钢材是制氢、储氢、运氢、用氢等多个领域的关键战略材料,这些关键战略材料的突破,将会有力推动氢能行业进入快速发展阶段。2023年以来,多家钢企在氢能用特殊钢材研发方面进展明显:
先来看储氢端——液氢储运。目前发达国家以液氢储运为主(70%以上),但由于我国对液氢环境下材料的低温组织、性能等研究还不够完善,材料选择缺乏理论支撑和统一标准,导致我国液氢主要用于航天等领域,民用方面几乎空白。
太钢瞄准氢能行业先期介入,针对这一情况,与国家相关部门及制造企业合作,积极参与材料的设计研发,推进相关材料标准的制定。2023年4月,太钢国内首发液氢专用不锈钢产品并通过相关认证,成为国内该类产品唯一供应商。
再看运氢端。据悉,“氢脆”是金属材料吸收氢原子后导致塑韧性降低而产生脆性断裂的现象。氢原子很小,可以轻易渗透进金属材料中,在缺陷处聚集,降低金属中裂纹萌生和扩展所需的应力,从而导致材料脆化,并且随着强度等级的提高,材料氢脆的敏感度显著增大。在过去很长一段时期内,高钢级输氢材料标准在国内一直处于一片空白。
2023年4月,首钢股份最新研制生产的高钢级输氢管线钢经用户制管加工后成功应用于包头-临河输气管道项目。该项目干线全长约235km,设计压力6.3MPa,高钢级输氢管线钢可满足工程设计的10%掺氢比例要求,为我国长距离、高压输氢管道工程应用奠定基础。
氢气在大规模、长距离输送情况下,纯氢管道运输具有不可取代的经济优势,可以从根源上解决规模化用氢难题,是未来高效能用氢的发展方向。然而研究表明,高含量的氢原子可以通过限制位错以及晶格内部金属原子的运动,使得显微弹性模量和显微硬度提升,从而导致钢的脆化,并且这在较大的氢浓度梯度的情况下特别显著。并且,除了考虑抗氢脆外,纯氢管道在高压下的材料性能还需要综合考虑耐压、耐腐蚀、机械性能、疲劳性能、热稳定性能、密封性能和可加工性能等方面。
日前,唐钢公司定制生产的首批1930mm超宽断面临氢管线钢L245M成功下线,将用于国家输氢管道重点工程项目。该产品将为解决氢能产业链中氢输运这一“卡脖子”环节,进一步完善国内氢能输运体系提供有效助力。
最后看用氢端。作为SOFC四大部件之一的连接板主要起着在相邻的电池之间传输电子和分隔燃料气体与氧化气体的作用。用金属连接板取代传统的陶瓷材料,能够提高电子电导率(几乎没有极化现象)和热导率,而且容易加工成复杂的形状,价格低将大大降低SOFC的制造成本。由于铁素体不锈钢材料制备费用更低,气密性良好,易于加工等,因此金属连接体的发展倾向于铁素体不锈钢。然而,研发SOFC连接板用铁素体不锈钢,还需要考虑高温抗氧化性、氧化机理、氧化后的导电性及其热膨胀系数等问题。
在没有任何可借鉴技术和经验的情况下,太钢突破特殊元素含量精确控制的关键技术瓶颈。开发一系列针对韧性控制的变形制度、加热和冷却技术,并解决了产品热处理及酸洗的技术难题,实现了高特殊高铬超纯铁素体不锈钢系列产品规模制造的质量受控、生产稳定。目前太钢研发出的超级超纯铁素体不锈钢TFC22-X,已于近期向国内燃料电池龙头企业完成批量交付。
当前氢的生产、储存、运输和利用等技术备受关注。相比于日韩欧美等国家,我国产业化发展仍存在很多亟待解决的问题,尤其在氢能核心材料方面还有较大发展空间。钢企在氢能用特殊钢材的研发突破,为解决“卡脖子”难题贡献了一份力量。