全的情况下，加氢枪的工艺结构设计以及材料选择应尽量做到轻量化。目前市面上的加氢枪主体材质大多为316L不锈钢和聚甲醛。

聚醚醚酮（PEEK）

在加氢过程中，通常系统压力在70MPa左右，如增压泵、阀门、氢气循环泵等，因此密封材料需要在高压、宽温区的工况下仍保持良好的密封性能，目前还是依赖于进口，主要有NBR、PEEK、TPU等。

聚酰胺（PA）

在加氢站、车载氢气瓶等环节和设备上需要高压柔性管道进行连接，软管需要能耐高压、耐低温，因此其增强层是经过特别处理的高强度钢丝缠绕层，内胶层是聚甲醛或聚酰胺、外胶层相应是聚酰胺等材料。由于尼龙制成的氢气软管具有优良的性能：外径小、重量轻、软管流体阻力小、防化学腐蚀性好、容积膨胀小等优势，在氢能产业中得到了广泛应用。

聚酰胺俗称尼龙，品种多达几十种，其中应用最广泛的是尼龙6、尼龙66，主要消费领域分为纤维、工程塑料和薄膜，用于氢气软管的主要是尼龙工程塑料。