1. 储氢：四大方式，各有千秋

氢储运承上启下，方式多样，主要包括气态储氢、液态储氢和固态储氢。氢能产业链包含三个关键环节：氢的制取、氢的储运以及氢的应用。氢的储运作为承上启下的一个环 节，必须解决该环节中的技术和经济问题，氢能才能真正走进人们的日常生活。在氢经济中，制氢环节结束后，需要远程输送或者直接储存起来。由于标准状态下氢气的体积能量 密度很低，是汽油的 1/3000，因此实现氢经济的一个先决条件是在较高的体积能量密度下 输送和储存氢气。氢的储存方式根据其存在状态可以分为三大类：气态储氢、液态储氢和 固态储氢。其中，固态储氢方式很多，分为物理吸附储氢、金属氢化物储氢、复杂氢化物 储氢、直接水解制氢（即储氢与产氢一体化）等多种类型。开发不同储氢方式的宗旨是在 安全且经济的情况下，尽可能降低氢气的体积，获得高的体积储氢密度和质量储氢密度。

四大储氢方式各有千秋。通过对比 4 种储氢技术，高压气态储氢是目前应用最广，技 术最为成熟，但是在安全性和储氢密度方面天然存在瓶颈；低温液态储氢技术在单位质量和单位体积储氢密度具有绝对优势，但是由于在液化过程中能耗大，以及对储氢容器的绝 热性能要求极高等原因，储存成本过高；有机液态储氢安全性更高，能够在常温常压下满足长期、长距离、大规模的氢气储运需求，并且能够借助已有的油品储运设备设施，与石 油石化产业协同发展，但是目前由于脱氢能耗偏高、脱氢催化剂开发难度大、有机物随着循环次数增加储氢性能下降等问题，距离大规模商业化还有一段时间；固体材料储氢拥有巨大潜力，但目前还处于研究阶段。

1.1 高压气态储氢：当前最成熟的储氢技术，占绝对主导地位

高压气态储氢是目前工程化程度最高的储氢技术，储氢密度、安全性、成本相互制约。高压气态储氢是指将氢气压缩在储氢容器中，通过增压来提高氢气的容量，满足日常使用。这是一种应用广泛、灌装和使用操作简单的储氢方式，其优点是设备结构简单、压缩氢气 制备能耗低、充装和排放速度快，是目前占绝对主导地位的储氢方式。其缺点是储氢密度 低，安全性较差。通过加压的方式可以提升储氢密度，但是并非压力越高越好，压力越高， 对储氢罐材质、结构要求也随之升高，成本会大幅增加，安全性也难以保障。

高压气态储氢关键环节在于压缩和储存。压缩过程的关键在于氢气压缩机的选用，氢 气压缩机有往复式、膜式、离心式、回转式、螺杆式等类型。不同的压缩机流量、吸气及 排气压力等参数不同。压缩机可以视为一种真空泵，它将系统低压侧的压力降低，并将系统高压侧的压力提高，从而使氢气从低压侧向高压侧流动。工程上，氢气的压缩有两种方式:1）直接用压缩机将氢气压缩至储氢容器所需的压力后存储在体积较大的储氢容器中;2） 先将氢气压缩至较低的压力(如 20MPa)存储起来，需加注时，先引入一部分气体充压，然 后启动氢压缩机以增压，使储氢容器达到所需的压力。

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储氢容器通过对其内部的结构和材料的迭代来提升单位质量储氢密度。高压氢气通常 用圆柱形高压气罐或者气瓶灌装。高压储氢容器技术的发展历史主要由金属储氢容器、金属内衬环向缠绕复合储氢容器、金属内衬环向+纵向缠绕复合储氢容器、螺旋缠绕容器以及 全复合塑料内衬储氢容器等阶段组成。目前，高压气态储氢容器主要分为纯钢制金属瓶（I 型）、钢制内胆纤维缠绕瓶（II 型）、铝内胆纤维缠绕瓶（III型）及塑料内胆纤维缠绕瓶 （IV 型）。回顾储氢容器的演变过程，其本质是通过改变结构及材料，提升单位质量储氢 密度。与最早的金属储氢容器不同的是，II、III、IV代高压储氢容器通过在内胆外缠绕多种 纤维固化后形成增强结构，通过不改善内衬材料及纤维缠绕模式，不断提升高压复合储氢罐的承压能力和质量储氢密度。

高压气态储氢应用领域主要包括运输、加氢站、燃料电池车。1）运输端：高压氢气的 运输主要指将氢气从产地运输到使用地点或者加氢站。采用汽车运输，设备主要为大型高 压无缝气瓶或“K“瓶装氢。2）加氢站端：加氢站用高压储氢容器是氢储存系统的重要组成部分。目前高压氢气加氢站所用的存储容器多为高强钢制无缝压缩氢气储罐。3）燃料电 池车端：高压气态储氢是目前燃料电池车的主要储氢方式，车载储氢瓶大多使用的是 III 型 和 IV 型，使用压力主要为 35MPa 和 70MPa。

1.2 低温液态储氢：尚处起步阶段，未来大规模用氢的良好解决方案

低温液态储氢属于物理储存，是一种深冷氢气存储技术。氢气经过压缩后，深冷到 21K （约-253°C）以下，使之变为液氢，然后存储到特制的绝热真空容器(杜瓦瓶)中。该方式 的优点是氢的体积能量高，液氢密度达到 70.78kg/m3，是标准情况下氢气密度的 850 倍 左右，即使在高压下，例如 80MPa 复合高压储氢的体积储氢密度约为 33kg/m3，也远远 低于液氢的体积储氢密度。但是液氢的沸点极低（-252.78°C），与环境温差极大，对储氢 容器的绝热要求很高。对于大规模、远距离的氢能储运，低温液态储氢有较大优势。

低温液氢的存储技术关键在于液氢储罐。液氢的体积密度大、质量储氢效率比其他储 氢形式都大，但是沸点低（20.3K）、潜热低、易蒸发，因此液氢的存储需使用具有良好绝 热性能的液氢储罐。液氢储罐有多种类型，根据其使用形式可分为 1）固定式：固定式液 氢储罐可采用多种形状，常用的包括球形储罐和圆柱形储罐，一般用于大容积的液氢存储；2）移动式：由于移动式运输工具的尺寸限制，移动式液氢储罐厂采用卧式圆柱形，结构、 功能与固定式液氢储罐并无明显差别，但需具有一定抗冲击强度，以满足运输过程中的速 度要求；3）罐式集装箱：液氢罐式集装箱与液化天然气罐式集装箱类似，可实现液氢工厂 到液氢用户的直接储供，减少了液氢转注过程的蒸发损失，且运输方式灵活。按照绝热方 式可分为普通堆积绝热和真空绝热两大类。低温液氢存储的研究热点是无损储存，无损储 存的关键在于液氢储罐绝热性能的提升：由传统的被动绝热方式向主动绝热技术转变，将 更低导热率、更高低温性能的材料应用于液氢储罐。因此，我们认为大容积、低蒸发率液 氢储罐的研发是液氢存储技术发展的重要方向。

我国低温液氢目前尚处于起步阶段，主要应用于航天航空领域。氢的能量密度高，是 普通汽油的 3 倍，这意味着燃料的自重可降低 2/3，这对飞机来讲是极为有利的。与常用 的航空煤油相比，用液氢作航空燃料，能够大幅改善飞机各类性能参数。液氢燃料在航天 领域是一种难得的高能推进剂燃料，氢氧发动机的推进比冲 I=391s，除了有毒的液氟外， 液氢的比冲是最高的，因此在航天领域得到重要应用。此外，液氢由于能够大幅提高氢气 的纯度，在液氢温度下，氢气中绝大多数有害杂质将被固化去除，从而得到纯度达 99.9999% 以上的超纯氢气，完全能够满足氢燃料电池的使用标准。此外，液氢还可应用在高端制造、 冶金、电子等产业领域，但由于目前低产能导致的液氢成本过高，除了航空航天领域，在 其他领域基本处于空白阶段。

技术封锁严重限制我国液氢的发展，期待技术突破带动产业化放量。液氢是未来氢能 源大规模应用的重要解决方案，能够使下游用户既便宜又便捷地使用氢能源。美国、欧洲、日本从液氢的储存到使用，包括加氢站全部都有了比较规范的标准和法规，液氢发展产业 链比较完备，因此国外将近有 1/3 的加氢站为液氢加氢站。作为液氢生产大国的美国一直 对中国采取“严格禁运，严禁交流”的策略，同时还限制其同盟国的公司，例如法液空、 林德公司等向中国出售设备和技术。国内之前还存在技术标准和政策规范缺失的问题，但 在 2021 年 5 月，我国国家标准委正式发布了三项有关液氢的国家标准，这意味着我国液 氢产业的发展终于有法可依，涉足民用液氢领域的企业正逐步增多。国内目前液氢的问题 主要是成本高，关键设备和系统仍依赖进口，成本过高也导致了目前民用液氢工厂较少， 多为示范应用工程。国内的大型氢液化装置主要需要突破低温氢工况材料选用，氢、氦透 平膨胀机研制和正仲氢转化催化剂等技术难题，随着未来技术突破，大型氢液化装置的国 产化将快速推进液氢成本下降。

1.3 有机液态储氢：最具发展潜力的氢气低价储运技术之一

有机液态储氢（LOHC）属于化学储存，能够实现常温常压下氢气储运。有机液态储氢 是通过加氢反应将氢气与甲烷（TOL）等芳香族有机化合物固定，形成分子内结合有氢的 甲基环乙烷（MCH）等饱和环状化合物，从而可在常温和常压下，以液态形式进行储存和 运输，并在使用地点在催化剂作用下通过脱氢反应提取出所需量的氢气。有机液态储氢的 优点是可在常温常压下以液态输运，储运过程安全、高效，可使用储罐、槽车、管道等已 有的油品储运设施，且安全监管部门和公众对 LOHC 的忧虑相比低温液氢和高压气氢要小 得多。但 LOHC 还存在脱氢技术复杂、脱氢能耗大、脱氢催化剂技术亟待突破等技术瓶颈。若能解决上述问题，液态有机物储氢将成为氢能储运领域最有希望取得大规模应用的技术 之一。

有机液态储氢（LOHC）的关键在于有机物储氢介质的选择。选择有机物储氢介质重点 考虑的性能指标包括：1）质量储氢和体积储氢性能高；2）熔点合适，能使其常温下为稳 定的液态；3）成分稳定，沸点高，不易挥发；4）脱氢过程中环链稳定度高，不污染氢气， 释氢纯度高，脱氢容易；5）储氢介质本身的成本；6）循环使用次数多；7）低毒或无毒， 环境友好等。各国对于有机物储氢介质的选取不同，国内主要研究方向为 N-乙基咔唑、二 甲基吲哚等，武汉氢阳能源控股有限公司已完成了千吨级 N-乙基咔唑装置的示范；德国 Hydrogenious 公司主要研究方向为二苄基甲苯，已进展到应用示范阶段；日本在此方面 处于领先地位，日本千代田化建公司主要研究方向为甲基环己烷，在 2020 年实现了全球首 次远洋氢运输。上述三类方法是目前最主要走向商业化的三大体系。

有机液态储氢（LOHC）技术有望在未来新型能源体系中扮演重要角色，氢储能值得关 注。双碳背景下，未来可再生能源使用比例逐渐增加，亟需解决可再生能源的波动性和不 稳定性的问题，氢储能是一种良好的解决方案。通过可再生能源电力电解水制氢，通过氢 气实现能量的储存和运输，而 LOHC 储氢方式是诸多储氢方式中稳定性最高、日常维护量 最小、长周期储存成本最低的一种方式。此外，LOHC 储氢能够实现可再生能源、电网、 大型发电和分布式发电、氢气加注市场等不同领域的交互应用，更适合大规模、长时间的 储存。

1.4 固态储氢：尚处示范阶段

固态储氢是指利用固体对氢气的物理吸附或化学反应等作用，将氢气储存在固体材料 当中。固态储氢一般可以做到安全、高效、高密度。根据固态材料储氢机制的差异，主要 可将储氢材料分为物理吸附型储氢材料、金属氢化物基储氢合金，复杂氢化物等。目前在 所有固态储氢材料中，研究最集中、最广泛，目前也最具有实用化前景的是金属氢化物基 储氢合金。

金属氢化物储氢未来潜力巨大，尤其适合燃料电池汽车上使用。金属氢化物是金属合 金与氢发生可逆反应时生成的一类氢化物，以金属氢化物形式吸附氢，然后加热氢化物释 放氢。在实际储氢应用中要求金属氢化物在数千个循环中保持其反应性和容量。因此金属 氢化物种类很多，但只有少数适用于储氢应用。目前金属氢化物的主要研究方向为 LaNi5、 Mg2Ni 和 FeTi 等金属氢化物的改性。金属氢化物储氢具有储氢体积密度大、操作容易、 运输方便、成本低、安全性好、可逆循环好等优点，但是质量效率低，如果质量效率能够 有效提高的话，这种储氢方式非常适合在燃料电池汽车上使用，未来潜力较大。

固态储氢已有示范应用，未来广泛的场景应用可期。近年来，关于固态储氢出现了众 多示范项目，以固态储氢为能源供应的大巴车、卡车、冷藏车、备用电源等在我国相继问 世。世界各国在固态储氢应用和新型储氢材料的研发上取得了诸多进展，成熟的储氢材料 已在热电联供、储能、车载燃料电池氢源系统等多个领域得到应用，德国 HDW 公司甚至 将开发的 TiFe 系固态储氢系统用于燃料电池 AIP 潜艇中。