通過之前的文章我們已經了解到氫能的制取和各類應用場景,現在我們一同來了解下氫的存儲、運輸和轉化。

氫氣的存儲

通常制得的氫氣，有三種儲存途徑。

·一種是將制得的通過壓縮機壓縮，存儲在中低壓壓力等級的儲氫罐，

·當制得的氫氣量足夠大時，可以利用現有的地下洞穴或天然氣氣穴存儲，地下儲存的氫氣壓力水平范圍為2MPa至18MPa；

·若設備允許，可將制得的氫氣，通過低溫液化，儲存到低溫液態儲氫罐，其儲氫量相比壓縮儲氫要大很多，同等空間的情況下，若壓縮儲氫提供氫儲量100千瓦時（kWh），低溫液態存儲儲氫量可以達100GWh。

對于壓縮氫氣儲氫，壓縮機是儲氫的關鍵技術。美國國家可再生能源實驗室（NREL）最近的一項研究表明，因為高壓（如FCEV車載存儲所需70MPa）的設備需求量比較少產量少，所以壓縮技術的數據非常稀少，壓縮所需的能量需求在不同技術中相差十倍。

壓縮儲氫由于其有限的能量密度而具有高成本；低溫罐由于蒸發損失只能在有限的時間內保持要求的壓強水平。

加壓和低溫氫存儲之間的中間解決方案是低溫壓縮氫。在這種情況下，液化氫被填充到罐中，與普通低溫儲存（約2至4MPa）相比，低溫壓縮氫所需的氫氣燃燒壓力條件要高得多（高達35MPa）。這使得低溫壓縮儲氫能夠儲存更長的時間。

在未來，將氫存儲在金屬氫化物或碳納米結構中是實現高能量密度的有前途的技術選擇。雖然金屬氫化物已經處于示范階段，但仍需要進行基礎研究以更好地了解碳納米結構的潛力。

氫氣的運輸

氫氣的運輸通常根據儲氫狀態的不同和運輸量的不同而不同，下圖展示了氫氣的各種運輸方式。

氣態壓縮氫氣

通常氣態氫由卡車(長管拖車)運輸，通常運輸壓力為20-50Mpa。

液態氫

由于液態氫的能量密度高于氣態氫的能量密度，因此值得在長距離輸送大量氫氣，然而液化過程耗能較多，需要消耗運輸的氫的能量的30%，相當于每運輸1kg氫氣消耗7-10kWh能量。由于冷氫與環境溫度之間存在較大的溫差，因此對所用材料和絕緣有很高的要求。通常，液態氫運輸適用距離應該超過400-1000km，并且運輸溫度應該保持在-253°C左右。

管道運輸

管道運輸可以長距離運輸大量氫氣，在工業領域特別有利。但建設管道網絡的成本昂貴，尤其是在城市區域搭建網管需要考慮的因素太多。若是氫氣輸送的需求網絡密集，則建設氫管道網絡非常有利。

下圖描述了氫輸送成本對質量流量和運輸距離的依賴性。可以看出，每天的運輸量為70噸時，管道運輸是最便宜的運輸方式。液態氫的運輸得到回報，每日運輸量為10噸，運輸距離超過200公里時，液態氫的運輸最具優勢。每天銷售量低于10噸，拖車運輸氣態氫是最便宜的。

氫輸送成本與質量流量和運輸距離的關系圖

目前，氫氣作為燃料與天然氣相比還沒有足夠規模的基礎設施。關鍵問題是氫氣是否需要這種規模的基礎設施，以及在何種程度上利用已經存在的基礎設施。

大規模使用氫氣，需要運輸和配送基礎設施，將氫氣生產場地與用戶連接起來。如果從小規模應用逐步發展，在早期階段用卡車或輪船運輸就足夠了。在大規模應用的情況下，通過管道基礎設施進行運輸將是一個繞不開的關鍵環節，因為長期大規模使用基礎設備，會帶來很高的成本優勢等。

除了集中制氫外，如果運輸價格昂對，對于偏遠地區，可以選擇就地小規模制氫，避免運輸費用。目前，德國的加氫站采用了兩種生產工藝：電解和蒸汽重整。在這兩種方法中，產生的氫氣的壓力高達50bar（通常為1-30bar）。

氫氣的轉化

氫氣作為燃料，主要還是通過氫燃料電池，將氫能轉化為電能。燃料電池可以使富氫燃料氧化，轉化為有用的能量而不會在明火中燃燒。與將化學能轉化為電能的其他單階段過程(例如燃氣輪機)相比，燃料電池的電效率更高(32％至70%)。

與電解裝置類似，燃料電池在效率和功率輸出之間進行權衡。低負載時效率最高，而功率輸出增加則效率降低。與傳統技術相比，燃料電池可以在瞬態循環中實現最高效率。

按照不同的電解質可以分為不同類型的燃料電池，其通常可以通過它們的膜類型和操作溫度來區分：

燃料電池可分為：

1）質子交換膜燃料電池(PEMFC)；

2）堿性燃料電池(AFC)；

3）磷酸燃料電池（PAFC）；

4）熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）；

5）固體氧化物燃料電池(SOFC)。

雖然質子交換膜燃料電池(PEMFC)和堿性燃料電池(AFC)的工作溫度低至80°C，但固氧化物燃料電池(SOFC)的工作溫度高達600°C（SOFC），更適合熱電聯產應用。在其他參數相同的情況下，溫度越高，效率越高。目前質子交換膜燃料電池(PEMF)是燃料電池汽車(FCEV)最合適的選擇。

下面一張圖總結了上文中提到的各種類型的燃料電池、壓縮機等參數圖：

據美國能源署（DOE）2013燃料電池技術市場報告，全球燃料電池市場在2008年至2013年間增長了近400％，僅2013年就增加了170兆瓦的燃料電池容量（圖10）。目前，超過80％的燃料電池用于熱電聯產，備用電源和遠程電力系統等。

盡管燃料電池在過去十年中取得了顯著的發展，但高投資成本和相對有限的壽命仍然是燃料電池廣泛應用的最大障礙。投資成本在很大程度上取決于制造成本，并且成本可以通過大規模生產顯著降低。根據美國能源部（USDOE，2012；與美國能源部的個人聯系），燃料電池汽車的質子交換膜燃料電池(PEMF)系統在高產量的情況下成本降低潛力非常大，目標成本為每千瓦30美元左右。

與燃料電池汽車相比，戶用燃料電池系統(非汽車用燃料電池)的投資成本預計會下降得更慢，這主要是由于注重更高的效率和更長的使用壽命。對于中型燃料電池熱電聯產系統，美國能源部在2020年內設定的目標成本為每千瓦1500美元至2000美元。