原文發表于《科技導報》2025年第7 期 《新型氫儲運技術發展及應用現狀 》

氫能是實現“雙碳”目標、確保國家能源安全、發展低碳能源的重要技術途徑，而發展先進高效的新型氫儲運技術對中國能源轉型以及實現“雙碳”戰略目標至關重要。《科技導報》邀請了高級工程師張巖團隊，圍繞固態儲氫、有機液態儲氫、甲醇儲氫和氨儲氫等多種新型儲運氫技術特點、發展現狀、經濟成本及關鍵技術瓶頸進行了重點分析，探討了其未來發展方向，并橫向對比了不同氫儲運技術的經濟性水平與應用前景。不同儲運技術各具優勢與局限，需要綜合考慮氫儲運量、運輸距離、安全性、碳排放及具體應用場景，以確定最優的技術路徑和應用方案。

氫能具有能源和化工原料的雙重屬性，是實現“雙碳”目標、確保國家能源安全、發展低碳能源的重要技術途徑，目前主要應用于能源、交通、鋼鐵冶金、石油化工等領域。隨著國家政策的大力支持以及氫能產業技術的快速發展，目前氫能正朝著高效、先進、多元的方向發展，在儲能、燃料、化工、鋼鐵、冶金等領域應用廣泛。隨著中國氫能產業技術的大規模發展，制氫和用氫的單一項目早已突破萬噸級，而儲氫技術依然停留在百噸級水平，這嚴重制約了氫能的大規模發展。因此，發展先進高效的新型氫儲運技術對中國能源轉型以及實現“雙碳”戰略目標至關重要。

01

固態儲氫技術

1.1

固態儲氫材料

固態儲氫技術是指將氫氣儲存于固態材料的表面或原子間隙中，可通過物理吸附、化學反應2種機制來實現。物理吸附儲氫方式通常具有更快的動力學速率以及良好的可逆性能。而化學反應通常需要克服化學反應能壘，導致其吸/放氫動力學速率較慢，但其因高儲氫效率、高儲氫密度、高放氫純度、操作簡單、運輸便捷等特性，有望廣泛應用于船舶、核電站、氫能工業等領域，是當前最受關注且極具發展潛力的新型氫儲運技術。目前，主要的金屬/合金氫化物儲氫材料見表1。

表1 典型儲氫金屬/合金性能及其優缺點

目前，金屬儲氫材料主要有稀土系合金、鈦系合金、鎂系合金和釩系合金等。圖1比較了不同儲氫材料，由此可知，復雜金屬氫化物儲氫材料具有較高的質量儲氫密度，但其復雜的合成過程以及較差的可逆循環性能對其工程應用帶來嚴峻挑戰。因此，為提升其動力學速率并降低熱力學穩定性，目前研究重點主要集中通過納米化和催化劑協同效應以規模化、穩定化開發具有低吸放氫溫度和高儲氫容量的鎂基復合儲氫材料，并降低材料成本、延長其使用壽命。

圖1 金屬氫化物性能比較

1.2

固態儲氫系統

固態儲氫系統體積儲氫密度高、儲氫壓力低，從而降低了其對儲氫裝置壓力等級等關鍵技術指標的要求。但固態儲氫系統吸/放氫過程伴隨大量的熱量釋放/吸收，這增加了其對儲氫系統導熱性能的要求。儲氫罐體導熱性能取決于床層構型、換熱管道布置、換熱翅片結構、操作參數等。圖2對比了不同床層構型下固態儲氫系統的儲氫效率及換熱效率。結果表明，基于不銹鋼固定的金屬氫化物填充方式可顯著提升儲氫罐體整體換熱性能、提升其吸/放氫速率，并增加罐體儲氫密度，降低操作難度。另外，通過優化床層孔隙率并添加高導熱系數材料（如金屬顆粒、碳納米管、石墨烯、硼氮化物等）亦可增強儲氫系統換熱效果。

圖2 不同金屬氫化物反應床構型

在換熱結構方面，目前設計的儲氫罐體內部有直管換熱型、內部螺旋管換熱型等，同時包含過濾器、鰭片、金屬泡沫、加熱管等以強化換熱效果。圖3比較了不同換熱結構下固態儲氫系統儲氫及導熱性能。事實上，系統最優換熱結構受制于床層結構、罐體大小、儲氫材料、操作條件等眾多參數。

圖3 不同反應器換熱結構對比

為解決固態儲氫系統在工程應用中面臨的吸/放氫速率遲緩、換熱能效不足等問題，當前，在固態儲氫罐換熱結構及操作參數等的優化上也有不少研究，主要以增強冷卻/加熱流體與床層及氫氣之間的傳熱效果為目的。未來可基于神經網絡、機器學習等深度學習算法，準確辨識固態儲氫系統的吸/放氫過程，從而指導換熱結構的設計。

1.3

固態儲氫成本分析

固態儲氫系統的成本主要涉及充裝設備、固定/移動式固態儲氫裝置、放氣及增壓設備以及相關環節的能耗、折舊、人力等。經濟性計算范圍涉及氫氣的充裝、儲氫、運氫、脫氫以及將氫氣提純/加壓至用戶所需組分和壓力等級。目前，固態儲氫技術暫無大規模應用案例，也無相關國家標準。氫氣平準化成本（LCOH）與儲氫密度、材料循環壽命、使用年限等參數有關。固態儲氫中，對比鈦基和鎂基儲氫材料，二者循環壽命均能達到3000次以上，但相同儲氫量條件下鈦基儲氫材料較鎂基儲氫材料成本更高。

1.4

固態儲氫技術示范現狀

目前，固態儲氫系統的示范主要以鎂基固態儲氫和鈦錳系儲氫材料為主。如國家稀土功能材料創新中心牽頭研發的稀土系固態儲氫系統示范裝置，實現了20 kg級低壓固態儲氫裝置，可應用于用氫企業及加氫站等場景。上海交通大學氫科學中心與氫楓能源共同研發的全球首臺噸級鎂基固態儲運車可實現噸級規模儲運氫，具備常溫儲運、低壓存儲等用氫特性，其儲氫密度是當前主流20 MPa高壓長管拖車的3倍以上，如圖4（a）所示。此外，國外眾多高新技術研發機構和公司紛紛致力于推動固態儲氫技術向應用端迅速發展。如法國McPhy公司于2014年開發的基于鎂基固態儲氫的INGRI系統，如圖4（b）所示。澳大利亞Hydrexia公司在2015年開發的鎂基儲運氫系統，可實現氫氣的大規模安全存儲。美國Ergenic Corp公司設計的La-Ni-Al儲氫合金系統可在室溫下進行吸脫氫循環，可用于如光電轉換、水泵、溫度傳感器、壓縮機以及空調等多種領域。總之，固態儲氫系統目前仍然處于示范驗證階段，未來實現固態儲氫大規模的應用需要進一步降低系統成本，減小氫化/脫氫環節能耗，提升材料循環壽命。

圖4 固態儲氫技術示范

1.5

固態儲氫關鍵技術瓶頸

盡管固態儲氫系統在部分領域已有相關示范應用，但其距離大規模產業化發展還有一定距離。首先，現有固態儲氫技術尚未實現高質量儲氫密度和快速吸/放氫速率的協同兼顧。其次，大規模產業化應用場景下的鎂基儲氫材料放氫溫度較高，高放氫溫度使氫化鎂脫氫環節能耗較大，進而降低了氫能利用路徑的綜合能源效率。最后，高性能鎂基儲氫材料的現有技術制備加工成本高，同時大容量鎂基儲運氫系統試驗成本過高。未來需要進一步降低材料成本、制造工藝成本和系統運行成本，以確保鎂基儲氫技術的市場競爭力。

02

有機液態儲氫技術

2.1

有機液態儲氫載體

有機液態儲氫技術（LOHC）利用有機液態載體與氫氣的可逆加氫、脫氫反應來實現氫的儲存。常見的有機液態載體有苯（BZ）、甲苯（TOL）、萘（NAP）、N-乙基咔唑（NEC）、二芐基甲苯（DBT）、氨（NH3）和甲醇（MET）。優異的有機液態儲氫載體需要具備較高的儲氫能力、良好的熱力學性能、容易脫氫和純化、低成本、可逆性能良好以及毒性弱、環境友好等特點。圖5總結了不同有機液態儲氫載體的儲氫性能。盡管目前苯、甲苯、萘、環己烷等均可作為儲氫載體，但現有有機載體吸/放氫催化劑很難兼具高溫穩定性和低溫高催化活性，未來有機液態儲氫技術仍然很大程度上依賴于能否開發兼具高脫氫效率、低脫氫溫度，且穩定性好、成本低廉的催化劑。

圖5 不同液態儲氫載體性能對比

2.2

有機液態儲氫示范現狀

日本千代田化工建設公司和德國Hydrogenious Technologies（HT）公司為國際領先的有機液體儲氫技術公司。中國在有機液態儲氫載體的研發主要集中在甲苯、二芐甲苯和NEC等載體上，以武漢氫陽能源有限公司等為代表的有機液體儲運氫技術研發單位近年來在實際應用方面取得了實質性進展。近年來，有機液態儲氫技術在中國發展迅猛，吸引了大量氫能企業的關注與投資。

2.3

有機液態儲氫成本分析

目前，有機液態儲氫技術成熟度較低，遠未規模商業化應用，因此現有示范運行項目經濟性成本與期望水平相差較大。同時，有機液態儲氫技術成本邊界涵蓋吸氫/放氫設備、催化劑、載體、氫氣提純等環節以及相關路徑的能耗成本，儲氫價格受用氫區域和應用場景的影響較大。盡管目前關于有機液態儲氫成本的研究較多，但不同的研究選擇的評判條件、影響因素、系統特征及邊界參數不同，因此經濟性成本差別較大。圖6比較了不同有機液態儲氫技術在相同儲氫規模下的投資成本，結果表明，在LOHC技術中，換熱成本占比最高，其次為反應器開發成本；在NEC和NAP技術中，壓縮機成本也不容忽視。

圖6 不同有機液態儲氫技術的投資成本

2.4

有機液態儲氫關鍵技術瓶頸

現階段，有機液態儲氫技術成熟度較低，包括當前主流甲苯、二芐基甲苯等儲氫載體脫氫溫度較高、釋氫速率較低、氫氣提純難度較大；同時氫化和脫氫過程依賴于貴重金屬催化劑，制約了有機液態儲氫技術的大規模產業化發展。未來技術發展方向應主要集中在：（1）借助當前油氣儲運基礎設施，進行“氫油”輸送，以降低運輸成本；（2）開發化學性能更為穩定的儲氫載體，包括高沸點、穩定化學結構、揮發性低等；（3）進一步提高儲氫密度，且減小氫氣提純難度；（4）儲氫載體應該表現出良好的環境適應性。

03

甲醇/氨儲氫技術

基于甲醇和氨的儲氫技術是將氫氣與二氧化碳或氮氣發生反應，生成甲醇或氨，來存儲與運輸氫氣。基于甲醇、氨的氫氣儲運方式與直接運輸氫氣相比，具有更高的儲運氫密度。同時，甲醇和氨（加壓）常溫下為液態形式且相對穩定，可借助現有技術設施來存儲和運輸，大幅降低儲運成本。另外，甲醇和氨的儲運氫方式具有較高的安全性，且操作便捷，有望成為未來氫能技術發展的重要方向之一。甲醇、氨和氫氣的基本物理性質如表2所示。

表2 甲醇、氨、氫物理性質對比

甲醇和氨化學性質穩定，是理想的氫氣替代燃料。常溫常壓下甲醇儲氫技術能夠以更高的能量密度承載氫氣，相較于液化和高壓儲氫技術更為優越。此外，甲醇儲氫技術還可與現有加油站系統耦合使用，無須建設昂貴的加氫站。氨作為一種富氫物質，被視為理想的氫能載體。相較于純氫，氨更易于長時間儲存和長距離運輸，尤其在零碳經濟中具備重要戰略地位。

3.1

技術現狀

3.1.1 綠色甲醇技術

典型綠色甲醇合成過程如圖7所示。綠色甲醇主要以可再生電力制取的氫氣和基于二氧化碳封存和捕集技術獲取的二氧化碳為原料。現階段，甲醇的儲運技術成熟，可通過卡車、火車、船舶等多種運輸方式實現甲醇的運輸。一方面，甲醇可以直接作為能源或工業生產的原料，或利用催化重整技術制氫；另一方面，甲醇重整后產生的二氧化碳可通過碳捕集技術回收，再次應用于甲醇生產，實現碳的閉環循環。

圖7 綠色甲醇合成過程

3.1.2 綠氨技術

氨作為高效的儲氫介質，具有高能量密度、清潔無污染、高安全性等特點，能夠顯著提升儲運氫過程的效率。然而，綠氨技術仍處于起步階段。與傳統氨氣合成技術相比，綠氨合成是將電解水制氫技術、空分技術及哈伯法合成氨技術相結合。目前，國內多家企事業單位宣布了多個綠氨項目，自2021年以來，國內陸續有20多個綠氨合成項目宣布立項。典型綠氨合成方法及應用前景如圖8所示。

圖8 典型綠氨合成方法及應用前景

3.2

成本分析

綠色甲醇和綠氨生產、運輸過程的成本主要涵蓋基礎建設、電力價格、運輸工具及場景需求。對綠色甲醇來說，其成本受二氧化碳封存捕集技術及綠氫生產技術的影響較大。當前綠氫的價格受制于可再生能源發電成本及電解槽的成本，受地域因素影響較大。對于綠氨來說，成本主要涵蓋空氣分離，綠氫制取以及氨氣合成，其中綠氫制取的成本占比約90%以上。目前氨氣的成本預計為720~1400 $/t，隨著未來技術的進步以及原料價格的降低，預計2050年氨的成本將有可能降低至310~ 610 $/t。

3.3

技術瓶頸

目前，甲醇儲氫技術的重點主要集中在3個方面。一是甲醇重整和利用過程會產生大量二氧化碳排放。二是甲醇重整過程能耗較大，開發兼具高活性和高穩定性的催化劑是未來進一步發展的方向。三是甲醇利用過程中副產物一氧化碳的純化過程復雜。未來需要重點發展低溫低壓合成氨和安全低溫氨分解催化劑及反應器技術。此外，氨具有更高的毒性、腐蝕性，導致其安全保障成本較高，而目前綠氫的高制取成本也使得綠色甲醇和綠氨制取的成本較高。

04

不同儲氫技術對比分析

不同儲運氫技術的特點對比見表3。此外，圖9比較了不同儲氫技術儲運環節的經濟性水平。首先，管道運輸液氫對運輸半徑的敏感性較弱，在運輸半徑較長下經濟性程度占優，但液氫運輸溫度較低，容易液化。另外，如終端存在余熱可利用條件下，鎂基固態儲氫在中長距離運輸規模下的經濟性程度占優。綜合比較固態、氨、甲醇儲運，經濟性鎂基固態儲氫相對較好，甲醇儲運經濟性稍優于氨儲氫技術，但考慮到甲醇可帶來二氧化碳的排放，未來碳稅市場成型后，經濟性可能會較氨儲運差。考慮到運輸氨為危險化學品，未來大規模運輸時，氨氣泄露隱患需要更加關注。此外，圖10對比了各種儲運氫技術的體積和質量儲氫密度。氣態儲運氫技術的儲氫密度較低，而輕金屬基固態儲氫是非常有前景的儲氫技術，可以同時實現高的質量和體積儲氫密度。

表3 新型氫儲運技術對比

圖9 不同儲氫技術經濟性對比

圖10 不同儲氫技術儲氫密度對比

05結論

我們重點分析了新型的固態儲運氫、有機液態儲運氫、綠色甲醇儲運氫以及綠氨儲運氫技術的特點、發展現狀、經濟成本及關鍵技術瓶頸，指出了新型儲運氫技術的發展方向，橫向對比了多種儲運氫技術的經濟性水平及應用前景，具體結論如下：

1）盡管固態儲氫系統在部分氫能領域已有相關示范應用，但其距離大規模產業化應用還有一定距離。現有研究在添加催化劑、納米化和構建復合儲氫體系等方面提升了鎂基儲氫材料性能，但其產業化發展依然面臨高成本、高能耗等諸多關鍵挑戰。

2）有機液態儲氫技術優勢是液體的操作相對簡單，主要問題包括有機液態儲氫載體脫氫溫度較高、釋氫速率較低，氫氣需提純，同時氫化和脫氫過程依賴于貴重金屬催化劑，一定程度制約了有機液態儲氫技術的大規模產業化發展，需要在有機液體本身儲氫密度及循環穩定性和催化劑性能提升上進一步研發。

3）綠色甲醇技術面臨的關鍵技術瓶頸主要有綠色甲醇合成和重整產氫能耗、成本較高，應用端有二氧化碳排放及氫氣純化以及一氧化碳去除困難等技術挑戰；而綠氨技術主要面臨能耗較高、存在安全風險隱患以及成本較高等關鍵挑戰。

4）綜合比較鎂基固態儲氫、有機液體儲運氫、氨、甲醇儲運氫技術來看，各種技術均有利弊，需要對不同的氫儲運量、運送距離、安全性、碳排放、應用場景等做出綜合分析，從而找到合適的路徑與應用方案。

本文作者：張巖、王旭升、林羲、晏嘉澤、孫玉杰、姜方、鄒建新

作者簡介：張巖，北京國氫中聯氫能科技研究院有限公司，高級工程師，研究方向為儲運氫技術；鄒建新（通信作者），上海市氫科學重點實驗室 & 上海交通大學氫科學中心，教授，研究方向為儲運氫技術。

文章來源 ： 張巖, 王旭升, 林羲, 晏嘉澤, 孫玉杰, 姜方, 鄒建新. 新型氫儲運技術發展及應用現狀[J]. 科技導報, 2025, 43(7): 67-78 .

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