氢的储运技术可分为物理储运氢和化学储运氢两大类别。其中前者包括高压气态、低温液化、管道、
物理吸附等。后者包括无机储氢材料和有机储氢材料，其中无机储氢材料包括金属氢化物、络合氢化物、复合氢化物和化学氢化物；有机储氢材料包括环烷烃、氮杂环、液氨、甲酸和甲醇等。以下分述之。
物理储运氢
高压气态储运氢
高压气态储氢是一种最简单直接的储存方式，是将氢气压缩储存在高压瓶当中，一般储存压力介于35～75兆帕。该方式具有充放氢速度快、技术相对成熟、常温操作以及成本低等优点，但缺点是能量密度低，常压下仅为0.003 kWh(LHVHydrogen)/L（LHVHydrogen表示氢的低位热值，Lower Heating Value of Hydrogen，1 LHVhydrogen = 33.3kWh/kg），70兆帕压力下能量密度可增加至1.2 kWh(LHVHydrogen)/L，稍高于锂电池的平均能量密度0.5 kWh(LHVHydrogen)/L。另一方面，由于氢气密度比较低，较之于储存相同重量的汽柴油，前者所占体积十分庞大。为了避免氢气泄漏和容器破裂，高压储氢通常都需要耐压厚重的容器。车载储氢瓶主要使用由碳纤维外层和铝/塑料内胆构成的新型轻质耐压储氢容器。70兆帕碳纤维缠绕IV型瓶在国外已被广泛使用，如美国Impco公司采用的超轻型Trishield可进行70兆帕储氢，质量储氢密度为7.5%；加拿大Dynetek公司已投入工业化生产的70兆帕高压储氢瓶，采用铝合金内胆和碳纤维/树脂基体复合增强外包层；法国Faurecia公司的IV型储氢瓶采用优化的碳纤维结构设计可减重15%～20%等。国内由于高端碳纤维技术不够成熟，无法规模化生产且复合材料成本较高，目前主要以35兆帕III型瓶为主，所以低成本高压临氢环境用新材料将是研发的重点。固定式高压气态储氢主要使用的是大直径储氢长管和钢带错绕式储氢罐，石家庄安瑞科气体机械有限公司开发的45兆帕储氢瓶组、浙江大学与巨化集团有限公司制造生产的2台98兆帕立式高压储罐均已应用于国内加氢站中。高压气态储运氢的应用场景主要是面对制氢厂、加氢站或化工厂等地，以及不超过500千米的短距离用量不大、用户分散的氢气需求地。
低温液化储运氢
低温液化储氢是指将氢气在低温高压条件下，基于高压氢气绝热膨胀原理，液化后储存在容器中的储氢方式。低温液化储氢具有质量密度高、储存容器体积小等优点，适用于重型公路运输、海上运输和部分航空领域。目前其质量储氢密度和体积储氢密度可达到5.5%和71kg/m3。由于氢气的相变焓为0.45 MJ/kg，将氢气从气相变为液相需要消耗大量的冷却能量，理论上液化1千克氢气需要耗费4～10kWh的电，约占其储存能量的30%。另外，为了保证液氢湿度始终保持在20～30K之间，防止储存过程中因温度升高导致的汽化现象，需要液氢储存容器必须达到苛刻的绝热条件，生产技术变得更加复杂，储氢成本增加。因此，如何降低液化与贮存成本是低温液态储氢产业化的发展方向。目前，在欧、美、日等国家和地区液氢技术的发展已经相对成熟，液氢储运等环节已进入规模化应用阶段。我国液氢技术主要应用在航天领域，民用领域尚处于起步阶段，氢液化系统的核心设备仍然依赖于进口。
管道储运氢
管道储运氢气可以分为纯氢管道运输和利用现有天然气管道掺氢运输两种模式。低压纯氢管道适合大规模、长距离的运氢方式。由于氢气需在低压状态（工作压力介于1～4兆帕）下运输，因此较之于高压运氢，管道输氢的能耗更低，但管道建设的初始投资较大。全球管道输氢迄今已有80余年的历史，美国、欧洲已分别建成2400千米、1500千米的氢管道，并且欧洲还开展了“欧洲氢能主体计划”项目，预计2040年完工近4×104千米的氢气管道。目前，我国已有多条输氢管道在运行，如济源—洛阳的氢气输送管道全长为25千米，年输气量为10.04×104t，设计压力为4兆帕，管材为L245无缝钢管；巴陵—长岭输氢管道全长42千米，投资额1.9亿元，管材为裂化碳素无缝钢管；乌海—银川焦炉煤气输气管线管道全长为216.4千米，年输气量达16.1×108m3，设计压力为3兆帕，管材为L245直缝双面埋弧焊钢管；金陵—扬子氢气管道全长超过32千米，设计压力为4兆帕，管材为20号钢。
基于现有基础设施的优势，将氢气掺混入天然气管道网络也被视为可行的氢气运输解决方案。在氢的混合比例较低（体积分数介于5%～10％）情况下可以与现有管道大部分兼容，但更高的混合比例是否可行，在很大程度上取决于每条管道的具体情况，以及其终端应用设备应对气体特性变化的适应能力。目前，德国天然气网络中的氢混合容量为10%，目标是到2025年将容量增加到20%，并将升级部分天然气管道，以满足未来100%氢气输送的需求。
化学储运氢
固态金属氢化物储运氢
固态金属氢化物储运氢是利用储氢合金在一定温度和压力条件下的可逆吸/放氢反应来实现氢气储运的。氢在储氢合金表面分解为氢原子，扩散进入合金内部与其发生反应生成金属氢化物，氢即以原子态储存在金属内的四面体与八面体间隙位置 。金属氢化物具有储氢体积密度大、安全、氢气纯度高、操作容易、运输方便、成本较低等优势。固态金属储氢的商业应用主要为潜艇、核电站、发电站、加氢站、便携式测试设备等（表3），如德国 GKN Hydrogen公司有10～265千克不同型号的固态储氢系统，可低压运行并100%可回收，无容量损失（材料消耗）等优势；美国ECD Ovonic公司采用轻质碳纤维包卷形成的储氢罐，所含的金属氢化物可储存约3千克的氢气；丰田公司的氢动力汽车均采用了ECD Ovonic公司的技术。目前，国内金属氢化物储氢应用还较少，正处于研发与示范阶段，提高金属氢化物的储氢量、降低材料成本、提高金属氢化物的可循环性等将是未来的研究重点。
液态有机化合物储运氢
有机储氢材料通常为液态，因而也被称为液态有机储氢载体（Liquid Organic Hydrogen Carrier，LOHC）。LOHC是利用液态有机化合物可逆的加氢与脱氢反应来实现氢气的存储与释放，通常具有约50g/L的体积储氢密度且储存、运输、维护、保养安全方便，便于利用现有储油和运输设备，同时还具有多次循环使用等优点。代表性的物质有：甲苯、乙基咔唑、二苄基甲苯等。日本于2022年2月利用甲基环己烷（MCH）储运从文莱进口的氢气，通过海运方式运送到日本ENEOS炼油厂；德国Hydrogenious Technologies公司采用二苄基甲苯作为液态储氢载体，计划在Dormagen化学园区建成世界上最大的绿氢存储中试工厂，每年大约可以在LOHC中储存1800吨氢气。这类储氢材料不仅可以用于氢燃料电池车，而且在大规模储能、长距离氢运输方面也具有显著的优势，但目前还存在着脱氢能耗大、高效低成本脱氢催化剂技术等瓶颈有待于突破。
液氨储运氢
氨作为富氢分子，用它作为能量载体，是氢气运输的另一种方式。哈伯—博施法是生产氨最常见的工艺，至今已有100多年的历史，现在仍主要用于化肥生产。氨可以在－33℃的温度下进行液化。另外，氨也可以在20℃环境温度和约0.9兆帕的压力下液化。在常规的氨运输中，通常选择冷却和加压存储的组合。液氨的氢体积密度是液化氢本身的1.5倍。因此较之于液氢，同等体积的氨可以输送更多的氢。目前海上运输或管道进行工业级的氨运输已经发展得很成熟，在全球大约有120个港口设有氨进出口设施，如美国的NuStar氨系统管道，全长约3200千米；俄罗斯的Togliatti-Odessa氨管道，全长约2000千米。但氨是有毒的化学物质，皮肤摄入、吸入或接触后，即使剂量很小，也具有破坏性或致死性。氨用作氢载体时，其总转化效率比其他技术路线要低，因为氢必须首先经化学转换为氨，并在使用地点重新转化为氢。两次转化过程的总体效率约为35%，与液化氢30%～33%的转化效率基本接近。
氢能储运技术及产业发展趋势
物理运输气态氢是最简单的氢储运形式，将氢气混入现有的天然气管道中，或使用专用的氢气管道，或利用加压容器运输氢气是当前最为现实的氢储运技术路线。不过，由于气态氢的体积能量密度低，加上运输距离有限，其他形式的氢运输需求不可避免地会相应增加。像所有其他气体一样，氢气也可以低温液化后，以冷液形式进行运输。此外，化学存储形式，例如转化为氨或使用液态有机氢载体（LOHC），也构成了其他具有高发展潜力的氢存储和氢物流技术。
目前制约氢能储运产业发展的重要因素之一就是氢气的储运成本，并且随着运输距离的增加，成本也必然随之增加。高压气态运输氢气是成本最高的运输方式，而管道长距离大输量运输氢气则是成本最低的运输方式，如图1所示；虽然液态有机化合物储氢载体和管道（100t/d）、液氨与液氢储氢成本均相当，但液态有机储氢载体和液氨在终端转化为气态氢也还需要一定的成本，如图2所示。未来随着氢气需求量的增加、技术的突破和基础设施的完善，氢气的储运成本才有可能进一步降低。
目前氢气主要是自产自用，如在靠近炼油厂、化肥厂等用氢地方生产氢气。未来以可再生能源为基础的氢能产业将依赖于大规模的氢能储运技术，因为制氢项目不一定在使用地点，解决氢储运的问题将会变得更加重要，氢气的高效输送和储存难度较大，低成本、高密度、安全的储运技术将是助推氢能产业化的关键。
油气行业拥有成熟的能源安全管理经验、完善的网络站点体系，拥有资源规划、炼化生产、油气储运及零售终端建设、运维等多方面的技术基础与整合能力，可以利用已有的经验和基础设施等优势，快速进入并规模化发展氢能储运产业。在长距离运输方面，可以利用已有管道运输及维护经验，进行不同比例的掺氢输送示范与评估，并随着氢气需求量的增加着手建设纯氢管道；陆地中短距离方面，利用已有的CNG、LNG储运经验，根据具体的距离、经济性、氢气纯度等需求来决定不同的储运方式，如液氢、液氨、有机化合物储氢载体、固态储氢、高压气态氢等；在沿海城市可以考虑利用液氨、液氢、液态有机化合物储氢等方式进行国际船运。
我们已经讲了制氢和氢能储运，后续将介绍氢能应用等内容，敬请关注。
引自：邹才能等，氢能工业现状、技术进展、挑战及前景，《天然气工业》2022（4）
