氢储运技术研究进展与发展趋势

丁 镠，唐 涛，王耀萱，康 宁，许 鑫

（1. 中国能源建设集团华东电力装备公司，江苏 镇江 212000；2. 中国电力工程顾问集团华北电力设计院，北京 100120；3. 中国葛洲坝集团装备工业有限公司，湖北 武汉 430000）

氢能是推动传统化石能源清洁高效利用和支撑可再生能源大规模发展的重要纽带。随着能源需求量的增加以及环保要求的提高，未来可再生能源装机容量比例将持续增加，但由于目前电力系统调峰能力有限，“弃风弃光”现象严重，在一定程度上阻碍了可再生能源的发展。通过电解水制氢，实现大规模储能和调峰耦合电网，增加电力系统灵活性，有助于提供可再生能源的利用率，形成灵活高效的多能互补系统，促进清洁能源发展[1]。氢能是未来极具前景的能源形式，而储氢是氢能产业的中间环节，极为关键，因此对氢气储运技术的研究具有非常重要的意义。

现阶段，氢能已被众多发达国家提到国家能源战略层面[2-4]。美国作为氢能发展先行者和发展氢燃料电池的主要国家，预计其2030~2040年将全面实现氢能源经济[5]；日本国内能源短缺，早已将可再生能源与氢能作为能源发展的主要方向，2025年被定为“氢能走出去元年”；德国于2016 年重新修订了氢能源交通战略规划，预计到2023年将建成加氢站400 座。随着“碳达峰、碳中和”和“3060”目标的提出，我国加快了氢能产业的布局，国家大型能源集团等众多企业投身其中，目前已形成京津冀、长江三角洲、珠江三角洲等7个氢能产业集群。虽然我国制氢能力较强，但氢能技术的发展还处于起步阶段，制氢、储运、用氢环节较多，多项技术还未得到成熟的工程应用，除了煤气化制氢等有特殊优势外，电解水制氢、天然气重整制氢等技术与国外仍有差距；在质子交换膜组、传感器等核心产品上尚有技术难点要攻关；氢燃料电池总体上也尚处于工程化开发阶段。氢气储运环节受制于氢储运效率较低的问题，一直是制约我国氢能产业发展的瓶颈所在[6]。

本文首先介绍高压气态储氢、低温液态储氢和固态储氢3种典型的储氢技术，并多角度进行对比分析；然后以制氢点储运至加氢站为应用背景，在一定的边界条件下进行氢气储运成本测算，分析在不同运输距离下储氢方式的较优选择；最后对几种储氢技术的未来发展趋势进行展望。

1 储氢技术介绍

氢气储运过程中，根据不同的应用场景选择适宜的储氢方式十分重要，本节主要介绍目前3种典型的储氢技术。

1.1 高压气态储氢

高压气态储氢具有成本较低、能耗低、易脱氢和工作条件较宽等特点，是发展最成熟、最常用的储氢技术[7]，其主要采用不同材料制成的I型、II型、III型和IV型4种气瓶为储氢容器，通过高压压缩方式储存气态氢。高压气态储氢目前包括现场固定式储氢、运输用高压储氢和车载储氢3个应用方向。固定式储氢主要用于制氢站、加氢站等固定场所的氢气储存；运输用高压储氢设备主要用于将氢气由产地运往使用地或加氢站，早期多采用长管拖车来运输，其由数个旋压收口成型的高压气瓶组成，氢气压力多在20~25 MPa之间，单车运输氢气量一般不超过400 千克，近年来为提高运氢量，将气瓶工作压力进一步提高到30~45 MPa，单车运氢量可提升至700千克。由于I型和II型气瓶存在多种缺点，国外已有部分研究机构将为适应高压容器大型化发展而来的缠绕技术用于运输用高压气态储氢（III型和IV型）瓶的研制。由于III型瓶和IV型瓶的储氢密度高，因此车载储氢也多采用III型瓶和IV型瓶作为储氢容器。国外一些知名公司已研制出不同系列的碳纤维缠绕型高压车载储氢容器[8]。表1是国内外主要研发机构开发的高压车载储氢瓶信息。

表1 国内外主要研发机构开发的高压车载储氢瓶Table 1 High-pressure vehicle-mounted hydrogen storage bottles developed by major domestic and foreign and institutions

高压气态储氢技术目前已经很成熟，工艺流程相对简单，难点主要集中在储氢容器的研制上。图1为IV型氢气瓶结构示意图，缠绕用的碳纤维目前国内还达不到储氢罐的标准，储氢罐在压强和质量储氢密度方面均低于国外技术水平。因此，IV型氢气瓶在国内还处于研发阶段，其耐高压阀门等少数零部件仍依赖进口，大型缠绕机等复合材料储氢罐制备用关键设备制造能力还有待进一步加强。

图1 IV型氢气瓶结构示意Fig. 1 Structure diagram of type IV hydrogen bottle

1.2 低温液态储氢

低温液态储氢是将氢气液化后储存在低温绝热容器中进行运输。由于氢气在-253 °C下是密度为70.78千克/米3的液体，是标况下氢气密度（约0.08342千克/米3）的近850倍，即使将氢气压缩到35 MPa和70 MPa，其单位体积的储存量也小于液态储存。因此，单从储能密度上看，低温液态储氢是一种十分理想的储氢方式。但由于液氢的沸点极低，与环境温差极大，因此液氢的储存容器的绝热要求很高。

低温液态储氢原理是将氢气压缩冷却后进入节流阀，经历焦耳-汤姆逊等焓膨胀后会产生液体，液体分离后储存在高真空的绝热容器中，而气体继续进行循环[9]，因此实现低温液态储氢的主要技术是低温绝热。以德国Ingolstadt的Linde氢液化生产装置中液氮预冷型Claude循环的低温液化储氢工艺流程为例（该液化流程为改进后的，原料氢气在液化前经过纯化），该工艺中，氢液化需要的冷量来自3个温区：由液氮提供-193.15 °C温区冷量；由氢制冷系统经过膨胀机膨胀获得-193.15~-243.15 °C温区冷量；J-T阀节流膨胀获得-243.15~-253.15 °C温区冷量，流程示意如图2[10]。

图2 简单Claude循环氢液化流程[10]Fig. 2 Simple liquefaction process of Claude cycle hydrogen[10]

1.3 固态储氢

固态储氢方式是通过化学或物理吸附的原理将氢气吸附后储存。储氢载体一般是纳米材料和金属氢化物。以储氢载体是金属氢化物为例，储氢原理是金属或合金与氢气发生反应而互相结合，结合后使得储氢材料中氢原子之间的距离小于纯氢气，在需要释放氢气时通过对吸氢后的储氢材料持续加热实现。传统的金属氢化物材料虽然具有较高的体积储氢密度，但在温和条件下有效储氢容量大多低于3%（质量分数），如钛铁系、稀土镧镍系和钛锆系等[11]。传统金属氢化物材料已经满足不了车载储氢系统的要求。镁基储氢合金则具有质量轻、密度小、储氢容量高、资源丰富以及价格低廉等特点，比较具有代表性的为MgH2，其理论储氢质量分数可达7.7%，但也存在放氢温度高、脱氢速率慢的缺点[12]。

图3是一种常用的金属氢化物固态储氢装置示意，其由5部分主要构件组成。在一定的温度和压力条件下，当外界高纯氢气通过阀门和滤网通入罐体，氢气与储氢合金粉末进行反应，从而起到储氢的作用；在另一温度和压力条件下，氢气被释放，实现放氢。整个氢气的充放过程要经历扩散及化合等过程，这些过程受反应热力学以及动力学因素的制约，使得氢气在充放过程中不易产生爆炸，安全性能有足够的保障。滤网的作用是对气体进行过滤，同时防止储氢合金粉末细化引起接头堵塞。

图3 金属氢化物固态储氢装置示意Fig. 3 Schematic diagram of metal hydride solid state hydrogen storage device

目前各种固态储氢装置基本都是圆柱形的罐体，材质多选用不锈钢或铝合金，在充/放氢过程中罐体仅需要保证能承受充/放氢时的膨胀压力即可，相对于高压气态储氢，大大降低了设备造价。不同的固态储氢材料，其放氢温度有所差异，大部分设备都设置了换热回路，以满足各自储氢材料的放氢需要[13]。图4是国内某从事镁基合金储氢公司研发的金属氢化物储氢容器，可以根据需要的场景个性定制，通过多联瓶组实现特定需求，并易于搬运和灵活布置。其工艺流程包括吸氢、运氢和放氢3个子模块。整个系统包含充/放氢辅助系统、安全控制系统以及充/放氢控制系统3个子功能系统模块。

图4 某公司的金属氢化物固态储氢容器Fig. 4 A company’s metal hydride solid state hydrogen storage container

虽然固态储氢技术储氢密度高、操作方便，但是依然存在着生产成本高、放氢温度高和脱氢速率慢的缺点。总体来讲现阶段关于高密度固态储氢的研究大多还停留在科研层面，要实现多应用场景更广泛和更灵活的应用，则需进一步开发轻质和高容量的固态储氢材料以及降低材料使用温度，并实现材料的批量化生产以降低生产成本。

2 典型储氢技术对比

3种典型储氢技术的具体情况对比如表2所示，相关统计主要出自文献[14-15]中。

表2 3种储氢技术对比Table 2 Comparison of three hydrogen storage technologies

目前，高压气态储氢技术成熟，应用广泛，车用储氢容器承压已从35 MPa提升到70 MPa。高压气态储氢方式广泛用于商品氢气的短距离运输，一般适用于特种长管束拖车，通常一车可装载300~400千克，优点是技术成熟、放氢速率快。缺点是体积储氢密度很低、放氢时氢气不能全部释放以及远距离运输时成本高。

低温液态储氢技术需要使用专用特种槽车，目前美国、日本等已经实现了大规模的商业应用，国内已有少数公司引进掌握，但仅限于军事、航天等特殊领域。低温液态储氢的单车装载量在3种储氢方式里是最高的，但氢气在液化储存时的能耗高（初步测算为11 千瓦·时/千克），同时对储存容器、保温绝热等设备要求高，国内仅有少数几家单位在研究，目前民用还未形成。未来应在材料方面进一步突破，以研制出质量更轻、承压能力更好的容器。

固态储氢技术装载运输量相对灵活。以上海某公司的镁基合金固态储氢为例，目前单车最大运输量为1200千克/车。该技术目前处于试验示范阶段尚未商业应用，其优点是储氢体积密度大，体系可逆，运输方便，但存在放氢温度高和脱氢速率慢的缺点。放氢过程需要持续400 °C左右的高温，一定程度上会增加氢气的使用成本；脱氢速率慢对于加氢站则意味着会较长时间占用固态储氢车，大大提升储氢车的租赁成本。综合来看，固态储氢方式具有良好的潜力，具备常温常压储氢以及储氢和放氢过程可控等优势，但限于目前技术水平，仍需加大科研及示范项目的力度，以期寻找性能更优、造价更低的储氢媒介来降低储氢成本，并通过寻找更合适的热源来降低放氢成本。

3 储运成本分析

氢气的运输成本是选择氢气运输方式的重要指标。由于氢气储运方式的多元化以及应用场景的不同，难以对每种成本进行直接比较，需要设定统一的工况和边界条件，在同条件下进行经济性比较。为此，本文作者以目前研究应用较多的从制氢站运输至一定距离的加氢站为应用场景，建立了在该场景下氢气储运成本的计算模型，计算所用的电价、油价和人工费等边界条件数据参考当前市场行情[16]。由于原理类似，本文以高压气态长管拖车运输为例进行具体分析介绍。

3.1 储运成本模型

3.1.1 算法原理

模型的算法原理是从实际加氢站数量和加氢站规模出发，计算所需长管拖车、液氢槽车或固体罐车的数量，从而确定设备投资；然后根据人工、能耗以及折旧成本，计算出氢气的储运成本。长管拖车、液氢槽车和固体罐车这3种方式的运输成本模型的数学原理相差不大，都是利用每天需要运输的次数和长管拖车、液氢槽车或固体罐车每天可运输次数计算出储运车的数量，然后再确定投资与折旧。整个算法的关键在于分析出标量建立模型计算出储氢车及容器的数量。

3.1.2 模型建立

氢气的单位储运成本主要包括设备折旧费、人工费、运输油费、制氢单位的单位氢气压缩费用以及卸氢单位的单位氢气压缩费用，其中设备折旧费、人工费以及油费与储氢容器和车辆相关，因此单位氢气储运成本测算的关键在于，根据氢气规模和运输距离计算出运输设备车辆的数量，令氢气储运成本为Ch（单位：元），则可按模型公式(1)计算：

式中，k1、k2和k3分别为单位氢气的设备投资折旧系数、人工费用系数和运输油费系数，元/千克；Ndd为长管拖车每天需要运输的次数；s为加氢站规模，千克/天；ns为加氢站数量；t1为制氢站内管束灌充氢气的时间，t2为氢源点装、卸管束时间，t3为运输一次路上来回时间，t4为用氢点卸氢时间，tot为整车实际可运营时间，时间单位均为天；mtd参考中集安瑞科控股有限公司的氢气车型号12管Ⅱ型玻纤缠绕车，氢气最大允许充装量为456千克，考虑到拖车在加氢站放氢后剩余压力5 MPa，按照管束温度30 °C进行测算，长管拖车运输一趟可输送的有效氢气量mtd= 324千克，约为标况下3600 米3；Cp1为制氢单位的单位氢气压缩成本（计算得值为0.85元/千克），Cp2为卸氢单位的单位氢气压缩成本（计算得值为0.43元/千克）。

计算出管束和拖车头的数量后，进一步确定设备投资，再加上折旧费、人工费和能耗等得出氢气的储运成本。

3.2 储运成本测算

对于上述3种典型储氢技术的储运成本，可使用模型公式(1)进行计算。由于金属固态储氢技术尚处于实验室研发阶段，而低温液态储氢用于航天军事领域也并无实际运行项目下的基础数据，本文的成本数据基于对相关厂家的走访调研及相关资料基础上，结合设定的边界条件，最终通过公式(1)测算得出。边界条件设定为：用氢单位（加氢站）规模为500千克/天；储运车以20年进行折旧，折旧方式均为直线法；电价0.6元/(千瓦·时)；柴油5.5元/升；工作人员年薪10万元[17-18]。

在上述边界条件下，根据不同的运输距离，如100~1000 km（间隔100 km），需要配置的槽车和车头的数量不尽相同，3种储氢技术的储运成本分别如图5所示。通过对图5分析得出，氢气的储运成本与加氢站的远近即运输距离有关，短距离运输时高压气态储运方式较为经济，距离阈值为500 km，当运输距离小于500 km时，高压气态储运方式是首选，其次是低温液态储氢，而金属镁固态储氢成本最高；当运输距离大于500 km时，低温液态储运成本最低，并且随着距离增加，低温液态储氢技术和金属固态储氢技术的优势更加明显，且低温液态储氢优势尤为突出，而高压气态储氢成本则大幅上升。低温液态储氢技术和金属镁固态储氢技术的运输距离阈值为200 km，当运输距离小于200 km时，低温液态储运方式单位质量氢气储运成本低于金属镁固态储运方式，但两者相差不大。

图5 不同氢储运技术运氢量为500千克/天的储运成本Fig. 5 Storage and transportation cost of different hydrogen storage and transportation technologies with hydrogen transportation capacity of 500 kg/d

4 储氢技术发展趋势

本节将从运输、装载、应用和优劣势等方面对上述3种典型储氢技术进行对比分析，并展望未来的发展趋势。

高压气态储氢目前市场应用最为广泛，通常采用长管束车储运氢，技术层面已经很成熟。其车载用储氢罐装备方面，35 MPa高压储氢罐目前已经是成熟产品，国内生产的氢燃料电池汽车配备的储氢罐主要以35 MPa Ⅲ型瓶为主；而IV型高压储氢罐，国外已经实现在车用领域70 MPa的应用，但国内的研究还处于起步阶段，相关使用标准尚未制订。因此，我国车载储氢领域，未来主要的研发方向在高质量的碳纤维材料和更轻、承压能力能强的高压储罐上，研制出安全可靠、低成本和大容量的车载储氢容器。

低温液态储氢相对于高压气态储氢来说，不论是储氢密度、储氢量还是运输距离都有明显提高。但目前，低温液态储氢技术还存在一些问题，一是氢气液化过程能耗大，实际耗费能量相当于总氢能的30%；二是液氢储罐由于密封、绝热和安全性等问题，对绝热材料的选择标准和储罐设计要求较高，导致制造难度加大，成本高昂。此外，国内的液态储氢技术尚不成熟，缺乏液氢相关的技术标准和政策规范。这在一定程度上阻碍了低温液态储氢技术的发展和应用。目前，液氢工厂的建设成本非常昂贵，关键设备与核心零部件依靠国外进口，而短距离小规模的运氢量又使得液氢的储运成本过高。基于国内氢能的发展现状，未来如果燃料电池车被大规模普及，氢能被大量使用，液态储氢将会很有竞争力，特别对产氢量大的单位和用氢量大的单位更具优势。

金属固态储氢方式由于具备常温常压储氢以及储氢和放氢过程可控等优势，具有较大的发展潜力。国内金属固态储氢技术目前还未实现成熟的商业应用，但首个示范项目已落户山东济宁。金属氢化物储氢技术相对比较前沿，投资总成本在3种储氢方式中处于中间水平，储运成本适中，对于中长距离的运输，其优势更为明显。未来应进一步开发性能更优、造价更低的储氢媒介，以国产设备和零部件代替进口；同时，随着我国氢能源汽车产量的提升，对加氢站和氢气的需求将显著增加，使得氢气的应用市场规模扩大，如能平衡好储氢放热和放氢吸热，进一步降低放氢成本，金属固态储氢技术在氢能领域将会有更加广阔的应用前景。

5 结语与展望

随着氢能产业的发展，储氢技术受到广泛关注。本文对高压气态储氢、低温液态储氢和固态储氢3种典型的储氢技术进行了分析；建立了将氢气从制氢点运输到加氢站的成本计算模型，并对3种储氢技术的经济性进行了对比。分析认为：我国高压气态储氢虽然较为成熟，但储氢罐在承压和储氢密度方面低于国外水平，未来努力的方向是开发出更加安全可靠、低成本、大容量的车载储氢容器；低温液态储氢在国外应用较为广泛，国内仅用于航天及军事领域，优势明显，但储存液化能耗高，目前民用还未形成，未来主要是关键设备与核心零部件的国产化，以推动该技术在商用上的发展；固态储氢具备常温常压储氢、储氢和放氢过程可控等优势，有较大潜力，未来仍需加大科研及示范项目的力度，寻找性能更优、造价更低的储氢媒介来降低储氢和放氢成本。

目前由于各种储氢技术在技术成熟度、安全可靠性、成本造价以及能耗水平等方面存在一定问题，如何提高储运效率、降低储运成本，是未来储氢技术的研发重点。预计2025年以前，我国以高压气氢运输为主，低温液氢运输试点；由于液氢的生产和应用成本具有较强的规模经济性，预计至2035年，将以低温液氢运输为主，高压气氢运输作为补充；至2050年，低温液氢运输和管道气氢运输的使用场景将更为广阔。同时，随着高密度储氢材料及其可逆吸/放氢技术的成熟，固态储氢技术以其在安全性和经济性方面的优势或将成为一种更具前景的技术路线选择。