氢能发展的意义及储氢技术现状

朱峰1,2吴迪1,2张庆1,2廖辰宇1,2郭小虎1,2

1西安航天动力研究所 陕西西安 710100   2西安航天源动力工程有限公司 陕西西安 710100

摘要：在现代化工业发展期间，对于能源的需求量与日俱增，氢能的利用能够有效实现深度脱碳。氢是各类异质能源的转换中介，各类异质能源通过转换为氢，向各类用能终端传输、存储和应用。相对于直接使用电力，氢在成本、效率和安全等方面面临挑战。但是，氢具有自身的优势，可长期存储，也可以作为低碳原料和燃料。氢能产业作为战略性新兴产业，处在产业发展的导入期。氢能产业高质量发展，将成为工业碳中和的助推器。在电力行业，氢作为可再生能源的载体发挥储能的作用，与可再生能源协同，成为低碳能源体系的重要组成部分。在交通行业，氢燃料动力在中重型运输和船舶等细分市场已经具有了一定竞争力。在工业行业，难以直接使用电力和难以脱碳的场景，如在钢铁和化学等行业中，氢作为深度脱碳解决方案具有不可替代的优势。

关键词：氢能；意义；储氢技术

引言

自2019年氢能元年以来，中国氢能产业发展一直处于加速发展阶段，新冠肺炎疫情的发生虽然对社会经济生活造成较大影响，但对氢能产业影响相对较少。国际上，地缘冲突加剧了各国对化石能源严重依赖的恐惧，进一步激发了世界多国发展包括氢能在内的新能源来应对化石能源依赖的决心，给国际氢能贸易带来了更多的机遇。随着疫情的新变化，中国氢能产业发展迎来了新阶段，会面临新问题，同时充满新机遇。

1氢能发展意义

目前，石油、煤和天然气三大化石能源是全球能源供应的主要来源，且能源需求一直在不断增长。化石能源的不可再生性、储备有限性以及其引起的环境污染问题都迫切呼唤着新的可再生、清洁化能源的开发与利用。风能、光能作为在自然界中无限的清洁能源已经在发展和利用，如风力和光伏发电，然而，风能和光能不能轻易被控制，由此转化而得的电能是一种无形的能量媒介，电能的存储、运输相比化学燃料要困难得多。氢能具有来源广泛、清洁环保、灵活高效等特点，既是清洁能源，又是推动传统化石能源清洁高效利用和支撑可再生源大规模发展的理想互联媒介。此外，氢能产业涉及能源、化工、交通等多个行业，其发展必将带动上下游产业的发展，提供经济增长强劲动力。

2氢能存储要求

近年来，随着对天然气的需求量大大增加，在地表面开挖大的基坑或者槽，在基坑或槽的内表面及地表面用无锈钢板、绝热层和混凝土共同作为的密封层来储存天然气。氢气储存气压与LNG存储类似，但由于氢气具有易于扩散的特性，氢气的地下储存对密闭性有着更为严格的要求。如重庆半山环道综合加氢站，为国内首座应用储氢井技术的加氢站，采用地下储氢，每日供氢能力可达1t。超高性能混凝土、超高韧性水泥基复合材料等高性能混凝土可满足地下、半地下氢气储存库建设的需求。

3储氢技术

3.1高压微管储氢技术

高压微管储氢技术，即玻璃毛细管阵列储氢技术，是在一定的低温高压条件下，利用直径小于200μm的玻璃毛细管所具有的极高机械柔韧性能，将氢气储存在微米级的中空玻璃毛细管、管束或阵列中，用于氢气储存、运输和加注的技术。微管储氢技术本质上属于高压气相储氢，最大变化是储存媒介由钢制储氢瓶／罐变为玻璃微管。

3.2化合物储氢技术

金属合金储氢技术是在一定的温度与压力下，金属合金与氢气形成金属氢化物进行氢气存储，该技术不需要高压设备及液化装置，用氢时可通过加热或减压将氢释放，操作简便，安全可逆，在标准状态下可吸收自身体积1300倍的氢气，体积储氢密度高，储氢压力低、放氢温度低、安全性高等优势。此外，该技术储氢时放热，放氢时吸热，在储储氢的同时可实现热的储存与传递。金属合金储氢技术可将氢气变身为“固态油箱”，合金储氢材料的循环性能大于5000次，适用于燃料电池汽车、重型卡车、叉车、轮船、氢能发电及工业和建筑供热等。目前，国外金属合金储氢技术在分布式发电和燃料电池游艇中尝试应用，国内的研发主要在汽车行业已经形成了从原料开发、分离、合金制备的完整产业链，部分国产产品成功进入到松下、三星、比亚迪等企业。此外，我国混合动力汽车镍氢电池、燃料电池用高功率型储氢合金粉也取得了较大的研发进展，部分产品已进入一汽、二汽、长安、奇瑞等车企。丰田普锐斯混合动力汽车每辆汽车用储氢合金8kg，目前其销量已超1000万辆，其用量可观。

3.3金属氢化物储氢技术

金属氢化物储氢指是利用过渡金属或合金与氢反应，以金属氢化物形式吸附氢的储氢方式，应用过程中通过加热金属氢化物释放氢。该方法的优点是存储容量大、运输方便、成本低、纯度高（加热释放出的氢纯度可达到99.999%以上）、安全性高等，适合在燃料电池汽车上使用。但该方法距离大规模应用还有一定距离，主要是因为该存储方式质量储氢率低（即以质量分数计，仅能储存2%～4%的氢气）、储氢合金价格昂贵、储氢结构复杂（化学反应过程过需要释放大量的热，必须增加换热设备）、抗杂质气体中毒能力差（氢化物自身很不稳定，易受有害杂质组分的毒害，多次使用之后性能明显下降）。因此，要将金属氢化物储氢大规模应用，还需进一步提高质量储氢密度、降低分解氢的温度与压力、延长使用寿命等。同时，由于储氢结构复杂，还需要解决储罐的体积膨胀、传热、气体流动等问题。GB/T33292-2016《燃料电池备用电源用金属氢化物储氢系统》标准规定了燃料电池备用电源用金属氢化物储氢系统的术语和定义、命名、技术要求、试验与检测、标志及包装等，适用于工业用、商业用固定式燃料电池备用电源用金属氢化物储氢系统。由TC309（全国氢能标准化技术委员会）归口上报执行的国家标准计划《移动式金属氢化物可逆储放氢系统》已经进入公开征求意见阶段。

3.4高压储氢技术

高压气态储氢主要通过储氢瓶或储氢罐存储气氢，是我国目前最为常见的储氢方式，技术更为成熟，从原材料到储氢瓶的发展上都呈现出日益完善的趋势。我国如碳纤维等高压储氢瓶的关键原材料的国产化程度在逐年提升。随着国家对新能源、新材料的重视，未来碳纤维生产工艺的日臻完善、规模效应逐渐显现，碳纤维生产的单位成本逐年下降，其国产化还会进一步提速，我国气氢储能也将进一步发展，迸发出更加巨大的潜力。目前国外主流气氢存储系统多为质量更轻、工作压力更大、能储存更多氢气的70MPa塑料内胆纤维，缠绕Ⅳ型瓶组。而我国则以30MPa的Ⅲ型瓶为主。但近年来，随着车载储氢瓶的兴起，我国储氢罐逐渐向更轻质化、储存密度更高的70MPaⅣ型瓶靠拢，已有相当数量的国内企业开始布局IV型瓶的技术研发与制造。

结语

氢能与燃料电池是全球能源技术革命的重要方向，是应对全球气候变化、保障国家能源供应安全和实现可持续发展的战略选择，氢燃料电池也是汽车产业未来发展的战略制高点。氢能储运是氢能源产业发展中的关键环节，储氢技术是限制氢能大规模产业化发展的重要瓶颈。中国氢能联盟发布的《中国氢能源及燃料电池产业白皮书（2019版）》预测，氢能储运将按照“低压到高压”、“气态到多相态”的方向发展，逐步提高氢气储存和运输的能力。

参考文献

[1]朱明原,刘文博,刘杨,等.氢能与燃料电池关键科学技术:挑战与前景[J].上海大学学报(自然科学版),2021,27(03):411-443.

[2]冯艳冰.表面多孔微通道制氢反应器的设计与制造基础研究[D].浙江大学,2019.

[3]陈祖志,管坚,黄强华,等.氢能产业发展现状及其对特种设备行业的机遇和挑战[J].中国特种设备安全,2019,35(09):1-13+28.