氫能作為一種可再生的、清潔高效的二次能源，具有資源豐富、來源廣泛、燃燒熱值高、清潔無污染、利用形式多樣、可作為儲能介質(zhì)等諸多優(yōu)點，是實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型與碳中和的重要能源。

一、氫的來源

我國是世界第一產(chǎn)氫大國，生產(chǎn)主要在西北和華北地區(qū)，但大部分用作工業(yè)原料而非能源。氫能根據(jù)來源不同可分為“灰氫”、“藍氫”和“綠氫”三類。其中“灰氫”是指利用煤炭、天然氣為代表的化石能源重整制氫，制氫成本較低但碳排放量大；“藍氫”是指使用化石燃料制氫的同時，配合碳捕捉和碳封存技術(shù)，碳排放強度相對較低但捕集成本較高；“綠氫”是利用風(fēng)電、水電、太陽能、核電等可再生能源電解制氫，制氫過程完全沒有碳排放，但成本較高。目前，我國氫氣主要來自灰氫。

二、氫的儲存

目前儲氫方法主要分為高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫和儲氫材料儲氫三種。

1、氣態(tài)儲氫

（1）高壓氣態(tài)儲氫瓶儲氫

氣態(tài)儲氫是將氫氣壓縮后以高密度氣態(tài)形式在高壓下儲存的技術(shù)，該技術(shù)設(shè)備結(jié)構(gòu)相對簡單，壓縮氫氣制備能耗低，溫度適應(yīng)范圍廣，成本低，是目前發(fā)展最成熟的儲氫技術(shù)。儲氫瓶包括四類，其中I型、II型技術(shù)較為成熟，主要用于常溫常壓下的氫氣儲存，III型和IV型儲氫瓶主要用于高壓儲氫，適用于氫燃料汽車、加氫站等，還有無內(nèi)膽的V型儲氫瓶處于研發(fā)階段。表1總結(jié)了四種類型儲氫瓶的對比情況。

表1. 四種類型儲氫瓶的對比

（2）鹽穴儲氫

鹽巖因其極低的滲透特性、損傷恢復(fù)特性和良好的蠕變性能，是國際上公認(rèn)的能源儲存理想介質(zhì)，又因其不與氫氣發(fā)生反應(yīng)，被認(rèn)為是大規(guī)模地下儲氫的極佳選擇。截至2021年，全球共有4座運營中的鹽穴儲氫庫，其相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表2所示。但地下儲氫有可能誘發(fā)儲氫微生物生長、應(yīng)力場變化等技術(shù)挑戰(zhàn)，目前仍在研究探索中。

表2. 部分運營中的鹽穴儲氫庫相關(guān)技術(shù)參數(shù)

2、液態(tài)儲氫

液態(tài)儲氫主要有物理層面上的低溫液態(tài)儲氫和化學(xué)層面上的液態(tài)氫載體儲氫。低溫液態(tài)儲氫技術(shù)是當(dāng)前常見的氫儲運方式之一，國外已廣泛用于液氫加氫站日常運營，我國液氫行業(yè)相對落后，主要應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域。

（1）低溫液態(tài)儲氫

液態(tài)儲氫是將氫氣在一定條件下壓縮冷卻（-240℃，0.1 MPa）至液化后再保存（-253℃，0.1 MPa）在絕熱真空容器中的一種儲氫方式。與氣態(tài)儲氫相比，液態(tài)儲氫具有體積密度大、安全性好、氫氣純度高、加注時間短等優(yōu)點。

在液氫制造方面，氫氣液化系統(tǒng)主要有預(yù)冷型Linde-Hampson系統(tǒng)、預(yù)冷型Claude 系統(tǒng)和氦制冷氫液化系統(tǒng)3種類型。在液氫儲存方面，主要依靠專用的液氫高壓絕熱容器，國外比較成熟的液氫儲瓶內(nèi)膽為球形結(jié)構(gòu)，采用多層真空隔熱技術(shù)，自帶制冷機主動地進行絕熱過程，可以實現(xiàn)高絕熱和低耗損。

（2）有機液態(tài)儲氫

“氫油”在氫能供應(yīng)鏈上逐漸興起，其本質(zhì)是有機液態(tài)儲氫，原理是通過催化加氫反應(yīng)將貧氫有機物轉(zhuǎn)化成富氫有機物，從而將氫氣儲存起來，然后通過脫氫過程實現(xiàn)氫釋放。由于在儲存期間，氫與相應(yīng)的液態(tài)有機氫載體（Liquid Organic Hydrogen Carriers, LOHC）共價結(jié)合，LOHC在常溫下為液體，并顯示出與原油等相似的特性，因此可以使用現(xiàn)有基于原油的基礎(chǔ)設(shè)施實現(xiàn)處理、運輸和儲存。常用液態(tài)有機液態(tài)氫載體有環(huán)己烷、甲基環(huán)己烷等。

（3）液態(tài)氨儲氫

氨是由一個氮原子和三個氫原子組成的零碳化合物，是潛在的儲氫載體。同時氨在常壓下的液化溫度僅為-33℃，而且氨的壓縮和儲運體系已經(jīng)成熟并且規(guī)模化應(yīng)用，通過加氫反應(yīng)合成氨，以液氨狀態(tài)運送后再釋放氫的運氫方式具有相當(dāng)?shù)某杀拘?yīng)，故“氨?氫”能源結(jié)合成為推動氫能發(fā)展的關(guān)鍵動力之一，其技術(shù)路線圖1所示。

圖1 “氨?氫”能源循環(huán)路線

（4）液態(tài)甲醇儲氫

甲醇儲氫與氨儲氫類似，通過CO2的加氫反應(yīng)合成綠色甲醇后以液態(tài)甲醇形式儲運，到達目的地后通過甲醇裂解等方式釋放氫。液態(tài)甲醇相比液態(tài)氫具有更低的生產(chǎn)成本、輸運成本和更高的化學(xué)穩(wěn)定性，同時與其技術(shù)相關(guān)的配套設(shè)施相對完善，是理想的液態(tài)儲氫材料之一。利用液態(tài)甲醇原位重整制氫技術(shù)有望用于下游加氫站供給或直接加注于分布式燃料電池系統(tǒng)，在未來，“甲醇?氫”能源體系可能是我國新能源戰(zhàn)略的關(guān)鍵之一。

3、固態(tài)儲氫

固態(tài)儲氫是通過吸附作用將氫氣加注到固體材料中保存起來的儲氫技術(shù)，其體積儲氫密度大、安全性好，吸放氫速度穩(wěn)定，運輸不需要管道，具有廣闊的應(yīng)用前景。

（1）物理吸附材料儲氫

物理吸附性儲氫材料主要有金屬有機骨架（Metal Organic Frameworks, MOFs）和碳納米管（Carbon Nanotubes, CNTs）。MOFs由于其高表面積、可調(diào)節(jié)的孔徑、孔體積和孔幾何形狀的特點，是物理吸附性儲氫材料代表之一，但遇水不穩(wěn)定?，F(xiàn)有研究大多聚焦在MOFs結(jié)構(gòu)對儲氫性能的影響，例如改性MOFs材料、經(jīng)過特殊設(shè)計的超多孔MOFs材料和三維結(jié)構(gòu)MOFs材料均可以顯著提高氫吸附能力，關(guān)于MOFs結(jié)構(gòu)與儲氫的關(guān)系仍處于初步探索階段。

（2）合金材料儲氫

間隙氫化物合金能用作高壓復(fù)合儲氫罐中的高壓儲氫材料，如ZrFe2、TiCr2合金等已被廣泛用于高壓復(fù)合儲氫罐中，也能單獨作為合金儲氫材料使用，是理想的合金儲氫材料之一。常見合金類型有AB5、AB、AB2等，例如已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的LaNi5儲氫合金、TiFe儲氫合金、TiMn2合金。

（3）氫化物材料儲氫

金屬氫化物儲氫材料中，鎂基合金氫化物由于質(zhì)量輕、密度小、儲氫量大、資源豐富、價格低廉、無污染，被認(rèn)為是最有應(yīng)用前景的金屬氫化物儲氫材料之一，缺點是吸放氫動力學(xué)性能不足，目前還處于研究優(yōu)化階段，研究主要集中在通過改變鍛造條件優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)，通過改性復(fù)合材料提高綜合性能，或者聚焦于材料內(nèi)部效應(yīng)等。

三、氫的運輸

目前根據(jù)氫氣狀態(tài)主要有氣氫運輸和液氫運輸兩種運氫方式，固氫運輸還需要儲氫合金的性能進一步優(yōu)化?？梢灶A(yù)見，高壓氣態(tài)運氫、液態(tài)運氫和管道運氫將是運氫三大主流方向，三種運氫方式并行發(fā)展是構(gòu)建安全、高效氫能儲運網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。

（1）高壓氣氫運氫

氣態(tài)氫的運輸目前有兩種方案，分別是集裝管束箱或長管氫氣拖車運輸和管道運輸，集裝管束箱和長管氫氣拖車由于技術(shù)要求中等和技術(shù)成熟度較高，是目前最常用的高壓氣態(tài)運氫方式。國外常采用45 MPa纖維全纏繞高壓儲氫瓶長管拖車運氫，單車運氫量可達約700 kg，目前國外最先進的長管拖車可達52 MPa超高壓，且配備自動控制閥門，能夠與加氫站系統(tǒng)對接直接進入加氫機進行加氫。

（2）液氫運氫

液態(tài)氫儲運的兩種常用載體是液氫槽車和專用液氫駁船。液氫槽車常用于中短距離城市間運氫，在運輸距離大于400 km時具有可觀的經(jīng)濟效應(yīng)，目前國外最先進車載液氫儲瓶容量最大可達360 m3，我國也具備了制造300 m3的可移動式液氫槽車的實力。

（3）管道運氫

管道運氫可實現(xiàn)大規(guī)模、常態(tài)化、低成本的氫氣長途運輸，是未來氫氣儲運體系的重要組成部分，科技部將針對城鎮(zhèn)地區(qū)用氫需求，開展中低壓純氫與摻氫（5%~20%）天然氣管道輸送及其應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究的“中低壓純氫與摻氫燃?xì)夤艿垒斔图捌鋺?yīng)用關(guān)鍵技術(shù)”列入《十四五國家重點研發(fā)計劃氫能專項》中。

（4）固態(tài)運氫

雖然固態(tài)儲氫技術(shù)整體上處于實驗研究階段，但Mg基儲氫材料發(fā)展相對成熟，如上海氫楓能源技術(shù)公司基于鎂基材料研發(fā)的固態(tài)儲氫車，具有高密度儲氫容量和常溫常壓儲運的優(yōu)勢，是固態(tài)儲氫技術(shù)商用的重要突破。

四、總結(jié)

我國氫儲運行業(yè)發(fā)展總體落后于國外，包括復(fù)合儲氫技術(shù)、液氫技術(shù)等新興技術(shù)以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈等，但近年來不斷打破國外封鎖，部分領(lǐng)域達到世界一流水平。氫儲運是氫能產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，打破技術(shù)瓶頸、完善氫儲運體系將助力我國氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量快速發(fā)展。

（文/圖 舒軍政）