储氢技术综述及在氢储能中的应用展望

 储氢技术综述及在氢储能中的应用展望

作者姓名：刘佳

单位名称：大安吉电绿氢能源有限公司  单位省市：吉林市白城市大安市

单位邮编：131300

摘要：氢能因其具有零碳高效、资源丰富、适用广泛的特点，被公认为21世纪的终极能源，世界许多国家制定了氢能战略发展规划及行动路线图。2022年3月，国家印发《氢能产业发展中长期规划（2021~2035年）》，将氢能产业发展提升至国家战略层面。由于氢特殊的物理性质，如密度小、能量密度大等，其安全高效的储存及运输是氢能产业大规模发展的关键。针对氢能储运关键技术，梳理并对比了现有主流储氢技术，其中包括高压气态储氢、低温液态储氢、有机液态储氢、金属氢化物储氢的原理及经济性分析，分析储氢的应用场景，包括氢燃料电池发电及氢燃气轮机技术。

关键词：氢能；氢气储运；氢燃料；燃料电池；燃气轮机

储能为解决能源生产和消费的不平衡性提供了技术性支撑手段，在可再生能源价格不断下降的未来，储能可能将成为能源价格的决定性因素。氢储能作为化学储能的一种，将在未来的能源体系中发挥重要价值。同时，作为消纳电力的方式之一，电力转化为氢能后也可以向其他领域扩展应用，通过扩大氢能的应用规模促进可再生能源的持续发展。

1氢能储运关键技术

1.1氢能储存

①高压气态储氢

高压气态储氢技术比较成熟，是目前我国最常用的储氢技术。高压气态储氢即通过高压将氢气压缩到一个耐高压的容器中，高压容器内氢以气态储存，氢气的储量与储罐内的压力成正比。通常采用气罐作为容器，简便易行，其优点是存储能耗低、成本低(压力不太高时), 且可通过减压阀调控氢气的释放，因此，高压气态储氢已成为较为成熟的储氢方案。

②低温液态储氢

低温液态储氢是先将氢气液化，然后储存在低温绝热真空容器中。该方式的优点是氢的体积能量很高，由于液氢密度为70.78kg/m3，是标况下氢气密度的近850倍，即使将氢气压缩，气态氢单位体积的储存量也不及液态储存。但液氢的沸点极低(−252.78 ℃)，与环境温差极大,对储氢容器的绝热要求很高。目前最大的液化储氢罐是位于美国肯尼迪航天中心的储氢罐，储氢容积达12000L。

③有机液态储氢

有机液态储氢是通过加氢反应将氢气与甲烷(TOL)等芳香族有机化合物固定，形成分子内结合有氢的甲基环己烷（MCH）等饱和环状化合物，从而可在常温和常压下，以液态形式进行储存和运输，并在使用地点在催化剂作用下通过脱氢反应提取出所需量的氢气,整体流程如图1所示。

液态有机物储氢使得氢可在常温常压下以液态输运，储运过程安全、高效，但还存在脱氢技术复杂、脱氢能耗大、脱氢催化剂技术亟待突破等技术瓶颈。若能解决上述问题，液态有机物储氢将成为氢能储运领域最有希望取得大规模应用的技术之一。

④固态储氢

根据固态材料储氢机制的差异，主要可将储氢材料分为物理吸附型储氢材料和金属氢化物基储氢合金两类，其中，金属氢化物储氢是目前最有希望且发展较快的固态储氢方式。固体储氢材料分类如图2所示。

其工作原理是将氢以金属氢化物形式储存于储氢合金材料中。在一定温度压力下，氢气与储氢合金接触后，受金属表面的催化，H-H 共价键断裂，氢原子附着在储氢金属合金的表面，并以氢原子的状态向金属晶格中扩散，形成金属原子与氢原子的固溶体，随着氢原子在晶格中的饱和，金属原子与氢原子发生反应，相变生成金属氢化物，同时放出热量。放氢过程为吸氢反应的逆过程，在加热条件下，金属氢化物放氢。其工作原理如图3所示。

1.2氢能运输

①气氢输送

气态输运分为长管拖车、管道输运、固态储氢3种，长管拖车运输压力一般为20MPa，我国长管拖车运输设备产业较为成熟，但在长距离大容量输送时，成本较高，整体落后于国际先进水平；管道运输是实现氢气大规模、长距离输送的重要方式。管道运输时，管道运输压力一般为4MPa，输氢量大、能耗低，但是建造管道一次性投资较大，在管道输运发展初期，可以积极探索掺氢天然气方式。

②液氢输送

液态输运适合远距离、大容量输送，可以采用液氢罐车或者专用液氢驳船运输。采用液氢输运可以提高加氢站单站供应能力,日本美国已经将液氢罐车作为加氢站运氢的重要方式之一。日本千代田公司于2009年成功研发出LOHC(液态有机氢载体)系统关键技术，全球首条氢供应链示范项目采用了千代田公司的SPERA技术探索液态有机氢载体的商业化示范，在2020年实现了210t/年的氢气输运能力。

③固氢输送

通过金属氢化物存储的氢能可以采取更加丰富的运输手段，驳船、大型槽车等运输工具均可以用以运输固态氢。

2氢能储运与电力

  氢能终端利用方式灵活多样，通过储运技术，可以将氢能更方便的应用于能源系统中，实现电-氢-电的高效转换。

2.1氢燃料电池发电

氢能发电可以用来解决电网削峰填谷、新能源稳定并网问题，还可以提高可再生能源所发电力并网的稳定性和电力系统安全性、灵活性，大幅降低碳排放。目前主要采用氢燃料电池发电技术与新能源耦合发电技术，使用燃料电池发电技术，可以减少CO2对煤炭的使用，减少的排放，且发电效率很高。

目前重点关注的是质子交换膜燃料电池技术和固体氧化物燃料电池技术。质子交换膜燃料电池工作温度低、启动快，适用于交通领域；固体氧化物燃料电池能量转化率高、全固态，是一种清洁高效的发电装置，一般用于大型集中供电、分布式发电等作为固定电站。

2.2氢燃气轮机

以清洁能源氢燃料替代天然气、煤、石油用于燃气轮机也是氢能在能源领域的研究重点。燃气轮机具有很好的负荷调节能力，15min左右即可将负荷从零拉满，亦可以氢储能作为中间环节，将氢燃气轮机与新能源混合发电，即可解决弃风弃光问题，也能改善电力系统稳定性，因此燃氢燃气轮机发电是燃气轮机发电的未来发展趋势。

例如一种风–氢–燃气轮机耦合发电系统，该系统的思想即是把风电场发出的质量较差的电接入电解槽电解制氢，通过氢储能技术储存电力，在电网需要时再由氢燃气轮机发电并网，可以实现对电网的削峰填谷以及对新能源的消纳，可以作为一种新型储能发电形式与风力、光伏等可再生能源配合发电。

结语：

与其它储能技术相比，氢储能具有规模可方便的做到百兆瓦以上级，储能时间和寿命长，终端利用方式灵活多样，成本下降空间大等特点。随着近年来燃料电池技术的不断成熟也使得氢燃料电池成本快速下降，美、德、日等部分国家相继出台氢能战略布局，我国也加速布局氢能战略，加快构建清洁化、低碳化的氢能供应体系，这对我国能源安全及可持续发展战略具有重大意义。

参考文献：

[1]任大伟, 侯金鸣, 肖晋宇, 等. 能源电力清洁化转型中的储能关键技术探讨[J/OL]. 高电压技术: 1-10[2020-12-28].

[2]邵志刚, 衣宝廉. 氢能与燃料电池发展现状及展望[J]. 中国科学院院刊, 2019, 34（4）: 469−477.

[3]林卫斌, 朱彤. 实现碳达峰与碳中和要注重三个“统筹”[J/OL]. 价格理论与实践: 1-3[2021-01-24].

[4]单彤文, 宋鹏飞, 李又武, 等. 制氢、储运和加注全产业链氢气成本分析[J]. 天然气化工(C1化学与化工), 2020,45（1）: 85−90+96.