摘要：原文发表于《科技导报》2025年第7期《新型氢储运技术发展及应用现状》氢能是实现“双碳”目标、确保国家能源安全、发展低碳能源的重要技术途径，而发展先进高效的新型氢储运技术对中国能源转型以及实现“双碳”战略目标至关重要。《科技导报》邀请了高级工程师张岩团队，围绕

氢能是实现“双碳”目标、确保国家能源安全、发展低碳能源的重要技术途径，而发展先进高效的新型氢储运技术对中国能源转型以及实现“双碳”战略目标至关重要。《科技导报》邀请了高级工程师张岩团队，围绕固态储氢、有机液态储氢、甲醇储氢和氨储氢等多种新型储运氢技术特点、发展现状、经济成本及关键技术瓶颈进行了重点分析，探讨了其未来发展方向，并横向对比了不同氢储运技术的经济性水平与应用前景。不同储运技术各具优势与局限，需要综合考虑氢储运量、运输距离、安全性、碳排放及具体应用场景，以确定最优的技术路径和应用方案。

氢能具有能源和化工原料的双重属性，是实现“双碳”目标、确保国家能源安全、发展低碳能源的重要技术途径，目前主要应用于能源、交通、钢铁冶金、石油化工等领域。随着国家政策的大力支持以及氢能产业技术的快速发展，目前氢能正朝着高效、先进、多元的方向发展，在储能、燃料、化工、钢铁、冶金等领域应用广泛。随着中国氢能产业技术的大规模发展，制氢和用氢的单一项目早已突破万吨级，而储氢技术依然停留在百吨级水平，这严重制约了氢能的大规模发展。因此，发展先进高效的新型氢储运技术对中国能源转型以及实现“双碳”战略目标至关重要。

01

固态储氢技术

固态储氢技术是指将氢气储存于固态材料的表面或原子间隙中，可通过物理吸附、化学反应2种机制来实现。物理吸附储氢方式通常具有更快的动力学速率以及良好的可逆性能。而化学反应通常需要克服化学反应能垒，导致其吸/放氢动力学速率较慢，但其因高储氢效率、高储氢密度、高放氢纯度、操作简单、运输便捷等特性，有望广泛应用于船舶、核电站、氢能工业等领域，是当前最受关注且极具发展潜力的新型氢储运技术。目前，主要的金属/合金氢化物储氢材料见表1。

表1 典型储氢金属/合金性能及其优缺点

目前，金属储氢材料主要有稀土系合金、钛系合金、镁系合金和钒系合金等。图1比较了不同储氢材料，由此可知，复杂金属氢化物储氢材料具有较高的质量储氢密度，但其复杂的合成过程以及较差的可逆循环性能对其工程应用带来严峻挑战。因此，为提升其动力学速率并降低热力学稳定性，目前研究重点主要集中通过纳米化和催化剂协同效应以规模化、稳定化开发具有低吸放氢温度和高储氢容量的镁基复合储氢材料，并降低材料成本、延长其使用寿命。

图1 金属氢化物性能比较

固态储氢系统体积储氢密度高、储氢压力低，从而降低了其对储氢装置压力等级等关键技术指标的要求。但固态储氢系统吸/放氢过程伴随大量的热量释放/吸收，这增加了其对储氢系统导热性能的要求。储氢罐体导热性能取决于床层构型、换热管道布置、换热翅片结构、操作参数等。图2对比了不同床层构型下固态储氢系统的储氢效率及换热效率。结果表明，基于不锈钢固定的金属氢化物填充方式可显著提升储氢罐体整体换热性能、提升其吸/放氢速率，并增加罐体储氢密度，降低操作难度。另外，通过优化床层孔隙率并添加高导热系数材料（如金属颗粒、碳纳米管、石墨烯、硼氮化物等）亦可增强储氢系统换热效果。

图2 不同金属氢化物反应床构型

在换热结构方面，目前设计的储氢罐体内部有直管换热型、内部螺旋管换热型等，同时包含过滤器、鳍片、金属泡沫、加热管等以强化换热效果。图3比较了不同换热结构下固态储氢系统储氢及导热性能。事实上，系统最优换热结构受制于床层结构、罐体大小、储氢材料、操作条件等众多参数。

图3 不同反应器换热结构对比

为解决固态储氢系统在工程应用中面临的吸/放氢速率迟缓、换热能效不足等问题，当前，在固态储氢罐换热结构及操作参数等的优化上也有不少研究，主要以增强冷却/加热流体与床层及氢气之间的传热效果为目的。未来可基于神经网络、机器学习等深度学习算法，准确辨识固态储氢系统的吸/放氢过程，从而指导换热结构的设计。

固态储氢系统的成本主要涉及充装设备、固定/移动式固态储氢装置、放气及增压设备以及相关环节的能耗、折旧、人力等。经济性计算范围涉及氢气的充装、储氢、运氢、脱氢以及将氢气提纯/加压至用户所需组分和压力等级。目前，固态储氢技术暂无大规模应用案例，也无相关国家标准。氢气平准化成本（LCOH）与储氢密度、材料循环寿命、使用年限等参数有关。固态储氢中，对比钛基和镁基储氢材料，二者循环寿命均能达到3000次以上，但相同储氢量条件下钛基储氢材料较镁基储氢材料成本更高。

目前，固态储氢系统的示范主要以镁基固态储氢和钛锰系储氢材料为主。如国家稀土功能材料创新中心牵头研发的稀土系固态储氢系统示范装置，实现了20 kg级低压固态储氢装置，可应用于用氢企业及加氢站等场景。上海交通大学氢科学中心与氢枫能源共同研发的全球首台吨级镁基固态储运车可实现吨级规模储运氢，具备常温储运、低压存储等用氢特性，其储氢密度是当前主流20 MPa高压长管拖车的3倍以上，如图4（a）所示。此外，国外众多高新技术研发机构和公司纷纷致力于推动固态储氢技术向应用端迅速发展。如法国McPhy公司于2014年开发的基于镁基固态储氢的INGRI系统，如图4（b）所示。澳大利亚Hydrexia公司在2015年开发的镁基储运氢系统，可实现氢气的大规模安全存储。美国Ergenic Corp公司设计的La-Ni-Al储氢合金系统可在室温下进行吸脱氢循环，可用于如光电转换、水泵、温度传感器、压缩机以及空调等多种领域。总之，固态储氢系统目前仍然处于示范验证阶段，未来实现固态储氢大规模的应用需要进一步降低系统成本，减小氢化/脱氢环节能耗，提升材料循环寿命。

图4 固态储氢技术示范

尽管固态储氢系统在部分领域已有相关示范应用，但其距离大规模产业化发展还有一定距离。首先，现有固态储氢技术尚未实现高质量储氢密度和快速吸/放氢速率的协同兼顾。其次，大规模产业化应用场景下的镁基储氢材料放氢温度较高，高放氢温度使氢化镁脱氢环节能耗较大，进而降低了氢能利用路径的综合能源效率。最后，高性能镁基储氢材料的现有技术制备加工成本高，同时大容量镁基储运氢系统试验成本过高。未来需要进一步降低材料成本、制造工艺成本和系统运行成本，以确保镁基储氢技术的市场竞争力。

02

有机液态储氢技术

图5 不同液态储氢载体性能对比

日本千代田化工建设公司和德国Hydrogenious Technologies（HT）公司为国际领先的有机液体储氢技术公司。中国在有机液态储氢载体的研发主要集中在甲苯、二苄甲苯和NEC等载体上，以武汉氢阳能源有限公司等为代表的有机液体储运氢技术研发单位近年来在实际应用方面取得了实质性进展。近年来，有机液态储氢技术在中国发展迅猛，吸引了大量氢能企业的关注与投资。

目前，有机液态储氢技术成熟度较低，远未规模商业化应用，因此现有示范运行项目经济性成本与期望水平相差较大。同时，有机液态储氢技术成本边界涵盖吸氢/放氢设备、催化剂、载体、氢气提纯等环节以及相关路径的能耗成本，储氢价格受用氢区域和应用场景的影响较大。尽管目前关于有机液态储氢成本的研究较多，但不同的研究选择的评判条件、影响因素、系统特征及边界参数不同，因此经济性成本差别较大。图6比较了不同有机液态储氢技术在相同储氢规模下的投资成本，结果表明，在LOHC技术中，换热成本占比最高，其次为反应器开发成本；在NEC和NAP技术中，压缩机成本也不容忽视。

图6 不同有机液态储氢技术的投资成本

现阶段，有机液态储氢技术成熟度较低，包括当前主流甲苯、二苄基甲苯等储氢载体脱氢温度较高、释氢速率较低、氢气提纯难度较大；同时氢化和脱氢过程依赖于贵重金属催化剂，制约了有机液态储氢技术的大规模产业化发展。未来技术发展方向应主要集中在：（1）借助当前油气储运基础设施，进行“氢油”输送，以降低运输成本；（2）开发化学性能更为稳定的储氢载体，包括高沸点、稳定化学结构、挥发性低等；（3）进一步提高储氢密度，且减小氢气提纯难度；（4）储氢载体应该表现出良好的环境适应性。

03

甲醇/氨储氢技术

基于甲醇和氨的储氢技术是将氢气与二氧化碳或氮气发生反应，生成甲醇或氨，来存储与运输氢气。基于甲醇、氨的氢气储运方式与直接运输氢气相比，具有更高的储运氢密度。同时，甲醇和氨（加压）常温下为液态形式且相对稳定，可借助现有技术设施来存储和运输，大幅降低储运成本。另外，甲醇和氨的储运氢方式具有较高的安全性，且操作便捷，有望成为未来氢能技术发展的重要方向之一。甲醇、氨和氢气的基本物理性质如表2所示。

表2 甲醇、氨、氢物理性质对比

甲醇和氨化学性质稳定，是理想的氢气替代燃料。常温常压下甲醇储氢技术能够以更高的能量密度承载氢气，相较于液化和高压储氢技术更为优越。此外，甲醇储氢技术还可与现有加油站系统耦合使用，无须建设昂贵的加氢站。氨作为一种富氢物质，被视为理想的氢能载体。相较于纯氢，氨更易于长时间储存和长距离运输，尤其在零碳经济中具备重要战略地位。

3.1.1 绿色甲醇技术

典型绿色甲醇合成过程如图7所示。绿色甲醇主要以可再生电力制取的氢气和基于二氧化碳封存和捕集技术获取的二氧化碳为原料。现阶段，甲醇的储运技术成熟，可通过卡车、火车、船舶等多种运输方式实现甲醇的运输。一方面，甲醇可以直接作为能源或工业生产的原料，或利用催化重整技术制氢；另一方面，甲醇重整后产生的二氧化碳可通过碳捕集技术回收，再次应用于甲醇生产，实现碳的闭环循环。

图7 绿色甲醇合成过程

3.1.2 绿氨技术

氨作为高效的储氢介质，具有高能量密度、清洁无污染、高安全性等特点，能够显著提升储运氢过程的效率。然而，绿氨技术仍处于起步阶段。与传统氨气合成技术相比，绿氨合成是将电解水制氢技术、空分技术及哈伯法合成氨技术相结合。目前，国内多家企事业单位宣布了多个绿氨项目，自2021年以来，国内陆续有20多个绿氨合成项目宣布立项。典型绿氨合成方法及应用前景如图8所示。

图8 典型绿氨合成方法及应用前景

绿色甲醇和绿氨生产、运输过程的成本主要涵盖基础建设、电力价格、运输工具及场景需求。对绿色甲醇来说，其成本受二氧化碳封存捕集技术及绿氢生产技术的影响较大。当前绿氢的价格受制于可再生能源发电成本及电解槽的成本，受地域因素影响较大。对于绿氨来说，成本主要涵盖空气分离，绿氢制取以及氨气合成，其中绿氢制取的成本占比约90%以上。目前氨气的成本预计为720~1400 $/t，随着未来技术的进步以及原料价格的降低，预计2050年氨的成本将有可能降低至310~ 610 $/t。

目前，甲醇储氢技术的重点主要集中在3个方面。一是甲醇重整和利用过程会产生大量二氧化碳排放。二是甲醇重整过程能耗较大，开发兼具高活性和高稳定性的催化剂是未来进一步发展的方向。三是甲醇利用过程中副产物一氧化碳的纯化过程复杂。未来需要重点发展低温低压合成氨和安全低温氨分解催化剂及反应器技术。此外，氨具有更高的毒性、腐蚀性，导致其安全保障成本较高，而目前绿氢的高制取成本也使得绿色甲醇和绿氨制取的成本较高。

04

不同储氢技术对比分析

不同储运氢技术的特点对比见表3。此外，图9比较了不同储氢技术储运环节的经济性水平。首先，管道运输液氢对运输半径的敏感性较弱，在运输半径较长下经济性程度占优，但液氢运输温度较低，容易液化。另外，如终端存在余热可利用条件下，镁基固态储氢在中长距离运输规模下的经济性程度占优。综合比较固态、氨、甲醇储运，经济性镁基固态储氢相对较好，甲醇储运经济性稍优于氨储氢技术，但考虑到甲醇可带来二氧化碳的排放，未来碳税市场成型后，经济性可能会较氨储运差。考虑到运输氨为危险化学品，未来大规模运输时，氨气泄露隐患需要更加关注。此外，图10对比了各种储运氢技术的体积和质量储氢密度。气态储运氢技术的储氢密度较低，而轻金属基固态储氢是非常有前景的储氢技术，可以同时实现高的质量和体积储氢密度。

表3 新型氢储运技术对比

图9 不同储氢技术经济性对比

图10 不同储氢技术储氢密度对比

05 结论

我们重点分析了新型的固态储运氢、有机液态储运氢、绿色甲醇储运氢以及绿氨储运氢技术的特点、发展现状、经济成本及关键技术瓶颈，指出了新型储运氢技术的发展方向，横向对比了多种储运氢技术的经济性水平及应用前景，具体结论如下：

1）尽管固态储氢系统在部分氢能领域已有相关示范应用，但其距离大规模产业化应用还有一定距离。现有研究在添加催化剂、纳米化和构建复合储氢体系等方面提升了镁基储氢材料性能，但其产业化发展依然面临高成本、高能耗等诸多关键挑战。

2）有机液态储氢技术优势是液体的操作相对简单，主要问题包括有机液态储氢载体脱氢温度较高、释氢速率较低，氢气需提纯，同时氢化和脱氢过程依赖于贵重金属催化剂，一定程度制约了有机液态储氢技术的大规模产业化发展，需要在有机液体本身储氢密度及循环稳定性和催化剂性能提升上进一步研发。

3）绿色甲醇技术面临的关键技术瓶颈主要有绿色甲醇合成和重整产氢能耗、成本较高，应用端有二氧化碳排放及氢气纯化以及一氧化碳去除困难等技术挑战；而绿氨技术主要面临能耗较高、存在安全风险隐患以及成本较高等关键挑战。

4）综合比较镁基固态储氢、有机液体储运氢、氨、甲醇储运氢技术来看，各种技术均有利弊，需要对不同的氢储运量、运送距离、安全性、碳排放、应用场景等做出综合分析，从而找到合适的路径与应用方案。

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来源：科技导报