第1章 氢气存储与运输概述
1.1 概论
氢（H）是一种化学元素，在元素周期表中位列第一位。氢主要以化合态形式出现，而通常情况下，氢的单质形态为氢气。氢气是已知密度最小的气体，由双原子分子组成，无色、无味，具有还原性，可从水、化石燃料等含氢物质中制取，是重要的工业原料及能源载体。氢气燃点低、爆炸区间广且扩散系数大，见表1-1。因此，氢气发生泄漏后容易消散，且不易形成可爆炸喷雾，在开放空间下较为安全可控。氢气的热值较高，是理想的二次能源载体。
表1-1 氢气、汽油蒸气、天然气对比
氢能是指以氢气作为原料、来源广泛、清洁无碳、应用场景丰富的可再生能源。作为新型能源之一，氢能拓展程度相对较低，但环保效果极佳，具有热值高、制取成本较低、零碳排放等多重优点，可用于储能、发电、交通工具燃料驱动、家用燃料等。因此，氢能也成为支撑可再生能源大规模发展、推动传统能源结构转型的理想媒介，是实现我国“双碳”目标的重要途径，也是我国能源安全的一道重要保障，以及交通、工业、电力、建筑等多领域实现大规模深度脱碳的重要方式，有助于拉动产业链上下游多环节共同发展、协同多产业共同进步、提供经济发展驱动力。
目前全球多个国家和地区已颁布了氢能产业发展路径图。例如，2020年4月，荷兰正式发布国家级氢能政策，计划到2025年，建设50座加氢站、投放15000辆燃料电池汽车和3000辆重型汽车；到2030年投放300000辆燃料电池汽车。2020年6月，德国政府正式通过了国家氢能源战略，为清洁能源未来的生产、运输、使用和相关创新、投资制定了行动框架。2020年6月，法国交通部长宣布支持一项在2035年实现绿色氢燃料飞机的计划。2020年7月，欧盟发布了《欧盟氢能战略》和《欧盟能源系统整合策略》，希望借此为欧盟设置新的清洁能源投资议程，以达成在2050年实现碳中和的目标，同时在相关领域创造就业机会，进一步刺激欧盟在后疫情时代的经济复苏。美国、日本、韩国也将在已推出的氢能发展路线图基础上继续支持氢能产业的发展。2022年3月，国家发展改革委和能源局联合发布了《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》，明确了氢能的三大战略定位：氢能是未来国家能源体系的重要组成部分；氢能是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体；氢能产业是战略性新兴产业和未来产业重点发展方向。根据中国氢能联盟的预计，2020—2025年间，中国氢能产业产值将达1万亿元，2026—2035年产值则将达到5万亿元。
氢能产业主要分为制氢、储氢、运氢、加氢、用氢等环节，如图1-1所示。氢能供应体系，以实现绿色经济高效便捷的氢能供应体系为目标，中国将在氢的制储运加各环节逐渐突破。
图1-1 氢能产业的主要环节
1）制氢：化石能源制氢为目前主流，而电解水制氢是未来最具潜力的绿色制氢方式。
2）储氢：目前高压气储氢为主流，未来液氢、富氢液体、固体氢化物等先进储氢技术待突破。
3）运氢：与储氢方式紧密相关，气态储运、液态储运、固态储运等不同运气方式适宜不同应用场景。
4）加氢：加氢站为重要基础设施，到2025年我国加氢站建设目标为至少1000座。
5）用氢：氢气作为燃料，主要通过燃料电池或氢内燃机的方式转换成电能或动能，并用于氢燃料汽车、季节性储能、分布式发电等领域；或作为原料，用于氢冶金或氢化工等领域。
在氢能产业环节中，氢气的储存与运输是关键环节。根据储氢方式的不同，氢气的储存和运输可以分为高压气态储运氢、液态储运氢、固态储运氢，如图1-2所示。
图1-2 氢气储存与运输的主要方式
1）高压气态储运氢是指氢气以高压气态形式进行储存与运输的技术，氢气的储存密度与氢气压力直接相关。高压气态储运氢主要分为高压气瓶和管道输氢，前者将氢气储存在容器中进行运输，而后者则通过管道进行连续性运输。
2）液态储运氢是指氢气以液态氢或液态富氢化合物的形式进行运输的技术。液态储运氢主要分为液氢储运和富氢化合物储运，前者是将氢气降温至-253℃液化成液氢进行储运，后者是将氢气储存在富氢化合物（如液氨、甲醇、甲苯、二甲基咔唑等）中进行储运，并通过催化加氢/脱氢的方式进行氢气储存和释放。
3）固态储运氢是指绝大部分氢固定于固态储氢材料中进行储存和运输的技术。固态储氢材料的种类繁多，大体可分为储氢合金及金属氢化物（如稀土基、Ti基、Mg基、V基等）、配位氢化物（如LiAlH4、NaBH4等）、金属氮氢化合物（如LiNH2、LiAl(NH2)4等）、氨硼烷及衍生物（如NH3BH3、LiNH2BH3等）、金属有机框架材料（如ZIF-8等）、碳材料（如石墨烯、纳米碳管等）等。
目前，在众多储运氢技术中，高压气瓶储运是最为成熟的储运氢技术；管道输氢和液氢在国外已有较为成熟的应用，但是我国的工程应用相对缺乏；富氢化合物和固态储运氢技术处于产业化发展初期，只有少量示范应用。根据《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》，我国未来的储运氢方式是高密度、轻量化、低成本、多元化的氢储运体系，多种储运氢方式应根据应用场景的不同进行合理选择。