1、2023 年 第 1 期 化学工程与装备 2023 年 1 月 Chemical Engineering&Equipment 205 氢能发展的意义及储氢技术现状氢能发展的意义及储氢技术现状 李菊峰1,2，王 璇1,2，郭 勇1,2，张晋军1,2（1天津市特种设备监督检验技术研究院；2国家市场监管重点实验室（特种设备数字孪生共性技术），天津 300192）摘摘 要要：本文对氢能发展的意义进行了介绍，阐述了我国近几年在氢能源发展和氢燃料电池车方面的相关支持性文件。并针对氢能储运环节，分别介绍了国内高压气态储氢、低温液态储氢、金属氢化物储氢和有机液态储氢四种方式的发展现状以及标准研究现状。关键词：
2、关键词：氢能；储氢；高压气态 1 1 氢能发展的意义氢能发展的意义 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1。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2。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
3、、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3。21 世纪以来，日本、美国、德国、法国、荷兰、韩国等国家争相出台氢能技术发展规划，引导氢能的健康发展。我国也大力支持氢能应用研究，出台系列能源规划中均提到氢能发展规划4-5。2 2 现有储氢技术及其标准现状现有储氢技术及其标准现状 氢能源产业链分为上游制氢、中游储运以及下游应用，决定氢能应用关键的是安全、高效的氢能储运技术。储氢技术的改进是未来氢燃料电池车大规模应用的重点6。目前研究和应用中的氢能储存方式主要包括高压气态储氢、低温液态储氢、金属氢化物储氢以及有机液体储氢7。2.1 高压气态储氢 高压气态储氢是利用高
4、压直接将氢气压缩到耐高压的容器里进行存储的方式，是目前国内外技术最成熟、最常用的一种储氢方法8。相比于其他储氢方法，该方法对于技术要求较低，充氢放氢速度快，设备结构也相对简单，是加氢站应用比较多的技术。但该方法的缺点是体积比容量小，且存有泄漏、爆炸的安全隐患。目前，高压气态储氢容器主要分为纯钢制金属容器（I 型）、钢制内胆纤维缠绕容器（型）、铝内胆纤维缠绕容器（型）及塑料内胆纤维缠绕容器（型）4 个类型。我国加氢站等场所的固定式储氢压力容器多采用钢制金属容器，移动式储氢压力容器储氢瓶多用于氢燃料电池车等领域，I 型、型储氢瓶储氢密度低、安全性能差、重量大，型、型储氢瓶由内胆、包裹材料（碳纤维强
5、化树脂层及玻璃纤维强化树脂层）组成，降低了气瓶重量，提高了储氢压力，提升了单位质量储氢密度，适用于车载储氢。目前，我国推广的氢燃料电池车大多采用公称工作压力为 35MPa 的型车载储氢瓶，70 MPa 型储氢瓶已开始应用推广，标准 GB/T 355442017车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶 已经颁布，规定了不超过公称工作压力不超过 70 MPa 的型车载储氢瓶的型式和参数、技术要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输和储存等要求。型车载储氢瓶检测标准目前实施标准是 T/GDASE 00172020车用压缩氢气铝内胆 碳纤维全缠绕气瓶定期检验与评定 团体标准，适用于公称工作压力不超过 70
6、MPa，公称水容积不大于 450L，贮存介质为压缩氢气、工作温度不低于-40且不高于 85、固定在道路车辆上用作燃料箱的可重复充装气瓶。2020 年 10 月，由中国技术监督情报协会发布，浙江大学等单位起草的团体标准 车用压缩氢气塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶规定了公称工作压力不超过 70 MPa、公称容积不大于 450 L、工作温度不低于-40且不高于 85的车用压缩氢气塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶的形式和参数、技术要求、试验方法、检验规则、安装防护、标志、包装、运输和储存等要求。2.2 低温液态储氢 低温液态储氢是将氢气液化后进行存储的一种储存方式，可大大提高储氢密度，体积比容量大。但缺点是氢气液化
7、非常耗能，液化 1kg 的氢气就要消耗 4-10 千瓦时的电量。而且由于氢气的沸点是-2530C，容易挥发，因此液态氢存储过程中需要耐超低温、保持超低温、耐压、密封性强的特殊容器，制造难度大，成本高昂。液氢储运是许多国家的研发专论与综述专论与综述 DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.01.039206 李菊峰：氢能发展的意义及储氢技术现状 重点，且取得了一定的成果，液氢加氢站在全球约占三分之一的比例，在美国、日本、法国较多，液氢储运已应用于车载储氢系统，但技术还不太成熟。以前液氢在我国仅应用于航空航天领域，且受限于技术，应用成本极高，从法规和技术层面都无法应用于民用领域。
8、2021 年 11 月，国家市场监管总局（国家标准委）批准发布的三项液氢国家标准：GB/T40045-2021氢能汽车用燃料液氢、GB/T40060-2021液氢贮存和运输技术要求、GB/T40061-2021液氢生产系统技术规范 正式实施,实现了我国液氢产业民用领域标准“零”突破，为液氢产业进入市场化发展提供重要支撑。2.3 金属氢化物储氢 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。
9、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/T 33292-2016 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
10、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。2.4 有机液体储氢 有机液体储氢是通过加氢反应将氢气固定到芳香族有机化合物,形成常温常压下为液体的氢有机化合物，便于长距离运输和存储，可有效降低成本，且储氢容量高。液态有机氢化物在用户终端使用过程中可通过催化作用脱氢产生氢气，脱氢后的有机液体也可重复利用，这些优于其他储氢方式的特点使得有机液体储氢备受关注。但该方法距离应用还有待技术突破，因为该方法在加氢和脱氢反应过程
11、中对于设备和反应条件要求较高，需要在汽车上施加 200得温度释放氢气，温度的获取的保证是关键。储氢载体和催化剂的选择事由及液体储氢最需突破的技术障碍。3 3 小小 结结 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。氢气的储存方式决定着其运输方式，上述四种储存方式各有优缺点，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，
12、逐步提高氢气储存和运输的能力。参考文献参考文献 1 张抗,苗淼,张立勤.双碳目标与中国能源转型思考(二)能源转型中的化石能源J.中外能源,2022,27(4):7.2 交能网.氢能及燃料电池技术全景分析EB/OL.https:/ 中国电动汽车百人会.中国氢能产业发展报告 2020 EB/OL.http:/www.china- 国家发展改革委.能源生产和消费革命战略(2016 2030 年)EB/OL.https:/ 中共中央国务院.国家创新驱动发展战略纲要EB/OL.http:/ 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):411-443.7 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,2019.8 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.
