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作为氢气从生产到利用过程中的桥梁，储氢技术贯穿产业链氢能端至燃料电池端，是控制氢气成本的重要环节，同时氢气的储存方式也是人们非常关心的问题。氢气能量密度高，是汽油的3倍；重量轻，11.2立方米的氢气重量只有1公斤；因为密度远远小于空气，所以非常容易散失；而且它还容易和很多物质发生化学反应，因此其在存储方面面临很多挑战。
储氢技术的关键在于提高氢气能量密度。美国能源部要求2025年国内车载氢能电池的氢气质量密度（即释放出的氢气质量与总质量之比）须达到5.5%，最终目标是6.5%。国际能源署规定的未来新型储氢材料的储氢质量标准为5%。美国2010年到2015年的体积储氢容量分别为45g/L和81g/L、存储成本分别为4美元／kWh和2美元／kWh。同时氢气为易燃、易爆气体，当氢气浓度为4.1%-74.2%时，遇火即爆。因此评价储氢技术优劣，还必须考虑安全性。
目前常用的储氢技术主要包括物理储氢、化学储氢与其它储氢，不同的储氢方式应用场景不同，通常物理储氢技术成熟，化学储氢更有前瞻性。从细分领域看，已经有11种储氢方式在不同的应用领域已经或者将要使用。目前技术上并不能说哪种技术是具备独占性优势的，很多技术在实验室和量产方面会存在较大差异，因此，一些前沿技术需要经过时间和市场的双重考验。
01
技术最为成熟的物理储氢
物理储氢技术是指单纯地通过改变储氢条件提高氢气密度，以实现储氢的技术。该技术为纯物理过程，无需储氢介质，成本较低，且易放氢，氢气浓度较高。主要分为高压气态储氢与低温液化储氢。
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高压气态储氢：
发展最成熟、最常用的储氢技术
高压气态储氢技术是指在高压下，将氢气压缩，以高密度气态形式储存。
该技术的储氢密度受压力影响较大，压力又受储罐材质限制，因此，目前研究热点在于储罐材质的改进。研究发现氢气质量密度随压力增加而增加，在30～40 MPa时，增加较快，当压力大于70 MPa时，变化很小。因此，储罐工作压力须在35～70 MPa。故寻找轻质、耐高压的储氢罐成为了高压气态储氢的关键。目前，高压气态储氢容器主要分为纯钢制金属瓶(I型)，钢制内胆纤维环向缠绕瓶(II型)，铝内胆纤维全缠绕瓶(III型)及塑料内胆纤维缠绕瓶(IV型)4个类型。其中III型瓶和IV型瓶具有重容比小、单位质量储氢密度高等优点，已广泛应用于氢燃料电池汽车。高压储氢瓶的工作压力一般为35~70兆帕，国内车载高压储氢系统主要采用35兆帕型III瓶，国外以70兆帕IV型瓶为主。未来高压气态储氢如何达到轻量化、高压化、质量稳定、成本低的目标，还需不断探索。
Ⅰ型（左）Ⅱ型（右）
Ⅲ型（左）Ⅳ型（右）
目前，中集、中材科技、致远新能等国内企业正加紧储氢瓶产线的建设，同时我国也不断建设氢气管道工程，中国石油天然气管道工程有限公司中标河北定州至高碑店氢气长输管道项目，拟建设管道全长达145公里，这条管道拟建设管径508毫米，设计运输量10万吨/年。此外以彼欧为代表的国外企业同样“嗅到”国内储氢瓶商机，联合申能在中国设立生产基地及研发中心。
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低温液态储氢：
或将在未来与高压气态储氢互补共存发展
低温液态储氢技术是利用氢气在高压、低温条件下液化进行储存。
优点：体积密度为气态时的845倍，高效储氢，其输送效率高于气态氢
缺点：对设备要求很高
液氢储罐和储存系统结构图示
为了保证低温、高压条件，不仅对储罐材质有要求，而且需要有配套的严格的绝热方案与冷却设备。因此，低温液化液态储氢的储罐容积一般较小，氢气质量密度为10%左右。目前，低温液态储氢技术还须解决以下几个问题：
1) 为了提高保温效率，须增加保温层或保温设备，如何克服保温与储氢密度之间的矛盾。
2) 如何减少储氢过程中，由于氢气气化所造成的1%左右的损失。
3) 如何降低保温过程所耗费的相当于液氢质量能量30
低温液态储氢技术在军事与航天领域，商业化研究与应用才刚刚开始，目前，企业方面，民用液氢领域现已汇聚了中集、中科富海、航天101所、国富氢能、富瑞深冷、鸿达兴业、宝武太钢等一批优秀机构和企业，在相关技术上屡获重大突破，未来，由于在大规模、长距离储运方面的优势，随着我国三项液氢国标正式实施以及储氢技术的不断进步与降本，低温液态储氢或将与高压气态储氢互补共存发展。
02
未来发展前沿的化学储氢
化学储氢技术是利用储氢介质在一定条件下能与氢气反应生成稳定化合物，再通过改变条件实现放氢的技术，主要包括有机液体储氢、液氨储氢、配位氢化物储氢、无机物储氢与甲醇储氢。
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有机液体储氢：
安全性、储氢密度、储运效率极具优势
有机液体储氢技术基于不饱和液体有机物在催化剂作用下进行加氢反应，生成稳定化合物，当需要氢气时再进行脱氢反应。常用的不饱和液体有机物及其性能如表所示。
与常见的高压气态储氢、低温液态储氢相比，有机液态液体储氢具有以下特点：
（1）反应过程可逆，储氢密度高；
（2）氢载体储运安全方便，适合长距离运输；
（3）可利用先有汽油输送管道、加油站等基础设施。
液体有机储氢技术目前处于从实验室向工业化生产过度阶段。液态有机物储氢未来能否成为氢气运输主流方式，取决于：
（1）技术迭代速度能否快于其他储氢手段；
（2）工业化和市场化速度能否快于低温液态储氢成本降低速度。
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液氨储氢：
在长距离氢能储运中有一定优势
氢与氮气在催化剂作用下合成液氨，以液氨形式储运。液氨在常压、约400 ℃下分解放氢。利用途径如图所示：
相比于低温液态储氢技术要求的极低氢液化温度-253℃，氨在一个大气压下的液化温度-33℃高得多，“氢-氨-氢”方式耗能、实现难度及运输难度相对更低。同时，液氨储氢中体积储氢密度比液氢高1.7倍，更远高于长管拖车式气态储氢技术，该技术在长距离氢能储运中有一定优势。然而，液氨储氢的也具有较多劣势。液氨具有较强腐蚀性与毒性，储运过程中对设备、人体、环境均有潜在危害风险；合成氨工艺在我国较为成熟，但过程转换中存在一定比例损耗；合成氨与氨分解的设备与终端产业设备仍有待集成。
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甲醇储氢：
能量密度高
绿色甲醇能量密度高，是理想的液体能源储运方式。利用可再生能源发电制取绿氢，再和二氧化碳结合生成方便储运的绿色甲醇，是通向零碳排放的重要路径。甲醇储氢技术是指将一氧化碳与氢气在一定条件下反应生成液体甲醇，作为氢能的载体进行利用。
目前，在河北张家口已建成一个小型的撬装示范站，就是利用甲醇在站内制氢，再给燃料电池车加氢用。兰州新区液态太阳燃料项目已开发出采用二氧化碳加氢制甲醇储存方式，为氢运输提供了全新途径。其不仅可解决高压运输、储存成本与安全问题，还可实现二氧化碳回收和全流程清洁目标。
那么甲醇储运氢具体有哪些优势呢？
（1）原料丰富。甲醇可以从煤、天然气来制，未来可以用太阳能催化二氧化碳和水来制甲醇，即绿色的甲醇。中国现在甲醇产能全世界最高，约8000多万吨，按吨位来讲接近汽油1/4的量。
（2）效率高。若在车上装甲醇，甲醇和水的摩尔比1：1，重量比是64%的甲醇36%的水，装在车上，甲醇和水反应可以制氢，1升甲醇可以放出143克的气，即1升甲醇可以储2升液氢，氢气推动燃料电池给车提供电能，效率更高。
（3）易改进。甲醇为液体，能量密度4300千瓦时/立方米，是目前电动汽车电池的20倍，另外现在已经投资几万亿美金建成的液体基础设施也可改造后使用，节省成本。对于一般加油站，近年可能是6个罐，前期替换成1个甲醇罐、5个汽柴油罐，再过十年，替换成2个甲醇罐，4个汽油罐。这样整个能源转型就不需要再花多少万亿去建加氢站和充电桩了。
（4）安全性好。短期之内，已用甲醇的分布式能源解决了5G基站、边防哨所和孤岛的供电，但因目前远距离的供电通过电网成本很高，要实现不间断供电唯一的技术选择是柴油机，而柴油机使用柴油每百万大卡的成本比甲醇高一倍，此外柴油污染大、噪音大。使用甲醇供氢便可规避这些问题，还可设置通过预警装置，发生机器偷窃会自动报废或锁定。
（5）成本低。据了解，一台高压储氢罐拖车的成本约为160万元，其运输百公里储运成本为8.66元/kg，随着距离的增加，其运输成本受人工费和油费推动仍会显著上升；若采用液氢槽车运输氢气，虽运输效率有明显提高，但一台液氢槽车的投资为400万元，液氢槽车运输百公里储运成本为13.57元/kg，若距离增加至500千米，成本则为14.01元/kg。针对氢储存运输成本高、运输难问题，甲醇制氢储氢已成为当前研究热点。
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配位氢化物储氢：
安全性好
具有较高重量储氢密度的配位氰化物是当前化学储氢材料研究中的热点之一，配位氢化物储氢利用碱金属与氢气反应生成离子型氢化物，在一定条件下，分解出氢气。下表为常见的配位氢化物的储氢性质。
目前，作为一种极具前景的储氢材料，研究人员还在努力探索改善其低温放氢性能的方法。同时，也在针对这类材料的回收、循环、再利用做进一步深入研究。
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无机物化合物储氢：
成本高
无机物储氢材料基于碳酸氢盐与甲酸盐之间相互转化，实现储氢、放氢。反应一般以Pd或PdO作为催化剂，吸湿性强的活性炭作载体，因为Pd这种金属价格昂贵，因此这种材料储氢的成本是相当贵的。作储氢材料时，氢气质量密度可达2%。该方法便于大量的储存和运输，安全性好，但储氢量和可逆性都不是很理想。
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其他小众化储氢技术
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吸附储氢
吸附材料主要包括金属合金、碳质材料、金属框架物等。
（1）金属合金：合金材料突破,引发储氢技术变革
储氢合金一般由两部分组成，一部分为吸氢元素或与氢有很强亲和力的元素，它控制着储氢量的多少，是组成储氢合金的关键元素，主要包括钛、镁等；另一部分是吸氢量小或根本不吸氢的元素，常见的有铁、镍等。
对于金属合金储氢技术来说，储氢量范围为1-8wt.%。
优点：具有较高的安全性、稳定性和可操作性
缺点：储氢性能差，易于粉化，输运不方便
（2）碳质材料储氢：纳米碳材料作为储氢介质有巨大潜力
碳质材料由于吸附能力强，在一定条件下也可进行储氢。下表为常见碳质材料的储氢性质。
纳米材料具有极高的比表面积以及孔隙率，有效地增加了氢气的物理吸附位。但是这类材料难以通过系统的设计来控制其结构形貌，如比表面积、孔隙率、微孔体积以及微孔形状，并且难以大量制备，成本高，目前还处于实验室研究阶段。
尽管很多工作还未展开，但纳米碳材料极高的储氢量已经充分显示了其作为储氢介质的优越性及巨大的潜力
（3）金属有机框架物储氢：最有前景的储氢方式之一
金属有机框架是一种设计材料，由金属离子与有机分子耦合而成，具多孔特性、结构高度可调、高表面积、良好的气体吸附性等特点。
MOF材料储氢的难点在于设计桥接的配体、表面官能团和金属离子的选择，进而形成储氢框架结构。未来MOF材料的稳定性、成本及大规模生产的产业化的储氢研究，将极大的改善H2的储存和使用问题。
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水合物法储氢
氢气在低温、高压条件下，生成固体水合物。水合物在常温、常压下即可分解，脱氢速度快、能耗低，其储存介质仅为水，具有成本低、安全性高等特点。
总结
当前，高压气态储氢是主流，但是因为安全性其发展一直受到限制，且储氢密度较低，不适合大规模长距离运输；低温液态储氢由于高成本、储运难度大，在国内的发展面临重重困难。
在化学储氢中，甲醇储氢技术在安全性、储氢密度、储运效率、绿色环保上极具优势，有望成为未来我国氢气储运的主要方式之一。
氢能可储可输，既是氢能的优势所在，又是氢能应用的主要瓶颈，其高密度低成本安全储存一直是一个世界级难题。未来，储氢技术需要有创新突破，让我们拭目以待！
原文始发于微信公众号（浙理氢能）：储氢技术大盘点