储氢技术概述

摘要：近年来，我国大力推进氢能技术的发展，储氢技术作为氢能生产到下游利用的桥梁，在氢能产业链中占有重要地位。目前常用的氢存储技术主要有气态氢存储技术，低温液态氢存储技术，有机液态氢存储技术，固态氢存储技术等。低温液态氢存储技术要应用于军事和航天领域，有机液态氢存储技术和固态储氢存储技术目前还处于科研成果转化阶段，但已有初步的应用，高压气态氢存储技术是目前发展最为成熟的储氢技术。本文基于现状对各种不同储氢技术路线及特点进行了介绍与分析，为储氢在工程上的应用提供选择。

关键词：储氢；气态储氢；液态储氢；固态储氢

一、概述

我国在2021年提出了碳达峰碳中和的双碳目标，要实现这一目标，无论是能源的生产还是应用，必须向绿色低碳转变。氢能是业界公认的能源转型发展的重要载体，其来源丰富，应用广泛，对碳达峰碳中和有积极的支撑作用。

传统的制氢技术是化石燃料通过化学反应产生的氢气，在氢气生产过程中会有碳排放，如果利用可再生能源发电，通过电解水的方式制氢，就能从源头上实现二氧化碳的零排放。因此，绿氢是碳中和的关键，同时也是未来清洁可持续能源的核心。近年来，我国大力支持风光制氢一体化项目的发展，风光协同制氢既可以产生无碳环保的绿氢，同时也能对电力电网的储能需求和灵活性供应产生积极作用。我国风光资源多集中在三北地区，而氢能需求更主要分布在南方，因此氢气作为能源使用，需要解决的一个主要问题是氢气的储运。本文结合国内外氢存储技术的发展，对氢存储技术进行分析和介绍。

二、储氢分类

（一）气态储氢

高压气态储氢技术是当前国内技术相对成熟，应用最为广泛的储氢技术。高压气态储氢顾名思义是指通过施加压力将氢气压缩到一个耐高压的容器中，压力容器内氢以气态形式储存，存储的氢气量与容器中的压力成正比，高压气态储氢一般在需要大规模储氢使用。高压气态储氢一般采用储气罐作为储存容器，储气罐在工程中应用较广，其储存成本低，对环境要求低，在常温下就能完成充放气，经过高压储存的氢气在需要使用时，通过减压阀的调节完成氢气的释放，因此，高压气态储氢已成为简单易行、使用场景最多的储氢方案。高压气态储氢的缺点是是需要厚重、可靠的耐压容器，在工程应用中应作为压力容器运维管理，由于在常压下即可完成充放气，因此在储氢过程中也存在氢气易泄露和容易爆破等不安全因素。同时，高压气态储氢罐能量密度较低，储氢量受容器压力制约。

气态储氢主要应用场景分别是高压气态运氢车、加氢站及氢燃料电池车的储氢罐。首先是高压气态运氢车，是纯粹将氢气压缩至储氢罐中，储氢罐由大型的卡车拖运，目的是将氢气从产地运输至中间的加氢站或者是氢气需要使用的工厂地点。其次是加氢站，因为加氢站需要氢气储存容器，也是氢气运输的中转枢纽，而现阶段最成熟的技术就是高压气态储氢，所以在加氢站中有很多大容量的储氢罐，方便氢气在制取与运输、运输与运输、运输与利用的中转。最后是氢燃料电池车的储氢罐，严格来说氢燃料电池车已属于氢能产业链下游的氢气利用，但是在氢气不断释放作为动力时，需要小型的储氢罐，用于替代燃油汽车的邮箱。现阶段最成熟的储氢就是高压气态储氢，所以在氢燃料电池车上的高压储氢罐也是气态储氢的一个应用场景。

（二）低温液态储氢

低温液态储氢是将氢气在一定条件下压缩冷却至液化后再置于绝热真空容器中的一种储氢方式，与气态氢相比，液态氢密度更高，是气态氢的845倍。液氢是大型低温重型火箭的主要燃料，近年来已成为中国能源发展的重点研究方向。低温液态储氢具有储氢密度大、能量密度高等优点，具有巨大的发展空间和潜力。低温液态储氢先将氢气在温度-250℃下液化，然后储存在低温绝热真空容器中。氢气液化耗时耗能，因此低温液态储氢常用于中大规模的氢气储存和应用。

目前低温液态储氢具有很大的市场空间，其中相当一部分用于航天燃料和车载汽车燃料。但是距离进入市场化应用还具有一定的差距，目前待需解决氢气的低温和存储问题。低温需要制冷机的技术水平不断提高与此同时低温也会对材料产生低温脆性，另外还需要持续研究低温绝热技术，达到绝缘目的：存储需要开发合适的压力容器，同时也要考虑经济性和安全性。

（三）有机液态储氢

有机液体储氢技术基于不饱和液体有机物在催化剂作用下的加氢反应，生成稳定化合物，当需要用氢气时再进行脱氢反应。有机液体储氢技术具有较高的储氢密度，通过加氢、脱氢过程可实现有机液体的循环利用，成本相对较低，质量储氢密度为5% ～10%，储氢量大。同时，常用材料（如环己烷和甲基环己烷等）在常温常压下，即可实现储氢，安全性较高。然而，有机液体储氢也存在很多缺点，如须配备相应的加氢、脱氢装置，成本较高；脱氢反应效率较低，且易发生副反应，氢气纯度不高；脱氢反应常在高温下进行，催化剂易结焦失活等。

2023年以来，我国已有多个有机液体储氢项目陆续启动，与此同时，国内不少企业也开始研究布局有机液体储氢技术。通过与相关企业交流，目前有机液体储氢整套设备国产化程度高，反应器价格稍高，载体本身不挥发，可循环使用。

（四）固态储氢

固态储氢是指利用材料对氢气的物理吸附和化学吸附作用将氢气存储在固体材料中。物理吸附机制是指通过范德华力将氢分子可逆地吸附在比表面积高的多孔材料。化学吸附机制中，氢一般是以离子键或共价键与其他元素结合，生成金属氢化物等材料，在一定条件下可逆地吸收和释放氢气。

固态储氢与其他储氢方式相比，最显著的两个优势，就是体积储氢密度高与安全性能好。固态储氢具有非常高的体积储氢密度，以MgH2储氢为例，其体积储氢密度可达106kg·m3，为标准状态下氢气密度的119倍，70MPa高压储氢的2.7倍，液氢的1.5倍。此外，固态储氢可在常温常压下进行，储罐易密封，在突发事件下即使发生氢气泄漏，储罐也可自控式地降低氢气泄漏速度和泄漏量，为采取安全措施赢得宝贵时间。

在全世界范围内，经济发达国家和地区正在积极推动固态储氢技术的研究和应用，其中美国、日本、韩国等国家一直处于这项技术前沿。与国外相比，我国的起步较晚，但是凭借着近年来的技术创新和加强，目前已经取得了实质性的进展，一些特殊场景已有示范性应用。

三、各种储氢技术对比

通过上述分析，高压气态储氢是目前应用也最广，也最成熟的储氢技术，但是储氢密度和安全性方面存在瓶颈；低温液态储氢技术具有单位质量和单位体积储氢密度大的绝对优势，但目前储存成本过高，主要体现在液化过程耗能大，以及对储氢容器的绝热性能要求极高两个方面；有机液态储氢由于成本和技术问题还未能大规模商业化应用；固体材料储氢则有着巨大潜力，但是目前处于研究阶段。

参考文献

［1］李璐伶，樊栓狮，陈秋雄，等.储氢技术研究现状及展望［J］.储能科学与技术，2095-4239（2018）04-0586-09.

［2］徐丽，马光，盛鹏，等.储氢技术综述及在氢储能中的应用展望［J］.智能电网，2095-5944 （2016） 02-0166-06.

［3］刘翠伟，裴业斌，韩辉，等.氢能产业链及储运技术研究现状与发展趋势［J］.前沿与综述，1000-8241（2022）05-0498-17.

［4］曹军文，覃祥富，耿嘎，等.氢气储运技术的发展现状与展望［J］.石油学报（石油加工），1001-8719（2021）06-1461-18.