前瞻科技

压缩机种类	排出压力/MPa	流量/ （Nm³·h^-1）	优点	缺点
往复式压缩机	100	300	技术成熟，适用范围广，操作方便，可频繁启停	结构复杂，运行时噪声较大，低功率下热损失高
隔膜式压缩机	45~70	50~280	技术成熟，密封性好，散热良好，氢气纯度高	结构复杂，不适用于频繁启停，对隔膜的耐腐蚀性和使用寿命要求高
离子液体压缩机	100	376~753	构造简单，维护方便，能耗较低	制造标准与国内不同，引进复杂，价格高
金属氢化物压缩机	70~80	670~950	设备简单，便于维护，无噪声，无振动	仍处于开发阶段，成本较高，采购和运行成本高
电化学压缩机	35~70	0.93~1	设备简单，占地面积小，热损失小，效率高，可同时压缩和净化气态氢	单位时间内压缩氢气流量较小，仍处于开发阶段

压缩机种类	排出压力/MPa	流量/ （Nm³·h^-1）	优点	缺点
往复式压缩机	100	300	技术成熟，适用范围广，操作方便，可频繁启停	结构复杂，运行时噪声较大，低功率下热损失高
隔膜式压缩机	45~70	50~280	技术成熟，密封性好，散热良好，氢气纯度高	结构复杂，不适用于频繁启停，对隔膜的耐腐蚀性和使用寿命要求高
离子液体压缩机	100	376~753	构造简单，维护方便，能耗较低	制造标准与国内不同，引进复杂，价格高
金属氢化物压缩机	70~80	670~950	设备简单，便于维护，无噪声，无振动	仍处于开发阶段，成本较高，采购和运行成本高
电化学压缩机	35~70	0.93~1	设备简单，占地面积小，热损失小，效率高，可同时压缩和净化气态氢	单位时间内压缩氢气流量较小，仍处于开发阶段

类型	材质	工作压力/MPa	质量储氢密度/%	体积储氢密度/（g·L^-1）	使用寿命/a	成本
Ⅰ型	纯钢质金属瓶	17.5~20.0	≈1.0	≈16	15	低
Ⅱ型	钢质内胆纤维缠绕瓶	26.3~30.0	≈1.5	≈16	15	中等
Ⅲ型	铝内胆纤维缠绕瓶	30.0~70.0	≈2.5~4.0	≈40	15~20	最高
Ⅳ型	塑料内胆纤维缠绕瓶	>70.0	≈2.5~6.0	≈40	15~20	高

类型	材质	工作压力/MPa	质量储氢密度/%	体积储氢密度/（g·L^-1）	使用寿命/a	成本
Ⅰ型	纯钢质金属瓶	17.5~20.0	≈1.0	≈16	15	低
Ⅱ型	钢质内胆纤维缠绕瓶	26.3~30.0	≈1.5	≈16	15	中等
Ⅲ型	铝内胆纤维缠绕瓶	30.0~70.0	≈2.5~4.0	≈40	15~20	最高
Ⅳ型	塑料内胆纤维缠绕瓶	>70.0	≈2.5~6.0	≈40	15~20	高

材料（示例）	强度/MPa	导热系数/ （W⸱m^-1⸱K^-1）	密度/ （g⸱cm^-3）	优势	挑战和研究重点	应用
奥氏体不锈钢（316L）	490	15	7.9	抗氢脆性好、低温性能较好、焊接性和耐腐蚀性较好	特定条件低温力学性能有待提升	液氢储运、特别是陆地运输
钛合金（T4）	895	8	4.5	强度高、重量轻、低温性能好	较难焊接、加工成本高	液体火箭发动机领域
铝合金（AL2014）	410	164	2.7	重量轻、易加工成型、焊接性和耐腐蚀性较好	优化焊接性能及焊接后的低温力学性能、提高耐腐蚀性	航天领域
碳纤维增强复合材料（CFRP）	1 200	1	1.6	强度高、重量轻、导热系数低	氢气渗透	航天领域

材料（示例）	强度/MPa	导热系数/ （W⸱m^-1⸱K^-1）	密度/ （g⸱cm^-3）	优势	挑战和研究重点	应用
奥氏体不锈钢（316L）	490	15	7.9	抗氢脆性好、低温性能较好、焊接性和耐腐蚀性较好	特定条件低温力学性能有待提升	液氢储运、特别是陆地运输
钛合金（T4）	895	8	4.5	强度高、重量轻、低温性能好	较难焊接、加工成本高	液体火箭发动机领域
铝合金（AL2014）	410	164	2.7	重量轻、易加工成型、焊接性和耐腐蚀性较好	优化焊接性能及焊接后的低温力学性能、提高耐腐蚀性	航天领域
碳纤维增强复合材料（CFRP）	1 200	1	1.6	强度高、重量轻、导热系数低	氢气渗透	航天领域

绝热方式	原理	性能/(W·m^-1·K^-1)
常规外绝热	将导热率小的材料填充在绝热对象表面达到绝热效果，绝热层的厚度根据其外表面不会冷凝水的条件来设计	纤维类：0.035~0.050 粉末类：0.019~0.064 泡沫类：0.028~0.064
高真空绝热	绝热夹层空间抽高真空，减少气体对流换热与气体导热	~10^-2
真空粉末绝热	将导热率小的材料填充在真空度相对较低的真空夹层以减少空气的对流传热	~10^-3
真空多层绝热	采用多层反射屏，在高真空绝热的基础上，减少辐射传热，实现高效绝热	10^-6~10^-4
低温冷屏绝热	在真空夹层中设置冷屏，冷屏用液氮或容器中低温液体蒸发的冷蒸汽冷却	—

绝热方式	原理	性能/(W·m^-1·K^-1)
常规外绝热	将导热率小的材料填充在绝热对象表面达到绝热效果，绝热层的厚度根据其外表面不会冷凝水的条件来设计	纤维类：0.035~0.050 粉末类：0.019~0.064 泡沫类：0.028~0.064
高真空绝热	绝热夹层空间抽高真空，减少气体对流换热与气体导热	~10^-2
真空粉末绝热	将导热率小的材料填充在真空度相对较低的真空夹层以减少空气的对流传热	~10^-3
真空多层绝热	采用多层反射屏，在高真空绝热的基础上，减少辐射传热，实现高效绝热	10^-6~10^-4
低温冷屏绝热	在真空夹层中设置冷屏，冷屏用液氮或容器中低温液体蒸发的冷蒸汽冷却	—

类型	代表	理论储氢的质量分数/%	优点	缺点	改进方法	应用
稀土系	LaNi₅	1.4	吸放氢快、易活化、不易中毒	易粉化、容量下降快、成本较高、高倍率放电性能差	合金化、掺杂、表面处理	Ni/MH电池负极、氘氚储存、氢化物热泵、加/脱氢催化剂、氢压缩机
Ti系	TiFe	1.9	循环寿命长、成本低、制备简单	难活化、易毒化	合金化、机械处理表面改性	固定式储氢、加/脱氢催化剂、移动设备、热交换材料
TiMn₂	1.8	易活化、成本低	平台压较高	合金化、熔体快淬、退火、表面处理	Ni/MH电池负极、质子交换膜燃料电池氢源储存、氢压缩机
V系	V-Ti-Cr-Fe	3.8	容量高、平台适中、吸放氢快	成本高、循环寿命差、易毒化	合金化、新工艺、表面处理	大型储能设备和移动设备氢源储存
Mg系	MgH₂	7.6	质量轻、储氢容量高、能量密度高	吸放氢难、动力学慢	合金化、纳米化、添加催化剂	氢提纯与分离、热泵、固态储运氢

类型	代表	理论储氢的质量分数/%	优点	缺点	改进方法	应用
稀土系	LaNi₅	1.4	吸放氢快、易活化、不易中毒	易粉化、容量下降快、成本较高、高倍率放电性能差	合金化、掺杂、表面处理	Ni/MH电池负极、氘氚储存、氢化物热泵、加/脱氢催化剂、氢压缩机
Ti系	TiFe	1.9	循环寿命长、成本低、制备简单	难活化、易毒化	合金化、机械处理表面改性	固定式储氢、加/脱氢催化剂、移动设备、热交换材料
TiMn₂	1.8	易活化、成本低	平台压较高	合金化、熔体快淬、退火、表面处理	Ni/MH电池负极、质子交换膜燃料电池氢源储存、氢压缩机
V系	V-Ti-Cr-Fe	3.8	容量高、平台适中、吸放氢快	成本高、循环寿命差、易毒化	合金化、新工艺、表面处理	大型储能设备和移动设备氢源储存
Mg系	MgH₂	7.6	质量轻、储氢容量高、能量密度高	吸放氢难、动力学慢	合金化、纳米化、添加催化剂	氢提纯与分离、热泵、固态储运氢

氢储运技术的发展现状、挑战及未来方向

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吴朝玲 ^† , 张昱晨 , 杜瑞 , 郭晓娟 , 周锐

前瞻科技 | 综述与述评 2024,3(4): 22-33

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前瞻科技 | 综述与述评 2024, 3(4): 22-33

氢储运技术的发展现状、挑战及未来方向

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吴朝玲^†, 张昱晨, 杜瑞, 郭晓娟, 周锐

作者信息

四川大学材料科学与工程学院，成都 610064

吴朝玲，教授，博士研究生导师。四川大学材料科学与工程学院新能源材料与器件教研中心副主任。中国可再生能源学会氢能专业委员会委员，中国能源研究会氢能专业委员会委员，四川省动力工程学会第五届理事会氢能专业委员会主任委员。主要从事储氢材料及氢能技术、燃料电池连接板等研究。主持国家、省部及其他项目32项。作为主研人员参与产业化项目2项，负责建成两条年产百吨级储氢合金生产线。获2022年高等教育（本科）国家级教学成果奖一等奖。出版专著2部，发表论文180余篇，授权发明专利18件。电子信箱：wuchaoling@scu.edu.cn。

通信作者:

^†

Current State, Challenges, and Development Directions of Hydrogen Storage and Transportation Technologies

Chaoling WU^†, Yuchen ZHANG, Rui DU, Xiaojuan GUO, Rui ZHOU

Affiliations

College of Materials Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610064, China

出版时间: 2024-12-20 doi: 10.3981/j.issn.2097-0781.2024.04.002

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摘要

收起

氢储运技术是氢能产业链中的一个至关重要的环节，可能成为未来新的百亿级产业。目前主流技术包括高压气态储氢、低温液态储氢和低压固态储氢，另外有机液态储氢也在应用示范阶段。文章总结了近年来氢储运技术的研发及应用进展，分析了面临的困难与挑战，展望了未来的研发方向。总体而言，氢储运技术发展前景广阔，但仍需在降低成本、提高效率、确保安全性和提高国产化率等方面不断突破，以推动氢能产业快速发展。

关键词

氢储运技术 / 高压气态储氢 / 低温液态储氢 / 有机液态储氢 / 固态储氢 / 发展与挑战

Abstract

收起

Hydrogen storage and transportation technologies are key components in the hydrogen energy industry chain and have the potential to become an industry with benefits of more than ten billion in the future. Currently, mainstream technologies include high-pressure gas hydrogen storage, low-temperature liquid hydrogen storage, and low-pressure solid hydrogen storage, while organic liquid hydrogen storage is still in the application demonstration phase. This paper reviewed recent research, development, and application advancements in these hydrogen storage and transportation technologies, analyzed the associated challenges, and predicted future research and development directions. Overall, hydrogen storage and transportation technologies show substantial development potential, but continued breakthroughs in cost reduction, efficiency enhancement, safety assurance, and localization improvements are necessary to drive the rapid growth of the hydrogen energy industry.

Key words

hydrogen storage and transportation technology / high-pressure gas hydrogen storage / low-temperature liquid hydrogen storage / organic liquid hydrogen storage / solid hydrogen storage / development and challenge

引用本文

吴朝玲, 张昱晨, 杜瑞, 郭晓娟, 周锐. 氢储运技术的发展现状、挑战及未来方向. 前瞻科技, 2024 , 3 (4) : 22 -33 . DOI: 10.3981/j.issn.2097-0781.2024.04.002

Chaoling WU, Yuchen ZHANG, Rui DU, Xiaojuan GUO, Rui ZHOU. Current State, Challenges, and Development Directions of Hydrogen Storage and Transportation Technologies[J]. Science and Technology Foresight, 2024 , 3 (4) : 22 -33 . DOI: 10.3981/j.issn.2097-0781.2024.04.002

正文

收起

氢能，即氢和氧在化学或者电化学反应中所释放的能量。氢的能量密度极高，达到39.4 kW·h/kg，约为汽油的3倍，焦炭的4.5倍^[1]。氢是自然界最普遍的元素，可由水制取，从而完成来源于水又生成水的自然循环。水又是地球上最为丰富的资源，地球约有70%的面积覆盖着水。

氢能技术可将难以并网的间歇性电能转变为氢能存储起来，被视为支撑可再生能源充分利用的重要方式。氢能也被视为现阶段最为理想、清洁的二次能源载体。在氢能产业链中，处于中游的储氢技术占据着至关重要的位置。它不仅是氢能生产、运输和使用过程中的关键环节，还直接影响着氢能的经济性、安全性和可持续发展。可以说，储氢技术的进步将决定氢能能否在全球范围内实现大规模应用，并最终成为未来能源体系的重要组成部分。氢气是一种质量能量密度高但体积密度低的气体，常温常压下体积庞大且极易扩散，难以直接储存和运输。因此，为了实现氢能的大规模应用，必须开发出高效、安全、经济的储氢技术。这些技术不仅能够将氢气高效地储存，还可以在运输过程中保持其纯度和能量密度，从而提高整个产业链的运作效率。

此外，储氢技术的经济性直接关系到氢能的市场竞争力。当前的储氢技术大多存在能量损失高、设备成本昂贵、操作复杂等问题，导致氢气的储存和运输成本居高不下，制约了氢在能源市场中的竞争力。例如，高压气态储氢虽然技术较为成熟，但需要昂贵的高压容器和复杂的增压系统，目前还依赖国外技术；液态储氢则需要极低（-252 ℃）的温度和高能耗的液化设备；固态储氢虽然安全性和体积储氢密度较高，但储氢材料的开发成本和回收效率仍然是制约其应用的瓶颈。因此，降低储氢技术的成本，特别是材料和设备的成本，是氢能大规模推广的必要条件。

安全性问题是储氢技术面临的另一个重要挑战。氢气具有易燃易爆的特性，特别是在高压气氢或低温液态氢（简称液氢）条件下，储氢系统的设计和操作必须非常谨慎，以防止泄漏或爆炸事故的发生。近年来，虽然储氢技术的安全性得到了显著提升，但在大规模应用中仍存有隐患。例如，高压储氢容器在发生碰撞或受到外力冲击时，可能会发生爆炸；液态储氢由于温度极低，泄漏时会对设备和周围环境造成冷冻伤害；固态储氢材料在吸放氢过程中，可能会产生体积膨胀或变形，影响设备的稳定性。因此，提升储氢技术的安全性，特别是在复杂工况，甚至极端环境下的稳定性，是确保氢能产业链可靠运行的关键。

总体来说，储氢技术在氢能产业链中扮演着不可或缺的角色。它不仅是氢气储存和运输的核心技术，也是影响氢能市场竞争力和可持续发展的关键因素。虽然当前储氢技术仍面临成本高、安全性不足、环境影响等挑战，但随着技术的不断进步和创新，储氢技术有望在未来得到显著提升，推动氢能产业链的全面发展，助力全球能源转型的实现。储氢技术是氢能利用走向实用化、规模化和移动化的关键技术；开发具有高容量、高效、低成本的储氢材料及装备系统已经成为当前氢能发展与利用的重要一环。目前，常用的储氢技术包括高压气态储氢、低温液态储氢、低压固态储氢和有机液态储氢等。这些技术各有优缺点，适用于不同的应用场景，但面临着成本、效率和安全性等挑战。

1 氢储运技术的发展现状

收起

1.1 气态储氢技术

高压氢气储运是指对氢气加压来增加储存密度、压缩体积后以高压气体形式储存在氢气容器中运输的氢储运方式^[2]。高压氢气储运具有充放氢速度快、装备结构简单、温度适应范围广、运营成本低及氢气压缩技术成熟等优点，是目前发展最成熟、应用最普遍的氢储运技术。在该技术中，氢气压缩机和高压储氢罐是最关键的设备。

1.1.1 氢气压缩机

氢气压缩机主要包括往复式活塞压缩机、隔膜式压缩机、离子液体压缩机、金属氢化物压缩机和电化学氢气压缩机等类型。目前，国内加氢站主要使用往复式氢气压缩机和隔膜式氢气压缩机。往复式氢气压缩机（图1）在使用多级配置时可以产生高压氢气，第1级压缩将氢气压力提高到几倍大气压，然后通过第2级至多级达到目标氢压值。由于避免了气体与活塞直接接触，隔膜式氢气压缩机（图2）适用于处理高化学纯度氢气的场景。压缩机中的隔膜一面与氢气接触，另一面与工作油接触，这对它的耐腐蚀性和使用寿命提出了很高要求。为提高压缩机的效率及寿命，目前研究人员已经使用数值模拟来辅助优化设计。

另外一些种类的氢气压缩技术仍处在开发阶段，尚未实现商业化应用。表1为不同氢气压缩机对比。

1.1.2 高压储氢气瓶

高压储氢气瓶作为氢气高压储运的关键技术，经过几十年的发展，目前已研发出四代储氢容器：纯金属储氢气瓶（Ⅰ型）、金属内衬纤维环向缠绕储氢气瓶（Ⅱ型）、金属内衬纤维全缠绕储氢气瓶（Ⅲ型）和非金属内衬纤维全缠绕储氢气瓶（Ⅳ型）^[3]。

氢气体积密度随压力提高而增大，储氢压力容器不断朝着承压能力更高和更轻质的方向发展。目前，I型和II型储氢瓶技术较为成熟，主要用于不超过30 MPa氢压下的氢气储存；而III型和IV型储氢瓶主要用于超过30 MPa的高压储氢。表2为不同储氢瓶对比。

金属内衬纤维环向缠绕储氢气瓶（Ⅱ型）是一种金属与非金属材料相复合的高压容器，具体结构示意如图3所示。Ⅱ型瓶使用复合纤维对金属内衬外侧进行环向缠绕，Ⅲ型瓶使用复合纤维对金属内衬外侧进行完全缠绕。

非金属内衬纤维全缠绕储氢气瓶（Ⅳ型）使用聚合物材料作为衬里，进一步减轻了气瓶的质量，具体结构如图4所示。在相同外径、容积和压力（70 MPa）条件下，Ⅳ型瓶相对于Ⅲ型瓶性能有较大提高^[4]。国外Ⅳ型瓶研发和应用较早，已实现在燃料电池车领域的应用。例如，日本丰田公司开发出额定工作压力为70 MPa的高密度聚合物内胆全纤维缠绕气瓶，质量储氢密度达5.7%，已投入Mirai汽车上使用^[5]。近年来，中国Ⅳ型瓶发展取得了突破。2020年2月底，沈阳斯林达安科新技术有限公司在日本展会上首次展出了一款国产70 MPa储氢Ⅳ型瓶，单位质量储氢密度为5.7%，较Ⅲ型瓶提升了42%，压力循环系数达到44 000次无泄露、破裂。2021年5月，该公司成功获得国内第1张车用Ⅳ型储氢气瓶特种设备制造许可证，标志着中国车用储氢气瓶从此进入Ⅳ型时代。

塑料内胆和碳纤维缠绕层共同决定了Ⅳ型储氢气瓶性能，塑料内胆材料及成型技术、基于塑料内胆的纤维缠绕技术、超高压氢气密封技术及损伤检测技术是当前困扰车载Ⅳ型瓶国产化突破的关键技术问题。温原等^[6]从8种常见滚塑工艺中确认了达到最佳壁厚均匀度的旋转工艺条件，对指导内胆滚塑工艺优化具有重要意义。Ⅳ型瓶通常选用碳纤维缠绕，作为承受储氢气瓶内部高压的主要载体，纤维缠绕技术和固化质量直接决定了气瓶的耐压等级和使用寿命。Hu等^[7]针对70 MPa IV型储氢气瓶设计了多种叠层方案，通过实验测试得出环箍和螺旋层分离的叠层模型可以提高爆破压力，螺旋缠绕角由大到小的分布也可以提高爆破压力。此外，环箍和螺旋层交替的叠层模型的孔隙率低于环箍和螺旋层分离的模型。

1.2 液态储氢技术

液态储氢技术可分为低温液态氢储存技术和有机液态氢储存技术。低温液态氢储存是一种物理储氢方式，将氢气液化后储存在真空绝热容器中，储存难度大，但具有较高储氢密度。低温液态氢储存技术关键在于低温材料、绝热技术及液氢储罐的突破。目前，国内液氢主要用于航天领域。有机液态储氢属于化学储氢方式，通过催化加氢反应，将氢气固定到不饱和有机物中，生成液态有机氢载体，运输到用氢端通过脱氢反应释放氢气，脱氢产物可返回加氢反应器中实现循环利用。有机液态储氢技术具有较高的质量储氢密度，满足美国能源部制定的车载储氢需求。该技术的突破关键在于高密度有机氢载体筛选、催化剂选择，并在此基础上，异地实现高效率低能耗加氢和脱氢。

1.2.1 低温液态储氢

低温液态储氢是现有储氢技术中有效质量储氢密度最大的方式，通过将氢气压缩后再深冷至-252 ℃得到液态氢，然后将其储存在特制的绝热容器中^[8]。液氢具有高的体积储氢密度，在标准大气压下液氢密度可达70.78 kg/m³，是标况氢气密度的850倍。液氢储存可分为固定式储存和移动式储存。固定式储存是指在液氢生产场所、终端用户处和氢燃料发电场进行的现场储存；移动式储存是指卡车或船舶运输过程中储存液态氢，或液氢作为飞机和汽车等交通工具的燃料供应储存。液氢储运技术具有纯度高、远距离输运成本低、加注效率高等优点，在大规模、远距离氢能储运领域具有巨大潜力，是氢储运技术的重要发展方向^[9]。

液氢与外界环境存在巨大的温差，为避免液氢的蒸发损失，需使用具有良好绝热性能的低温液体存储容器，即液氢储罐。液氢储罐的设计需考虑的因素众多，主要包括罐形设计、罐体材料、绝热技术选择等。这些也是液氢储存技术研究的重点内容。

低温液体储罐是一项相对成熟的技术，储罐的日蒸发率一般随着储罐的尺寸增大而减小。常见的储罐外形主要包括球形和圆筒形两类，具有良好绝热性能和低比表面积的球形罐可以将液氢日蒸发量限制在0.1%以下，但球形储罐制造难度大，生产成本高，常用作大规模固定式液氢储罐^[10]。圆筒形储罐具有比球形储罐大的比表面积，通常需要更厚的壁层保证应力分布均匀，生产工艺相对简单，应用更广泛，日蒸发损失率比球形储罐大，通常作为陆运液氢储罐^[11]。球形储罐一般适用于储存容积大于200 m³，而圆筒形储罐更适合用于容积小于500 m³的液氢储存。

液氢储罐主体材料对低温性能及耐氢性有着极高的要求，需特别注意材料的低温力学性能，以及氢脆、氢渗透等问题。内罐材料的研究开发和选择应用是液氢储罐建造最核心的技术。目前，常用液氢储罐材料主要有奥氏体不锈钢、钛合金、铝合金及碳纤维增强复合材料。表3^[12]给出了常见的储罐材料性能及其面临的挑战和研究重点等。国内液氢储罐多采用金属材料，技术相对成熟，如“50工程”氢氧发动机试车配套的100 m³液氢储罐内胆采用了304不锈钢；海南大运载发射场的300 m³液氢运输槽车内胆使用了321不锈钢^[13-14]。

低温绝热技术是实现液氢储存低损耗或零损耗的核心技术。常用低温绝热技术主要有常规外绝热、高真空绝热、真空粉末绝热、真空多层绝热、低温冷屏绝热等方式，绝热技术原理及性能如表4^[15]所示。近年来，研究人员对多层绝热材料的层密度优化，开发出变密度高真空多层绝热及变密度高真空多屏绝热两种新型的绝热技术，为减少低温液体的蒸发损失提供了新选择^[16]。

国内液氢储罐的发展应加快关键技术的突破、高性能低温绝热材料的开发，以及相关技术的实验研究和计算模拟，推进液氢储罐设计、建造和安全管理的标准体系制定，建立液氢储罐示范性工程应用。

1.2.2 有机液态储氢技术

有机液态储氢技术将不饱和液态有机化合物作为储氢载体，通过加氢反应将氢气固定，达到储氢目的，再利用催化剂，在一定温度和压力的条件下通过脱氢反应将液态有机储氢载体中的氢释放利用。有机液态储氢技术可借助现有的石油尤其是成品油储运系统，实现氢能在常温常压下的储存和长距离运输，显著降低氢能后期规模化应用的运输成本。

有机液态储氢技术的核心是储氢载体的选择。理论上，能够进行加氢反应的不饱和有机物如烯烃、芳香烃等均可以作为储氢介质，但受到有机液态氢载体的理化性质、储氢密度、加脱氢反应条件、催化剂稳定性和寿命、脱氢产物再利用及节能环保等因素的影响，只有少数有机化合物作为储氢载体实现商业化应用。

目前，研究较多的有机储氢载体主要包括环己烷、甲基环己烷、四氢化萘、二苄基甲苯等。日本千代田公司以甲基环己烷作为储氢载体，Pt作为脱氢催化剂，建立了全球氢供应链示范工场，但甲基环己烷具有较高的脱氢焓，脱氢条件较苛刻、反应剧烈，反应温度通常超过200 ℃，应用仍受限制；德国Hydrogenious公司利用二苄基甲苯的异构体作为有机液体储氢载体，实现了H₂的大容量储运^[17]。随着有机液态储氢载体研究的不断深入，更多新型小分子有机物可逆催化加脱氢受到关注，如乙基咔唑、吩嗪、吲哚和2,5-二甲基-1,5-萘啶等，具有高的质量储氢密度及实用性^[12]。尽管已开发多种有机液态氢载体，但催化剂是制约有机液态储氢技术应用的关键问题，还需研发脱氢效率高、稳定性好、脱氢温度低和成本低的催化剂。

国内有机液态氢储运技术正在向工业应用转化。中化学科学技术研究有限公司建立了国内首套甲苯-甲基环己烷有机液态储氢中试示范装置，规模达300 kg/d；武汉氢阳能源有限公司建立了日供氢400 kg、相距1 463 km的加氢、运氢及脱氢一体化示范应用装置^[18]。

1.3 低压固态储运氢

1.3.1 低压固态储氢技术

在众多储氢技术中，低压固态储氢因其高体积储氢密度、高安全性和高能效，近年来备受学界和产业关注。2022年12月，上海交通大学试制出世界首台标准化镁基固态储氢车。2023年3月，国家重点研发项目固态氢能发电并网率先在广州和昆明同时实现，在中国首次将光伏发电制成固态氢能应用于电力系统。

固态储氢是通过物理吸附或化学反应将氢气储存在固体材料中，主要分为以下4类。

（1）金属或合金储氢。金属或合金储氢是固态储氢技术中最早被发现和实用化的一类材料。其储氢原理是利用某些金属或合金与氢气反应生成氢化物，通过控制温度和压力实现氢气的可逆吸收和释放。典型的储氢合金包括稀土系合金（LaNi₅）、钛铁合金（TiFe）、钛锰合金（TiMn₂）、钒基合金（VTiCr）、镁基合金（MgH₂）等。

（2）复杂氢化物储氢。复杂氢化物是指一些轻质金属/类金属元素（如铝、硼）与氢气形成共价键基团、再与金属形成离子键的化合物。这类材料的储氢密度较高，但其放氢过程通常需要较高的温度。典型的复杂氢化物材料包括锂硼氢化物（LiBH₄）、钠铝氢化物（NaAlH₄）等。

（3）纳米材料储氢。纳米材料因其特殊的表面效应和量子尺寸效应，在储氢领域显示出独特的优势。纳米碳材料（如石墨烯、碳纳米管）、纳米金属颗粒等都被研究用于固态储氢。

（4）金属有机框架结构材料（Metal-organic Frameworks, MOFs）储氢。金属有机框架结构是一类新型的多孔材料，其结构中包含大量的孔隙和金属位点，能够通过物理吸附和化学吸附储存大量氢气。

储氢合金因其高安全性和高体积储氢密度，成为固态储氢技术研发的热点。典型的储氢合金包括稀土系、钛系、钒系等室温型储氢合金系列，以及镁系等高温型储氢合金系列（表5）。

1.3.2 稀土系储氢合金

稀土系储氢合金的典型代表是LaNi₅合金，是被较早研究，且在中国、日本等国家已实现大规模产业化的Ni/MH电池负极材料。LaNi₅合金可在室温和较低氢压下与氢反应形成LaNi₅H₆金属氢化物，理论储氢的质量分数为1.4%。该类合金具有吸放氢速度快、活化性能好、合适的吸放氢平台压、不易中毒等优点，但该合金存在吸放氢前后体积膨胀和收缩幅度较大，合金在吸放氢过程中持续粉化导致容量快速下降，且原料成本较高、高倍率放电性能差等问题。

1.3.3 Ti系储氢合金

钛可以与多种金属元素形成储氢合金，常见的有AB型的TiFe和具有Laves相结构的AB₂型合金TiMn₂等。钛系储氢合金的典型代表之一是TiFe，理论上室温下可吸收质量分数为1.8%的氢气，高于以LaNi₅为代表的稀土系合金，且具有优异的循环性能，原材料丰富、价格便宜、制备简单，但是该合金具有难活化、抗杂质气体毒化能力弱等问题。

TiMn₂是钛系合金的另一典型代表，储氢容量高（质量分数1.8%），比TiFe合金易活化，被用作Ni/MH电池负极材料，但相较于LaNi₅合金活化性能低，且倍率放电性能较差。此外，作为用于质子交换膜燃料电池的储氢材料之一，室温下平台压较高（>2 MPa），限制了其发展^[18]。

此外，还有以ZrV₂为代表的锆基合金，该类合金由于在室温下具有较低的平台压（3.3×10^‒8 MPa），主要用作吸气剂在电子真空器件中得到广泛应用。

1.3.4 钒基储氢合金

钒基储氢合金由于具有较高的储氢容量（质量分数≈3.8%）、温和的吸放氢条件、优异的动力学性能等特性，被认为是最有希望实现大规模储氢的储氢材料之一。然而，纯钒高昂的价格导致钒基储氢合金的成本居高不下，初始吸氢难活化、易毒化、循环稳定性较差，以及稳定的低平台一氢化物导致合金的有效储氢量不高等问题，是限制钒基合金发展的主要原因。目前，关于钒基储氢合金的研究主要着重于提高其有效储氢容量、循环寿命、活化性能和降低成本等方面。抑制低平台压的一氢化物生成以获得高有效储氢容量和延长合金吸放氢循环寿命是钒基储氢合金需要持续研究的热点问题。采用廉价钒源、发展规模制备新工艺，持续降低合金原材料和制造成本是钒基储氢合金市场化的必由之路。四川大学已开发出可逆储氢质量分数超过2.5%、循环2 000次容量衰减小于10%的V-Ti-Cr-Fe储氢合金，入选2023年中国稀土十大科技新闻。

1.3.5 Mg系储氢合金

MgH₂具有较高的储氢容量（质量分数7.6%），能量密度高（9 MJ/kg），吸放氢可逆性较好，且质量轻、原材料储备丰富、成本低，备受业界关注。然而，Mg基储氢材料最大的问题是其吸放氢条件苛刻，通常Mg需要在300~400 ℃、氢压>2 MPa下才能吸氢；同时，生成的氢化物稳定性高，在常温常压下氢气无法释放，一般需要在350 ℃以上才能释放氢气，且放氢动力学缓慢，这些问题限制了Mg基储氢合金的发展。

2 储氢技术存在的难点及挑战

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2.1 高压气态储氢技术

高压气态储氢技术成熟，但存在以下问题和挑战。

（1）安全性问题。高压氢气储罐面临爆炸、泄漏和材料失效等安全风险，尤其在氢燃料电池车供氢系统压力不断提高的背景下，安全要求更加严格。

（2）设备制备与使用标准不够完善。中国高压储氢设备的设计、制造和使用标准仍不完善，缺乏具体方法和技术细节的规定，需要尽快补充和完善相关标准体系。

（3）材料性能数据库的建立。国内相关研究较少，多依赖国外数据，需通过理论分析和实验仿真等手段，建立中国自有的储氢设备相关材料性能数据库，以推动国产化进程。

2.2 液态储氢技术

尽管液态储氢的体积密度高达71 kg H₂/m³，比高压气态储氢和固态储氢具有更高的储氢效率，但该技术仍面临诸多难点和痛点。

（1）能耗高。将氢气冷却至液态需要消耗大量能源，约占氢气总能量的30%~40%。这种高能耗不仅增加了储氢过程的成本，还限制了液态储氢技术在能源效率上的优势。

（2）储存系统的绝热性能。液态氢需要在超低温条件下储存，因此储存系统的绝热性至关重要。然而，绝热材料的性能和设计难以达到完美，随着时间的推移，储罐会有一定的泄漏或气化损失，这意味着储氢系统存在氢气损失和能源浪费的问题。

（3）储罐安全性。液态氢具有极强的挥发性和易燃性，一旦泄漏可能会引发火灾和爆炸。此外，超低温下的液态氢会对储罐材料造成应力损伤，使材料在反复冷却和加热过程中出现脆裂或损坏，从而增加安全隐患。

（4）有机液态氢储运技术是近年来新兴氢储运技术，是有潜力弥补氢能产业链储运短板的一种途径，但目前该技术还存在脱氢条件苛刻、脱氢能耗大、催化剂技术等关键问题亟待解决。此外，还需进一步突破储氢密度、脱氢能耗、脱氢温度、氢气纯度、循环损耗等关键指标，进行有机氢载体的筛选。

2.3 固态储氢技术

与高压气态储氢和低温液态储氢相比，固态储氢方法具有更高的体积储氢密度和安全性，但目前大多数固态储氢材料的成本较高、制备工艺复杂，实现大规模应用尚需突破诸多障碍。

1）储氢材料本征特性尚需提升

（1）吸放氢动力学性能。固态储氢材料的吸放氢动力学性能是影响其实际应用的重要因素。目前，一些固态储氢材料（如硼氢化物、镁基氢化物等）在吸放氢过程中存在反应速率慢、反应温度高等问题，与实际应用需求有差距。

（2）循环稳定性。固态储氢材料在多次吸放氢循环过程中，通常会出现储氢容量下降、材料微观组织结构破坏等问题，削弱其长期稳定性。

（3）材料的安全和环保性。固态储氢材料在使用过程中，可能会产生一些有害物质，影响环境和人类健康。例如，一些氢化物在放氢过程中会产生氨气等有害气体，需要采取有效的处理措施。此外，固态储氢材料在使用和回收过程中，可能存在易燃、泄漏和污染风险，需要建立完善的安全管理体系。

2）储氢系统的综合性能还有发展空间

储氢系统如要达到接近理论值的高体积储氢密度，尚需持续探索和优化材料成型和装填工艺。此外，储氢材料吸氢是放热过程、放氢是吸热过程。因此，为达到更优的热质耦合效果，还需探索新的工艺技术。

3 对策建议

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3.1 高压气态储氢技术

高压气态储氢技术尽管面临安全性、标准化、国产化和材料性能等多重挑战，但通过技术创新、标准完善和政策支持，有望在未来实现技术的突破和大规模推广，为氢能产业的持续发展提供有力支撑。

（1）提升安全性设计。采用多层防护结构和抗氢脆材料，确保储氢罐在高压下的安全性能。同时，通过引入自动化监测和报警系统，及时检测和处理可能的泄漏和材料失效风险，增强设备的安全可靠性。

（2）完善标准体系。加快制定和完善高压气态储氢设备的设计、制造、测试和使用标准，并与国际标准接轨，以提升设备的安全性和适用性。鼓励企业、科研机构和标准化组织的合作，共同推动相关标准体系的建设。

（3）建立自主材料数据库。通过实验室实验和仿真手段，建立基于本土材料特性的性能数据库，提升设备设计的可靠性和精准性。加强与科研机构的合作，优化材料的耐压性和抗氢脆性，推动材料技术的进步。

（4）改进材料性能，解决氢脆问题。研发新型合金和复合材料，提高材料的抗氢脆性和耐久性。在材料表面进行特殊涂层处理，以增加抗渗透能力、延长材料寿命。通过材料性能数据库的建立和实验研究，优化高压储氢罐的材料选择，提升材料的耐高压、抗氢脆和抗腐蚀性能。

3.2 液态储氢技术

液态储氢技术在提升储氢密度和长途运输能力上有着不可替代的优势，但要实现其大规模推广，还需在冷却、保温、设备国产化等方面不断突破技术瓶颈。通过协同创新和技术进步，有望在未来实现液态储氢的高效、安全、经济发展。

（1）开发高效低能耗冷却技术。通过技术创新和设备升级，优化冷却过程中的能源利用效率。例如，采用先进的回热循环和冷能回收技术，减少液态氢制备过程中的能源消耗。同时，加大对超低温绝热材料和技术的研发，进一步提升冷却效率。

（2）提高液氢储罐的密封性和安全性。采用多层绝热、真空绝热和复合材料设计，减少氢气的泄漏和挥发。通过精密制造和工艺控制，确保储罐的密封性和结构稳定性。此外，还可在储罐内部引入自动检测系统，实现泄漏预警和快速反应。

（3）加速保温材料的创新研发。研发具有高绝热性能的新型复合材料，如纳米气凝胶、低温超导材料等，以提高液态储氢装置的保温效果。同时，通过纳米级材料的应用和结构优化，提高保温材料的导热性和机械强度，确保在极低温环境下的稳定性。

3.3 固态储氢技术

固态储氢技术作为氢能储存的重要方式之一，具有广阔的应用前景。尽管目前固态储氢技术面临着材料成本高、吸放氢动力学性能和循环稳定性不足等挑战，但随着科学技术的不断进步，未来有望通过新型材料的开发、材料结构和性能的优化、储氢系统的集成和优化，实现固态储氢技术的突破和高速发展。

（1）开发新型储氢材料。通过纳米化、复合化和合金化等手段，提高固态储氢材料的吸放氢性能。例如，将纳米材料与传统氢化物材料复合，可以在降低反应温度的同时加速吸放氢过程。此外，可探索轻元素和稀土元素的应用，以降低材料成本。

（2）提高循环稳定性。通过改进材料的微观结构和表面修饰技术，增强固态储氢材料的循环性能。例如，在材料表面进行保护性涂层处理，以减少氢化物在吸放氢过程中的结构损伤。还可采用优化热处理工艺，提高材料的晶格稳定性和抗氧化能力。

（3）降低材料成本，实现大规模生产。通过优化合成工艺和选材策略，降低固态储氢材料的生产成本。同时，可通过引入可再生资源和廉价原材料，进一步提高经济性和可持续性。

（4）加强安全和环保措施。在固态储氢系统中，加入气体过滤装置或吸附剂，以有效去除有害气体。此外，应建立健全的安全管理体系和材料回收机制，确保在生产、使用和回收过程中安全、环保。

4 结束语

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氢储运技术是氢能产业链中最关键的一环，基于中国未来燃料电池市场规模等预测，依托有效的氢储运技术未来有望成为百亿级新产业。目前，主流的氢储运技术包括高压气态储氢、低温液态储氢、低压固态储氢和有机液态储氢。高压气态储氢技术较为成熟，已广泛应用于输运氢和氢燃料电池车等领域。使用复合材料制造的高压气瓶可以在70 MPa的压力下储存氢气，大大提高了储氢密度。液态储氢通过将氢气压缩后冷却，并以液态形式储存。尽管需要氢热值的约1/3用于冷却，但液态氢的储存密度高，适合中长距离、大规模运输。而固态储氢利用储氢合金等材料将氢气储存在固态介质中，这种方法具有高的体积储氢密度和安全性，但目前仍面临材料成本高、吸放氢速度慢等问题。有机液态储氢运输便捷、储氢密度较高，但需要在高温、催化条件下加氢和脱氢，应用场景受限。

无论是高压气态、低温液态、固态，还是有机液态储氢，目前均需要较高的材料和装备成本。因此，降低装备的制造和运维成本是氢储运技术广泛应用的一个关键问题。同时，氢气的制备、压缩、液化及释放过程中均存在能量损失，因此提高能量转换效率、降低能耗，是储运氢技术发展的重要方向。氢气具有高度易燃性和扩散性，因此储运过程中存在泄漏和爆炸风险。开发高安全的储氢材料和储氢技术，建立完善的安全管理体系，是保证氢能应用的重要前提。另外，氢储运需要完善的基础设施，包括加氢站、运输管道等，基础设施的建设和布局需要巨大的投资和长期的规划。

综上所述，氢储运技术的发展潜力巨大，但仍面临诸多挑战。未来的研究需要在降低成本、提高效率和确保安全性方面不断突破，以推动氢能产业链的全面、健康发展。

基金

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国家重点研发计划(2022YFB3803700)
四川省重点研发计划(2024YFNH0020)
四川省重点研发计划(2022YFG0116)

参考文献

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文献

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2024年第3卷第4期

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doi: 10.3981/j.issn.2097-0781.2024.04.002

接收时间：2024-10-10
出版时间：2024-12-20
发布时间：2024-12-24

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收稿日期：2024-10-10
修回日期：2024-10-20

基金

国家重点研发计划(2022YFB3803700)

四川省重点研发计划(2024YFNH0020)

四川省重点研发计划(2022YFG0116)

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四川大学材料科学与工程学院，成都 610064

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表12种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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