随着全球能源需求的增加和环境问题的突出，氢能作为一种清洁、高效的二次能源受到了广泛关注。氢能具有能量密度高、零排放等优点，被视为未来能源系统的重要组成部分。我国当前的氢气年产量约为3342万t，为实现2060年中和目标，氢气的年需求量预计将增加到约1.2亿t。随着我国氢气需求量增长，氢气的储存成为制约氢能应用的主要挑战之一，发展安全、经济的储氢技术是实现氢能大规模应用的关键。
由于氢气在常温常压下为气态，且密度较低(标准状况下为0.089kg/m3)，因此难以储存。目前，主流的储氢技术包括高压气态储氢、低温液态储氢、有机液体储氢和固态储氢。高压气态储氢是将氢气压缩到高压状态，储存到高压容器中，由于技术成熟度高、操作简便，已发展成为应用最广泛的储氢技术。低温液态储氢是将液化后的氢气储存在特制体储氢是通过化学反应将氢气储存在有机液体中，具有较高的储氢密度和良好的安全性。固态储氢是通过物理吸附或化学吸收将氢气储存在固体材料中，由于具有优异的安全性、高储氢密度和可扩展潜力，吸引了广泛关注。
本文中综述了当前主流储氢技术的原理和研究进展，并从技术成熟度、安全性、储氢密度、技术经济性和应用场景等角度出发，分析了上述储氢技术的优缺点。另外，本文中讨论了储氢技术开发和商业化过程中面临的主要挑战与机遇，提出了储氢技术发展趋势，旨在推动储氢技术快速发展。
1、储氢技术对比分析
从技术成熟度角度分析，高压气态储氢技术是目前最成熟和应用最广泛的氢气储存技术，该技术已在燃料电池汽车等领域得到广泛应用。低温液态储氢技术最早用于航天领域，现已较为成熟，美国航空航天局、日本的HTV货运飞船等都在低温液态储氢技术上有所研究和应用。有机液体储氢技术目前仍处于发展初期，但已有多个企业实现了技术突破，并进行了项目示范。例如，海望氢能科技有限公司已经完成了宁夏宁东和吉林白城的有机液体储氢示范装置，并成功投产运行。然而，脱氢技术复杂、脱氢能耗大、存在副反应、脱氢催化剂技术亟待突破等仍是制约有机液体储氢技术发展的主要瓶颈。固态储氢技术经过多方验证，已经开始步入商业化应用阶段，国内如上海交通大学、北京有色金属研究院、西安交通大学等不同技术路线的固态储氢均进入到示范应用阶段。2023年南方电网建成了广州南沙电氢智慧能源站，实现了光伏发电制氢耦合固态储氢及燃料电池发电的全过程，该系统在用电高峰可稳定出力。
从储氢安全性角度分析，高压气态储氢的安全性较差，氢气的原子体积小，容易与储氢容器的金属产生反应，发生“氢脆”现象，而一旦储氢罐产生微裂纹，高压氢气泄漏或发生泄压可能引起爆炸和火灾。低温液态储氢技术具有较高的安全性，但液氢须保持在临界温度-240℃以下，并保持适当的压力，因此盛装液氢的储罐必须是耐压和超级绝热的密闭容器，在储氢过程中需要对设备进行全方位管控。相比于高压气态储氢和低温液态储氢，固态储氢和有机液体储氢能够在常温常压下储氢，储氢安全性显著提升。
高压气态储氢的储氢密度较低，在常温、20MPa下，储氢密度为17.9kg/m3，70MPa下，储氢密度约为40kg/m3。低温液态储氢的储氢密度较于高压气态储氢得到了提高，约为70.6kg/m3。有机液体储氢的体积储氢密度为50～65kg/m3，质量储氢密度理论可达质量分数7%左右，可逆储氢量约为质量分数5.5%。固态储氢的体积储氢密度明显提高，可达到90～110kg/m3，质量储氢密度为1%～8%，其中镁系合金质量储氢密度较大，可达质量分数7.6%。
高压气态储氢制备能耗相对较低，储/放氢速度快，温度适应范围广，储氢容器制造成本相对较低，因此具有较高的成本效益。低温液态储氢需要采用先进的隔热特制容器，制备过程需要消耗大量能量，并且为维持液氢的低温状态需要持续采取冷却措施，从而导致储氢成本较高。相较于低温液态储氢，固态储氢无需进行氢气的液化，避免了液化成本。有机液体储氢技术需要通过与有机氢载体进行化学反应来实现氢气的储存，在储氢过程中需要消耗一定催化剂，脱氢过程需消耗一定能量且会产生氢损耗，综合来看目前经济成本相对较高。固态储氢材料成本较低，易于实现规模化生产，具有一定的经济性优势。
高压气态储氢的固定式应用场景包括氢储能、加氢站、应急电源等，移动式应用场景包括氢能运氢车、氢燃料电池车。低温液态储氢的固定式应用场景为加氢站，在国外已实现的移动式应用场景包括汽车、铁路、驳船和管道等。此外，低温液态储氢在日本、美国和俄罗斯等已实现在航空、航天等领域的应用。有机液体储氢的潜在应用场景包括大型氢能储运基地和分布式脱氢加氢一体化站。固态储氢的固定式应用场景包括可再生能源制氢、电网调峰储能等。移动式应用适用于叉车、港口及矿区物流车、环卫车等场景。
受技术成熟度、安全性考量、储氢密度限制以及经济性评估等多重因素影响，我国当前在氢能领域的项目部署具有明显的储氢技术路径偏好。如表1所示，已投入运营、正处于建设阶段或规划中的氢能项目，大多数采用气态储氢技术路线。这主要是由于气态储氢技术相对成熟，在现有的氢能供应链体系中兼容性较好，且加压后的氢气便于存储与运输。相比之下，采用固态储氢和有机液体储氢技术的示范项目，尽管在理论上能够提供更高的储氢密度和潜在的安全优势，但由于技术成熟度尚待提升、成本效益分析尚未达到大规模商业化应用的临界点，因此项目规模相对较小，仍处于技术研发与示范验证的关键阶段。至于低温液态储氢技术，虽然能显著提升储氢密度，实现高效能量存储，但该技术对储存容器的绝热性能要求极高，能耗与成本巨大，并且极端低温操作环境带来安全隐患，使得在我国的氢能项目中应用较少。
表1 国内部分相关工程采用的储氢技术路线
2、储氢技术面临的挑战与机遇
储氢技术当前面临着多方面的严峻挑战，总体而言，可以归纳为储氢效率、材料、安全、基础设施、成本及可扩展性6个方面。①储氢效率方面，氢气的体积能量密度较低，要求开发高效储存技术以提升能量存储的经济性;②材料方面，现有储氢材料在重量、成本、可逆性、循环稳定性等方面存在不足，限制了储氢技术的应用;③安全方面，氢气的易燃易爆特性，需采取有效措施确保储存过程中的安全;④基础设施方面，氢气生产、分配和储存设施建设的滞后，成为制约氢气储存、应用的关键因素;⑤成本方面，氢气生产及储存的高昂费用需与替代能源竞争，降低成本成为储氢技术突破的重点;⑥可扩展性方面，部分储氢技术在大规模应用时面临技术瓶颈。
尽管储氢技术的发展面临众多挑战，目前也正经历前所未有的发展机遇，包括以下3个方面。①清洁能源转型的需求。随着实现能源结构转型的迫切需求，氢能作为一种清洁、高效、可持续的能源形式，正受到越来越多的关注。储氢技术作为氢能产业链的关键环节，重要性日益凸显。作为新型储能技术，氢储能具有削峰填谷的能力，可有效解决新能源稳定并网的问题，是实现能源转型的重要方向。②技术创新与突破。近年来，储氢技术领域的技术创新与突破层出不穷。新型储氢材料的研发、高效储氢系统的设计等方面取得了显著进展。固态储氢材料和液态有机氢载体等新型储氢材料的研发，有望提高储氢效率，降低储氢成本。③政策支持与市场驱动。各国政府纷纷出台相关政策，加大对氢能及储氢技术研发的支持力度。例如，中国政府在《科技支撑碳达峰碳中和实施方案(2022—2030)》中提出要研发可再生能源高效低成本制氢技术。这些政策为储氢技术的发展提供了有力的政策保障和市场环境。同时，随着可再生能源装机规模的显著增长，电力储能需求也呈现出持续增长的态势，特别是氢储能技术备受市场关注。多个氢储能项目已实现投运，为储氢技术的发展积累了经验。主流储氢技术的优缺点及面临的挑战与机遇如表2所示。
表2 主流储氢技术的优缺点及面临的挑战与机遇
随着世界各国对开发利用氢能源的重视，储氢必将成为氢能利用产业的关键。总体上看，储氢技术未来的发展趋势包括以下几个方面。
(1)降低储氢成本。通过研发新型储氢材料(如金属有机框架材料、多孔碳材料等)和优化制造工艺，可以有效提高储氢密度和循环稳定性，从而降低单位储氢成本。此外，规模化生产和标准化设计也是降低成本的有效途径。未来，随着材料科学与工程技术的不断进步，储氢成本有望进一步下降。
(2)提高储氢系统安全性。为确保氢气储存中的安全，需开发具有更高稳定性的储存材料，如增强材料的耐氢渗透性和抗氢脆性。同时，采用智能化监控技术和应急预案，提高储氢系统的整体安全性和应急响应能力，保障氢能利用的安全可靠。
(3)与可再生能源融合。随着可再生能源的快速发展，其间歇性和不稳定性成为并网发电的难题。储氢技术凭借灵活的能量转换特性，能够在可再生能源过剩时储存能量，并在需求高峰时释放，有效平衡电网供需。因此，推动储氢技术与可再生能源的深度融合，对于储氢技术的发展具有重要意义。
(4)与燃料电池技术协同发展。燃料电池作为氢能利用的核心技术之一，性能的提升直接影响到储氢技术的应用前景。通过持续开展燃料电池关键材料的研发、电池系统结构的优化以及控制系统的智能化升级，可以显著提高燃料电池的能量转换效率和使用寿命，进而推动储氢技术的发展。
来源：储氢产业
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