氫儲運技術是氫能利用中的關鍵一環,也是制約氫能走向規模化應用的最大難點。氫儲運是指將制得的氫氣進行壓縮或液化后儲存，再通過車載或管道等方式運輸至下游加氫站、化工企業等應用領域。該環節是連接上游供給及下游需求的關鍵，是整個產業鏈環節中的必不可少的一環。氫原子半徑很小且非常活躍，導致儲運技術難度較高。在“制、儲、運、加、用”的氫能全產業鏈中，儲運環節成本超過30%，大大限制了氫能在下游領域的應用，如何實現低成本、安全、高效的儲運氫，是氫能產業未來發展的重要方向。

目前，儲氫方式主要有三種，分別是氣態儲氫、液態儲氫和固態儲氫。其中，高壓氣態儲氫是國內應用最廣泛的儲氫方式，低溫液態儲氫、固態儲氫逐漸進入示范應用階段。高壓氣態儲氫高壓氣態儲氫是指通過高壓壓縮的方式存儲氣態氫，其儲存方式是采用高壓將氫氣壓縮到容器里，通常由鋼、鋁、碳/玻璃纖維、高分子材料等制成。高壓氣態儲氫具有技術成熟、運輸成本相對低廉、充放速度快、操作方便快捷等優點。但受高壓和氫元素特性影響，運輸材料易發生氫脆，存在泄露風險，同時儲氫體積密度低。高壓氣態儲氫關鍵設備為壓縮機和儲氫瓶。氫氣壓縮機主要作用為通過提高氫氣儲存密度和壓力將氫氣壓縮成高壓氫氣。壓縮機在整個氫能產業鏈中應用廣泛，氫氣生產環節中制氫廠需將氫氣壓縮至相應的儲氫瓶中；在管道運輸中，需要在運輸途中使用氫壓機為氫氣提供動力；氫氣送至加氫站及下游應用端后，需要經過壓縮機進行再次壓縮儲存。

圖 1 壓縮機應用場景

氫氣儲運環節中常用的兩種壓縮機為隔膜壓縮機和液驅壓縮機。隔膜壓縮機通過膜片在液壓油的推動下來回擺動，從而完成吸氣、壓縮、排氣循環往復的過程。隔膜式壓縮機技術國內應用成熟度較高，具有氣體無污染、無泄漏、壓縮比較好的優點，成為當前市場主流，在氫氣壓縮機市場份額達到70%，其中在充裝壓縮領域占比達到90%以上，在加氫站壓縮領域占比超過60%。液驅活塞式壓縮機利用液壓油驅動活塞往復運動從而實現氣體的壓縮，具有結構簡單、體積較小等優點，且啟停不影響壓縮機壽命，目前主要應用于撬裝式加氫站。

圖 2 壓縮機類型及對比

（一）氫氣壓縮機逐漸向高壓、大排量、國產化發展

下游需求倒逼壓縮機逐步向高壓、大排量方向轉變。隨著下游燃料汽車氫氣加注壓力的提升續航里程不斷提升，加注壓力為70MPa的燃料汽車的續航里程為35MPa的1.6倍之多，倒逼加氫站的壓縮機由目前主流的35MPa壓縮機提升至70Mpa。同時加氫站為滿足大規模車隊在有限的場地上加注，最佳路徑為增大壓縮機的排量，隨著壓縮機的排出壓力及排量的增加，壓縮效率有望進一步提升。液驅式壓縮機滲透率提升空間較大。在大排量壓縮機成為未來趨勢的背景下，液驅式壓縮機憑借排量高、模塊化設計、體積相對小、維修簡單、密封件壽命高等特點，近兩年關注度不斷提升，未來液驅式壓縮機需求有望保持高增。國產化替代趨勢明確。目前加氫站壓縮機成本約占加氫站建設設備總成本的30%，進口壓縮機售價為300-500萬元，而國產壓縮機售價僅為100-200萬元，過去加氫站中進口壓縮機占比約為70%，隨著國產品牌技術迭代及產品性價比提升，目前加氫站國產品牌占有率達到50%，未來隨著加氫站對壓縮機性價比及產品售后維修要求的提高，國產品牌替代空間有望進一步提升。

（二）國內氫壓機企業布局加速

隨著加氫站建設速度的加快疊加制氫項目迅速落地，氫氣壓縮機未來幾年的需求將迎來快速增長。國內氫壓機行業龍頭企業為中鼎恒盛，在大流量氫氣充裝壓縮機領域市占率高達90%，在加氫站壓縮機領域市占率為30%。2021年以來氫壓機企業布局明顯提速，多家企業中標氫壓機采購項目。

圖 3 氫壓機項目情況統計

（三）儲氫瓶為氫能儲存的重要容器

儲氫瓶為氫能儲存的重要容器，高壓氣態儲氫技術通過儲氫瓶實現氫氣的儲存和釋放。根據內部結構選取材料的不同儲氫瓶主要分為純鋼制金屬瓶（I 型）、鋼制內膽纖維纏繞瓶（II 型）、鋁內膽纖維纏繞瓶（III型）及塑料內膽纖維纏繞瓶（IV 型）。儲氫瓶內部主要由內膽、中間層、表層三部分組成，內膽是儲氫氣瓶的核心部件，主要作用為阻隔氫氣，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型儲氫瓶內膽大多為金屬材料，但氫氣與金屬材料接觸會產生氫脆效應使金屬塑性下降、誘發裂紋甚至開裂的現象，不適合長期儲存，Ⅳ型儲氫瓶內膽采用塑料等復合材料，耐氫氣滲透性和耐熱性較好。中間層是比較厚的耐壓層，主要作用為承壓，碳纖維憑借較好的拉伸強度及較輕的重量廣泛用于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型瓶中的中間層，表層一般使用玻纖等包裹材料用于保護內部結構。

（四）儲氫瓶將逐步實現

由I、II、III型向IV型瓶的產品迭代目前I型、II型儲氫瓶發展成熟、成本較低，但由于儲氫密度較低、質量較大、氫脆問題嚴重，難以滿足車載儲氫的要求，通常用于加氫站等固定儲氫領域。III型、IV型高壓儲氫瓶通過使用鋁合金、塑料內膽、碳纖維等復合材料代替傳統金屬材料從而減輕儲氫瓶質量提升單位質量儲氫密度。未來隨著行業對儲氫要求的不斷提升，儲氫瓶將逐步實現由I型、II型向III型、IV型的產品迭代。

圖 4 I-IV型儲氫瓶參數

對比IV型儲氫瓶高儲氫質量密度、低成本等優勢明顯。目前35MpaⅢ型儲氫瓶成本為3921美元，而35Mpa Ⅳ型儲氫瓶成本為2865美元，成本下降27%，主要系III型瓶儲罐采用大量金屬鋁材料，而IV型瓶采用價格較低的高分子聚合物并且用量較少。在Ⅲ、Ⅳ型儲氫瓶成本中，碳纖維復合材料成本占比最大，其中Ⅲ型儲氫瓶碳纖維成本占比達到66%，Ⅳ型儲氫瓶碳纖維成本占比為78%，同時隨著儲氫壓力的提升碳纖維用量逐步增加，35MpaⅢ型儲氫瓶碳纖維成本為3084美元，70 MpaⅢ型儲氫瓶碳纖維成本為3921美元，漲幅達到27%。目前IV型瓶已經廣泛應用于海外車載領域，而國內發展較慢，主要原因為國內技術落后以及我國氫燃料汽車大部分應用于商用車領域，商用車對儲氫瓶的重量及儲氫效率敏感度較低所以IV型瓶優勢無法體現，并且碳纖維材料、碳纖維纏繞設備與高壓罐體等加工設備高度依賴進口也成為阻礙我國IV型瓶發展的重要因素。未來隨著設備材料逐步實現國產化替代及規模化生產，IV型瓶成本有望下降至III型瓶成本的0.6倍左右，產品迭代逐步提速。

圖 5 Ⅲ、IV型儲氫瓶成本拆分

（五）商業化應用情況

1、高壓氣態儲氫技術成熟，應用廣泛。

目前高壓氣態儲氫技術主要應用在運輸領域，加氫站和燃料電池車上均應用高壓儲氫瓶作為儲氫裝置。

2、加氫站通常使用純鋼制造的I型瓶和II型瓶（鋼制內膽，纖維環向纏繞），工作壓力在17.5-30MPa，體積較大。

加氫站配置250kg的儲氫裝置成本約為170-200萬元以上，折合單位儲氫價格約為6000- 8000元/公斤。

3、車載儲氫瓶主要分III型瓶和IV型瓶兩種。

III型瓶壓強為35MPa，內膽采用鋁合金/鋼，包裹材料為碳纖維或者混合碳/玻璃纖維復合材料。IV型瓶壓強為70MPa，內膽采用聚合物（一般包括尼龍，高密度聚乙烯（HDPE），PET聚酯塑料/PA聚酰胺），外部包裹材料主要是碳纖維或者混合碳/玻璃纖維復合材料。國內氫燃料電池汽車配備的儲氫罐主要以35MPa的Ⅲ型瓶為主，而70MPa的IV型高壓儲氫罐，國外已經實應用，國內尚未批準。在燃料電池車上應用的高壓儲氫瓶按照儲氫質量折算，35MPa的單價3500-5000元/kg，70MPa的8000-10000元/kg。

圖 6 各種高壓氣態儲氫瓶、罐分類及特點

低溫液態儲氫商業化進一步加快

液態儲氫技術是采用低溫技術將氫氣冷卻到液化溫度（標準大氣壓下，-253℃）以下，以液體形式儲存在高度真空的絕熱容器中。低溫液態儲氫的體積儲氫密度高,液氫密度達到70.78kg/m3，是標準情況下氫氣密度的850倍左右，適用于距離較遠、運輸量較大的場合。但液化過程能耗非常高，液化1kg氫氣大概需要11~12度電，而高壓氣態儲氫大概只需要2度電。相比于高壓氣態儲氫，低溫液態儲氫質量密度更大，儲存氫氣純度更高。但為了保證低溫、高壓條件，低溫液態儲氫需使用具有良好絕熱性能的液氫儲罐以及配套嚴格的絕熱方案與冷卻設備，同時氫氣液化工程中能耗較大使得低溫液態儲氫成本較高，低溫液化儲氫的單位成本為高壓氣態儲氫單位成本的2倍左右，目前低溫液態儲氫主要應用于軍事航天等對氫氣純度要求較高的領域，未來隨著液化能耗的減少及保溫效率的提升，低溫液態儲氫商業化進展有望加快。

圖 7 不同儲氫技術單位成本對比

商業化應用情況

（一）低溫液態儲氫技術目前美國、日本等已經實現了大規模的商業應用，國內應用最早起步于軍事、航天等領域。隨著近年來國內氫能產業興起，民用液氫領域現已匯聚中科富海、航天101所、國富氫能、鴻達興業等一批科研機構和企業，在相關技術上屢獲重大突破；同時國家已發布液氫生產、貯存和運輸的國家標準，這使液氫民用有標可依，實現了我國液氫產業民用領域標準零突破，為液氫進入市場化發展提供重要支撐。

（二）液氫槽罐車價格為350萬/臺，可儲存4300公斤液氫，液化過程耗電約為15KWh/kg。

（三）2021年1月，清華聯手北汽福田的全球首輛35噸級、49噸級分布式驅動液氫燃料電池重型商用車成功問世，順利通過綜合測試。2021年2月，上海重塑、佛燃能源、國富氫能、泰極動力簽署協議在佛山合作推進“液氫儲氫加氫站項目。

固態儲氫研發有望提速

根據全球風能理事會（GWEC）發布的《2023年全球風能報告》顯示，2022年全球風電新增吊裝容量達到77.6GW，其中陸上風電裝機68.8GW;海上風電裝機8.8GW。固態儲氫技術是通過物理或化學方式使氫氣與某些金屬或合金反應以后可以生成金屬氫化物，來實現氫氣的儲存，生成的金屬氫化物在加熱后再釋放氫。從材料分類上有金屬合金、碳材料等。金屬氫化物合金又可細分為稀土系、鈦鐵/錳系、釩系和鎂系等。固態儲氫的儲氫密度可以達到標準狀態下氫氣的1000倍，超過低溫液態儲氫。

商業化應用情況

（一）固態儲氫從體積儲氫密度、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。

（二）固態儲氫目前在交通領域起步相對較早，氫能自行車、兩輪車、燃料電池叉車、加氫站均有示范項目；國內企業如厚普股份也在開發車載固態儲氫瓶，目前鈦系儲氫裝置售價在2萬元/kg，未來希望通過規模化生產，降至8000元/kg以內。

（三）固態儲氫在電力調峰領域也有示范項目，包括華電集團、云南電科院、有研科技集團等在四川瀘定、昆明、張家口建設了相關示范項目。

（四）在備用電源領域，應用于數據中心、醫院、社區等工商業的示范項目。

（五）在工業領域：目前化工上使用的是高壓儲氣罐，安全性存在挑戰、復雜度很高。而固態儲氫可以作為長期的儲存，減輕安全壓力；還可以實現工業副產氫凈化-儲運一體化。一輛儲運車可直接充裝和純化1.2噸氫氣，得到99.999%的高純氫，有效降低儲運成本。

圖 8 國內固態儲氫發展情況

固態儲氫具有高體積密度、高安全性、快速沖放氫等優點，適合長距離運輸。按照原理，固態儲氫分為吸附儲氫和化學儲氫兩大類。

（一）吸附儲氫：

利用范德華力在比表面積較大的多孔材料上進行氫氣的吸附。多孔材料能夠實現快速吸氫-放氫，同時物理吸附活化能小，氫氣吸附量僅受儲氫材料物理結構因素影響。

主要的吸附儲氫材料包括：

1、碳基材料:石墨烯、碳納米管、富勒烯等；

2、金屬骨架化合物（MOF），具有高孔隙率、高比表面積、高孔徑調控性、高孔形狀調控性、高功能基團調控性；

3、多孔聚合物。

（二）化學儲氫：

主要材料包括：

1、儲氫合金:鎂基、LaNi5、TiFe等；

2、配位氫化物: LiBH4、NaAlH4等；

3、有機化合物：氨硼烷；

4、氨基/亞氨基化物。

以鎂基儲氫材料為例，吸氫反應動力學過程可以分為四個步驟：

1、在范德華力作用下，氫分子吸附于金屬表面；

2、氫分子解離為H原子；

3、H原子從表面向金屬內部擴散，進入金屬原子結構間隙；

4、隨著體相中H原子濃度的增長，開始形成α相固溶體，隨著氫原子濃度繼續增加，產生β相金屬氫化物。

吸放氫是一個多元、多相的氣—固反應過程，每個反應階段具有不同的能壘。放氫過程：反應步驟為上述的逆反應，需要對儲氫材料進行處理,如調節溫度、壓力等條件。

短期車載儲氫滿足需求，液氫管道運輸趨勢明確

（一）車載運氫是目前運氫的主要方式

目前隨著下游氫能需求的不斷增加以及制氫企業與使用氫氣的企業分布不均勻，氫氣的運輸成為氫能發展道路上的關鍵一環。氫氣的運輸環節在氫氣總成本中占比達到20%-30%，氫氣的的運輸方式主要由氫氣的儲存形式及運輸距離決定。高壓氣體儲氫主要通過長管拖車和管道運輸兩種方式，長管拖車適合短距離、小規模的氫氣運輸，管道運輸適合大規模、長距離的氫氣運輸，目前由于我國氫能處于發展初期，基礎設施建設不完善，長管拖車仍為主流的運氫選擇。低溫液體儲氫主要通過液氫槽車進行運輸，適用于長距離、輸運量大、氫氣純度要求高的氫氣運輸，目前我國液氫槽車運輸主要用于航天及軍事等細分領域，海外液氫槽車運輸發展較為成熟應用廣泛。

圖 9 不同氫氣運輸方式對比

（二）長管拖車目前是我國氫氣運輸的主流選擇

長管拖車技術成熟，為目前我國氫氣運輸的主要方式。制氫廠制得的氫氣在通過壓縮機高壓壓縮后儲存在儲氫瓶中，然后由長管拖車運輸。長管拖車通常具有 6~10 個大容積儲氫瓶，但由于氫氣密度小，而儲氫壓力容器自重大，所以最終拖車所運氫氣的質量只占總運輸質量的 1%~2%，運輸量大約為260-460kg/車。長管拖車目前只適用于運輸距離較近(運輸半徑300公里)、輸送量較低的運輸場景，隨著運輸距離從50公里提升至500公里，長管拖車成本由4.3元/kg提升至17.9元/kg，其中人工費用和油費是導致長管拖車成本快速增加的主要影響因素。

圖 10 隨著運輸距離的提升，長管拖車成本快速上升

（三）管道運氫是未來大規模、長距離運氫的必然趨勢

隨著未來氫氣需求的不斷增加，管道運氫是實現大規模、長距離輸氫的主要方式。管道儲氫相較于長管拖車具有運輸體量大、距離遠、能耗損失低、經濟高效等多重優勢。但其鋪設難度大、投資成本較高，當運輸距離由150公里提升至550 公里時，氫氣管道投資建設費用由9.6億提升至35.43億。我國管道運輸研究起步相對較晚，輸氫管道規模較小，總里程約400公里，在用管道僅有百公里左右，主要由中國石油、中國石化、國家電投等大型國企建設，在化工園區內應用為主。海外氫氣管道起步較早，目前全球氫氣輸送管道總里程已超過5000km，美國輸氫管道總里程已超過2700km排名第一，歐洲氫氣輸送管道長度也達到1770km，未來隨著氫氣需求不斷提升，我國管道輸氫的必要性將不斷凸顯，根據《中國氫能產業基礎設施發展藍皮書》測算，2030年我國氫氣管道總里程將達到3000公里。

圖 11 管道運輸初始投資成本較高

（四）短期內管道運氫技術成熟度較低、初始投資成本較高

目前制約管道運氫發展的主要因素為技術因素和投資成本因素。技術方面，受氣體性質差異、摻氫比、管道材質和外部環境等影響，氫氣進入管道后容易產生氫脆、滲透和泄漏等風險，所以未來低成本、高強度的抗氫脆材料、高性能的氫能管道的設計制造技術以及應急和維護的技術將成為關鍵。同時目前我國管道復合材料、氫氣計量的設備閥門、儀表等核心設備材料依賴進口，未來相關裝備國產化有望成為趨勢。投資成本方面，由于純氫管道初始投資較大，氫氣長輸管道的造價約為30-95萬美元/公里，高于天然氣管道價格數倍，不適合作為氫能發展的初期使用，利用天然氣管道或管網輸送摻氫天然氣可實現我國現有在役天然氣管道和城市輸配氣管網的充分利用，便于氫氣大范圍、長距離、低成本運送，目前我國已順利開展運營多個摻氫管道項目，未來有望快速實現摻氫的商業化及由摻氫到純氫運輸的過渡。

圖 12 天然氣摻氫為目前管道運輸的主流選擇

（五）未來液氫運輸滲透率有望提升

低溫液態氫氣儲運相較于高壓氣態氫氣儲運的優勢在于運輸成本低、純度高、計量方便等，液氫一般采用車輛或船舶運輸，液氫槽車是液氫運輸的關鍵設備，當槽罐車容量為65m3時可運輸4000 kg的氫氣。相較于氣氫運輸分散生產后進行運輸，液氫一般采用集中生產統一運輸的方式。當氫氣深冷至 20 K 液化后能量密度遠大于氣氫，所以液氫需要的公路運力遠小于氣氫，日本的液氫和氣氫對公路車運力要求為 1∶6，而美國則高達 1∶20。目前我國由于沒有先進的大規模氫液化工廠，氣氫運輸在總成本上尚占據優勢，當運輸距離從50公里提升至500公里時，液氫槽車的運輸價格在13.51-14.31元/kg范圍內小幅提升。但美日等發達國家已經將液氫的儲運成本降低到高壓氣氫的八分之一左右，隨著我國氫氣液化產能的不斷提升，液氫儲運未來有望成為我國氫能運輸的一種重要方式。

（六）隨著氫氣需求的提升，逐漸實現

由長管拖車向管道運氫的轉換氫能運輸成本與儲運距離和儲運量有著密切關系，通過對長管拖車、管道運輸及液氫運輸三種運輸方式成本進行對比，短期來看，在短距離（300公里以內的城市內）低用量運氫方面，高壓氣態長管拖車成本低于低溫液態儲運成本，符合目前我國氫能發展初期的要求。中期來看，在中距離（300公里以上的城際間）低用量運氫方面，低溫液態儲運成本低于高壓氣態長管拖車成本，未來隨著氫能需求逐步增加及氫氣液化產能、技術的不斷提升，液氫儲運滲透率將逐步提升。長期來看，管道運輸成本最低，未來隨著大規模、長距離運氫成為趨勢，管道運氫將成為主流選擇。

圖 12 天然氣摻氫為目前管道運輸的主流選擇

來源：白云新能源