文/蔡立柱  裴金迪

摘  要：本文综述了氢能及其存储技术的发展现状，并对其在环境领域的绿色应用进行了总结及展望。氢能作为一种清洁、高效的能源载体，在应对气候变化和能源转型中扮演着重要角色。本文介绍了对氢气的制备、储存和应用，探讨了存储技术的进展以及二者在环境领域的发展及应用，并展望了氢能未来发展的趋势，强调了其在实现碳中和目标中的重要作用。

关键词：氢能；氢气瓶；清洁可再生能源；碳中和；环境

随着全球气候变化问题日益严峻和传统化石能源的枯竭，寻找清洁、可再生的替代能源已成为当务之急。氢能来源广泛、热值高、使用过程无污染，被认为是未来能源体系的重要组成部分。其可以气态、液态或固态的形式存在，便于运输和利用，广泛应用于交通、工业、电力等多个领域。在新发布的《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》中明确指出氢能产业的新兴战略地位，提到要稳步构建高密度、轻量化、低成本、多元化的氢能储运体系，打通氢能产业链上下游关键环节，推动工业领域代替应用绿色转型。氢能存储作为制氢端和用氢端的枢纽，高效、安全、经济的存储技术是未来推动氢能大规模应用的前进方向。

1 氢能概述

1.1 氢能的基本性质

氢能是指以氢气为能源载体，通过化学或电化学反应释放能量的一种清洁能源。氢是宇宙中最丰富的元素[1]，在地球上主要以化合物的形式存在，如水、化石燃料等。氢气物理化学性质独特，在标准状态下为无色无味气体，液化温度为-252.87℃，密度仅有0.0899g/L，但热量密度极高，燃烧热值可达142MJ/kg，是焦炭的4.5倍、汽油的3倍[2]。氢的燃烧产物只有水，是真正意义上的清洁能源。但氢能的低密度及低沸点也为其储存带来一些困难：氢气需通过压缩或液化等形式转换来提升运输效率，还易燃易爆，与空气混合后在体积分数18.3%~59%内成为爆鸣气。

1.2 氢能的制取技术

氢能的制取有多种方法，其中化石燃料制氢、电解水制氢是较多厂家的选择，多种新技术也在研发应用中（表1）。

1.3 氢能的应用领域

（1）汽车交通领域。氢燃料电池汽车是氢能在交通领域的典型应用，具有高效率、安全可靠等优势。其能量转换次数少，可实现化学—电能的直接转化。（2）工业领域。氢气是化工行业重要的工业原料，广泛应用于合成氨、炼油、甲醇生产等过程。在冶金工业中，氢可代替传统还原剂参与反应，降低碳排放实现绿色化冶金。在传统玻璃制造中，还可提供SiO2熔化所需的高温，减少污染物排放。近年来，氢气逐渐用于电子工业，为半导体生产等提供高纯度保护气体，助力先进制造业发展。（3）发电领域。氢能可用于燃料电池发电或氢燃气轮机发电，为电网提供稳定的清洁电力；还可作为储存介质将可再生能源的富余电力转化为氢气贮存，需要时再利用其发电。（4）航天太空领域。氢能在火箭推进和能源供储方面极具应用价值，能量密度大，与液氧结合燃烧能产生强大推力，如美国的土星五号、欧洲的Ariane火箭及我国长征系列部分火箭都是采用液氢推进剂。

2 氢能存储技术

2.1 氢能存储技术概述

发展安全、环保、高效的储氢技术是实现氢产业经济的关键环节，目前的存储方式主要分为物理和化学存储两大类。物理存储通过改变氢气的物理状态实现存储，包括高压气态储氢、低温液态储氢和吸附储氢等。化学存储是使用金属化学反应形成稳定的化合物[6]。目前工业应用上，高压气态储氢和低温液化储氢最为常见。

2.2 高压气态储氢

氢气的密度非常小，1kg氢气在常温常压下体积仅为11m3，需提高氢气在单位体积内的存储量满足实际应用需求。一般使用高压气瓶或气罐灌装，设备简单易于运输，充放速度快，是氢能存储技术发展的重点。根据美国机械工程师协会和国际标准化组织对不同材料技术气瓶的分类，现有Ⅰ型~Ⅴ型五类气瓶（图1）。

图1 高压储氢气瓶的发展

早期的储氢气瓶为Ⅰ型全金属瓶，一般使用优质钢或铝制成，价格低廉易加工，但纯金属结构强度有限，应用限制大。Ⅱ型复合材料气瓶应运而生，采用纤维环向缠绕的方式可承受26~30MPa压力，但Ⅱ型气瓶的轴向强度不足，容重比大，储氢效率仍是较低，故在Ⅲ型复合气瓶上采用了全纤维缠绕的结构。Ⅲ型瓶的内衬不承担压力载荷的作用，主要起储氢作用，结合成本等多种原因，通常为铝合金材质；外部纤维在环向基础上增加了纵向/螺旋缠绕，减轻了气瓶重量，增加了储氢效率，可在30~70MPa的压力范围内使用。Ⅳ型瓶以Ⅲ型瓶为蓝本，更换了内衬材料为塑料材质，只有接头是金属，重量更轻储氢密度更大，是我国气瓶市场转型的推进方向。Ⅲ型瓶技术在国内已形成大规模生产线，产品广泛应用于氢燃料电池交通运载工具及医用气体的储运。Ⅳ型瓶在国外研发应用较早，如挪威Hexagon公司、韩国ILJIN公司、美国Quantum公司，都已经掌握70MPa储氢瓶技术，2015年上市的丰田Mirai汽车就装载了70MPa三层结构复合材料内衬储氢罐，质量储氢密度达5.7%。

为进一步实现极致的轻量化和高存储密度，开发出了全新的Ⅴ型气瓶。它摒弃传统内衬，仅依靠纤维复合材料结构满足所需性能，消除了内衬重量和腐蚀问题。美国CTD公司合作研发了Ⅴ型高压储气瓶，并安装在了FASTRAC 1卫星上，该气瓶容积为1.9L，重量仅有0.2kg，轻量化的设计也使其拥有更多应用场景。

2.3 低温液化储氢

氢气液化存储是将氢气压缩冷却到-252℃以下，使之变为液态再存到特制的绝热容器中。液氢的体积密度可达71kg/m3，储氢效率是所有储氢方式中单位储氢量最大的。但液氢的沸点低、易蒸发，压缩液化所需能耗极大，这对液氢存储提出了高要求。通常液氢容器内壁使用耐低温材质如不锈钢或铝合金，确保其在低温下的结构强度；结构采用高真空多层绝热，减少外部热量渗入，防止液氢蒸发损失，常见绝热材料为高反射率铝箔和低导热率间隔材料。储罐容积越大液氢的蒸发损失量越小，故球形容器是最佳选择。美国航空航天中心在肯尼迪航天中心新建的球形液氢储罐容积可达4700m3，可容纳333t液氢。国内目前多使用圆柱形储罐，单罐储氢能力为300m3，已成功应用于火箭发射场。

2.4 其他储氢技术

除了气态及液态储氢外，一些新兴储氢方法也在蓬勃发展。利用一些材料优良的吸附性能如活性炭、碳纤维等，可反复吸放氢能；MOF材料孔隙率高、吸附量高、热稳定性好，是极具储氢潜力的材质。在一定温度和压力下，金属也可用来储氢，通过扩散作用形成金属氢化物，加热分解即可放出分子。

3 氢能技术在环境领域的应用

在全球应对环境变化的现状下，氢能及其存储技术作为清洁能源转型的重要支撑，正在环境领域展现出巨大的应用潜力。作为零碳能源载体，氢能可通过可再生能源电解水制取，实现能源生产和使用的零碳排放，为高排放领域的深度脱碳提供了转型路径。中国宝武钢铁集团的氢基竖炉直接还原铁项目，以富氢气体作为还原剂，预计每年可减少50%以上的CO2排放量。储氢技术的创新发展有效解决了氢能大规模应用的难题，多种储氢材料及技术的突破提高了氢能储存的安全性和经济性，降低了能量损耗和环境影响。在环境治理领域，氢能燃料电池大幅减少了城市空气污染物排放，氢能发电为可再生能源的消纳提供了重要支撑，缓解了弃风、弃光的问题。

氢能正在逐步代替传统化石燃料，显著降低工业生产过程中的碳排放强度。随着碳捕集与封存技术的发展，有效控制了蓝氢生产过程中的碳排放，提升了氢能的环境友好性。加拿大Quest项目已捕集并封存超过600万吨CO2，减少碳排放100万吨，生产的蓝氢还可为炼油厂提供清洁氢源。储氢技术的进步推动了分布式能源系统的发展，推动了能源绿色转型，为能源结构调整、实现碳中和目标提供技术支持和解决方案。

4 氢能经济绿色发展与挑战

全球氢能产业正处于快速发展阶段，各国纷纷制定氢能发展战略，加大研发投入和基础设施建设。随着技术进步和规模化，氢能成本有望持续下降，进一步推动氢能经济的发展。氢能技术的发展仍面临诸多挑战。在技术方面，需进一步提高制氢效率、降低储运成本、提高燃料电池性能等；在经济性方面，目前氢能成本仍高于传统能源，需要政府政策支持和产业链协同发展；在安全性方面，需完善标准规范，提高公众接受度。氢能基础设施建设、专业人才培养等也是需解决的问题。

未来，氢能技术将朝着高效低本、安全可靠、绿色环保的方向发展。可再生能源电解水制氢将成为主流制氢方式，新型储氢材料和技术的突破将提高储氢密度和安全性，燃料电池性能将不断被提升，成本持续下降。氢能与其他清洁能源的协同发展将推动能源系统向低碳化、智能化方向转型。预计到2050年，氢能在全球能源消费中的占比将达到12%~15%。

5 结语

本文综述了氢能技术的发展现状，重点讨论了氢气瓶技术的进展及其在清洁能源领域的应用。尽管氢能技术仍面临诸多挑战，但随着技术进步和产业生态的完善，氢能经济有望迎来快速发展。未来，氢能将在交通、工业、电力、环境能源等领域发挥越来越重要的作用，为实现碳中和目标和构建可持续能源体系作出重要贡献。

参考文献

[1]吴朝玲,李永涛,李媛.氢气储存和运输[M].北京:化学工业出版社,2021.

[2]朱敏.先进储氢材料导论[M].北京:科学出版社,2015.

[3]邹才能,李建明,张茜,等.氢能工业现状、技术进展、挑战及前景[J].天然气工业,2022,42(4): 1-20.

[4]陈思晗,张珂,常丽萍,等.传统和新型制氢方法概述[J].天然气化工,2019,44(2):122-127.

[5]周天,赵叶静,刘志强,等.生物质制氢与煤制氢过程的技术经济分析与生命周期评价[J].中南大学学报(自然科学版),2022,53(7): 2733-2745.

[6]张盛,郑津洋,戴剑锋,等.可再生能源大规模制氢及储氢系统研究进展[J].太阳能学报,2024,45(1):457-465.

（作者单位：沈阳欧施盾新材料科技有限公司）