高壓氣態儲氫
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
高壓氣態儲氫的實例教程
高壓氣態儲氫技術形勢分析[J]. 儲能科學與技術, 2023, 12(8): 2668-2679.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-
4239.2023.0139
摘 要 在加速能源行業轉型的背景下，氫能憑借零污染、能量高、資源豐富、用途廣泛等優點，氫能產業受到了國家的高度重視。氫氣的穩定性極差，泄漏后易發生燃燒和爆炸，使得安全性低、儲運難度大、成本高，從而對氫氣的儲運技術提出了更高的挑戰。安全、經濟、高效的儲運氫已成為當前制約氫能規模應用的主要瓶頸之一。在諸多儲運技術中，高壓氣態儲氫技術為目前發展最為成熟、應用最廣泛的技術。本文通過對2003年以來美國、中國、日本、韓國等126個國家/地區進行數據檢索，抓取高壓氣態儲氫技術相關領域共2276條專利進行分析，分析專利申請趨勢、技術聚焦點、壟斷性、持有者情況和市場布局等，研究技術創新熱度、申請趨勢、地域布局情況和企業現狀等情況，為是否進入該技術領域、技術研究方向、專利布局點等提供支持。通過分析，高壓氣態儲氫技術領域壟斷性整體處于較低水平，熱點技術主要集中在高壓氣態儲氫容器、復合材料、鋁合金等方向，未來還需向輕量化、高壓化、低成本、質量穩定等方向發展。
展開 在長距離輸運情況下， 液氫技術路線的綜合成本低于高壓氣態儲氫技術路線， 液氫技術路線投資大和能耗高的問題，可通過設備自主化、產能規模化，以及液氫運輸成本對距離的不敏感性，并結合新能源電氫體系予以解決。
隨著我國“雙碳”目標的提出，清潔能源產業開始迅速推進，作為“零碳”能源——氫能的重要高效載體，液氫將會成為保證氫能規模化應用的有效實施途徑。
文章來源：化工365
免責聲明：本文系網絡轉載，版權歸原作者所有。如涉及版權，請聯系刪除！
當前我國在役加氫站全部為高壓氣態氫加氫站，低溫液態儲氫站仍在規劃中還未開始建設，民用液氫市場尚屬空白。但隨著燃料電池汽車（FCV）的普及與規模化應用，日加氫量規模將會遠超氣態加氫站的供給能力，這就意味著液氫加氫站會在未來氫能產業鏈中占據重要位置。
儲存系統
根據氫的3種不同狀態，可將儲氫方式分為高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫和固態材料儲氫3類。目前全球加氫站普遍采用前2種儲氫方式。
高壓氣態儲氫簡單易行、成本低、相對成熟、充放氣速度快，是一種較為成熟的儲氫方式。因此，也是加氫站中采用最多的儲氫方式。國內加氫站常用2種儲氫裝置：儲氫罐和儲氫瓶組。在GB 50516—2010中，推薦加氫站選用同一規格的固定式儲氫罐或儲氣瓶組，并應符合國家現行標準《鋼制壓力容器——分析設計標準》的有關規定。在安全規定方面，要求儲氫系統設置：安全泄壓裝置；氫氣放空管及切斷閥和取樣口；壓力測量儀表、壓力傳感器；泄漏報警裝置；氮氣吹掃置換接口；儲氣瓶組臥式存放及距離不小于1.5m；設置安全防護欄或其他防撞措施等。
與高壓氣態儲氫相比，低溫液態儲氫具有體積密度高和儲氫量大等優點。在常溫常壓下，液態氫的密度是氣態的845倍。因此，對于氫氣需求量比較大的加氫站，采用液態儲氫是一種不錯的方式，也是加氫站發展重要方向之一。在GB 50516—2020的征求意見稿中意見亦已增加了液氫儲存相關技術的標準和要求。
ISO 19880-1對于氣氫儲存系統，未有明確對儲氫容器的使用種類提出建議或要求，但要求每一組儲氫容器例如當使用儲氫鋼瓶或長管拖車儲存氫氣時，都應配置一套獨立的安全裝置，包括熱屏蔽系統、排氣系統、手動或自動的分離閥等。
展開 周少雄說，氫在通常條件下以氣態形式存在，且易燃、易爆、易擴散，使得人們在實際應用中要優先考慮氫儲存和運輸中的安全、高效和無泄漏損失，這就給儲存和運輸帶來很大的困難。
江蘇集萃先進能源材料與應用技術研究所開發固態儲氫自行車
目前，氫氣的儲運主要分為氣態、液態和固態三種方式。
氣態儲氫較為常見，可分為低壓和高壓兩種。過去，街頭巷尾賣氣球的小販，會載著一個大鋼瓶，這就是低壓儲氫罐。而高壓氣態儲氫最高可在70兆帕下存儲，目前我國常見的高壓儲氫也達到35兆帕，這就對壓力容器提出極高的要求，目前高壓儲氫罐采用碳纖維制造，成本極高且要消耗較大的能源進行壓縮。
氫氣在一定的低溫下，會以液態形式存在。因此，可以將氫氣壓縮、冷卻實現液態儲氫。常溫 、常壓下液氫的密度為氣態氫的 845 倍，但低溫液態儲氫不經濟。氫氣液化要消耗較大的冷卻能量，而且必須使用超低溫用的特殊容器，目前僅在儲存空間有限的場合使用，如火箭發動機等。
與化石能源或電力能源相比，氫能由于尚未很好地解決儲運問題，所以一直處在叫好不叫座的尷尬境地。因此，開發新型高效的儲氫材料、安全的儲氫技術對氫能的開發利用至關重要。
材料突破，
儲氫技術迎來“變革者”
與高壓氣態、液態儲氫相比，固態儲氫從體積儲氫密度、經濟性和安全性等因素考慮是最具商業化發展前景的儲存方式之一。
“固態儲氫相對于高壓氣態和液態儲氫，具有體積儲氫密度高、工作壓力低、安全性能好等優勢。”據周少雄介紹，固態儲氫是未來高密度儲存和安全氫能利用的發展方向。
固態儲存需要用到儲氫材料，目前技術較為成熟的儲氫材料主要是金屬合金。
展開 物理吸附儲氫技術雖然具有明顯的技術瓶頸，但與其他儲氫技術結合形成復合儲氫體系，仍然具有很好的協同效應，幫助提高儲氫效率、改善吸放氫動力學和熱力學性能，是儲氫領域必要的技術分支。
關鍵詞 儲氫；物理吸附；碳基材料；有機骨架；水合物
作為替代石油、煤炭等化石能源的主要清潔能源之一，氫能技術的發展迎來了很大的機遇與挑戰。氫儲運是氫能源大規模應用的前提，尤其作為移動應用端的清潔能源汽車，目前主要采用的是高壓氣態存儲，面臨的主要問題是質量儲氫密度低和存在安全風險等。因此，氫氣的商業化、規模化發展仍需要解決氫氣儲運的高密度、高安全性技術瓶頸。現有氫儲運技術包括高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫、有機液態儲氫和固態儲氫，其中固態儲氫的材料又可以根據氫氣與材料的鍵合能力及化學鍵類型分為3類：①物理吸附材料，氫氣通過物理吸附的方式以分子形態儲存在材料中，吸附能力一般較弱；②化學吸附材料，氫氣在材料表面解離后，通過共價鍵、金屬鍵、配位鍵等方式與材料元素形成新的化合物，結合牢固，放氫難；③復合儲氫材料，將物理吸附材料與化學吸附材料結合形成復合體系，通常利用納米化、添加催化劑等方式可以進一步提升儲氫性能。可見，物理吸附儲氫技術是氫儲運技術中一個重要的分支，通過研究物理吸附儲氫體系的種類、技術特點和未來發展趨勢可以為未來氫氣儲運的多元化提供技術路線，也為氫氣向商用、民用領域發展提供解決思路。
1 碳基材料物理吸附儲氫
碳基儲氫材料主要包括活性炭、石墨烯、碳納米管、介孔碳和碳氣凝膠等。
展開 
高壓氣態儲氫的最新內容
從儲氫技術成熟度、安全性和經濟性等方面來看，高壓氣態儲氫仍是當下儲氫方式的最優選擇，短中期高壓氣態儲氫仍是主流。該行業技術壟斷性整體處于較低水平，熱點技術主要集中在以高壓氣態儲氫容器、復合材料、鋁合金等方向的研究。未來還需向輕量化、高壓化、低成本、質量穩定的方向發展。
總體上來看，雖然物理吸附儲氫技術在儲氫量和應用條件上不具有優勢，但依托于其高安全性能，研究人員通常將物理吸附儲氫材料與化學吸附儲氫技術、高壓氣態儲氫技術等其他儲氫技術相結合，形成多元復合體系，通過協同效應提升儲氫體系的整體性能。
其中高壓氣態存儲技術較成熟，有著充放氫速度快、成本低的優勢，是目前車用儲氫的主要方法，但也存在體積儲氫密度低的問題，未來高壓氣態儲氫還需向輕量化、高壓化、低成本、質量穩定的方向發展；低溫液態儲氫低溫液態儲氫是先將氫氣液化，然后儲存在低溫絕熱真空容器中，該方式的優點是氫的體積能量高，但液氫的沸點極低，與環境溫差極大，對儲氫容器的絕熱要求很高，目前僅應用于航空航天領域。
1.1 行業背景
隨著全球氣候變化問題日益嚴重，各國紛紛加強對可再生能源和清潔能源的研究與開發。氫能作為一種具有高能量密度和環境友好的能源，逐漸受到各國政府和產業界的廣泛關注。在這個背景下，氫燃料電池汽車成為一種具有潛力的綠色交通工具。而氫燃料電池汽車的關鍵部件之一便是高壓儲氫氣瓶
氫氣儲存主要分為物理儲存和化學儲存，如圖1所示，常見的方法有低溫液化儲氫、高壓氣態儲氫、吸附儲氫、金屬合金儲氫、水合物儲氫等。低溫液化需要在常壓下將氫氣降溫到20 K，液化1 kg氫氣需要消耗15.2 kWh的電能，相當于儲存氫氣能量的30%。同時儲運過程中對于容器的絕熱性能要求極高，成本較高。高壓儲氫則是在常溫下將氣態的氫壓縮至高壓狀態儲存在氣罐中，應用比較廣泛，成本低。
針對車載儲氫需求，目前已發展出高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫、高壓深冷儲氫、金屬儲氫和有機物儲氫等多種技術路線［33-35］。其中，低溫液態儲氫技術在成本與儲氫質量密度上具有更佳的潛力，并在國外氫能領域和國內航天技術領域已有一定應用［36］。目前，我國尚未有液氫車載應用的先例，本文希望以此探索該項技術的可行性。
目前，我國氫能應用的主要形式為高壓氣態儲氫。相較于高壓氣態儲、供氫模式，低溫液態儲供模式具有儲氫比重高（攜氫密度大）、運輸成本低、汽化純度高、儲運壓力低和使用安全性高等優勢，能夠有效控制綜合成本，且運輸過程中不涉及復雜的不安全因素。
此外，液氫在制、儲、運方面的優勢更加適用于氫能的規模化、商業化供應。同時，隨著氫能終端應用產業的快速發展，也將倒推對液氫需求的增長。
目前液態儲氫和固態儲氫存在成本較高，且尚未形成產業化的問題，因此本文重點考慮氣態儲氫的情形；
高壓氫氣瓶儲氫是目前最主要的氣態儲氫方式：目前高壓氣態儲氫瓶有四種類型，Ⅰ型是傳統的純鋼制金屬瓶，Ⅱ型是鋼制內膽碳纖維纏繞瓶，Ⅲ型是鋁內膽碳纖維纏繞瓶，Ⅳ型 是塑料內膽碳纖維纏繞瓶。
圖 2 主要國家在氫燃料電池方面的研發重心分布
圖 3 氫燃料電池代表性企業的研發重心布局
在儲氫方面，高壓氣態儲氫技術在國內外獲得普遍使用，低溫液態儲氫在國外有較大發展，而國內暫限于民用航空領域的小范圍使用。
液氨、甲醇、氫化物、液體有機氫載體（LOHC）儲氫在國外已有成熟產品和項目應用，而國內仍處于小規模實驗階段。
“車載儲氫技術在目前相對成熟的高壓氣態儲氫模式下，已比較安全，同時技術還在不斷進步，安全性將進一步提高，讓大家放心使用。部分民眾的‘談氫色變’需要通過科普的方式來提升信任感和接受度。國內已有數千輛氫燃料公交物流車輛在安全運營當中，未來將有更多這類公交車等市政用車出現在普通民眾身邊，屆時大家對于氫氣的安全將有更加直觀的感受和理解。”
