液体有机物储氢或是国内未来氢气储运主要方式
作者：Jack，分析师
导读
煤炭、石油、天然气等能源的普及离不开相关储运基础设施的完善，极具未来能源潜力的氢气自然也不例外。目前，我国氢气储运以高压气态（35MPa）为主，国外则多用70MPa高压瓶和低温液态储氢。在追赶与国外的储氢技术差距中，除了发展70MPa高压储氢罐和低温液氢储运，还应该关注液体有机物储氢。主要储氢手段各有利弊（见表1），从技术储备多元化的角度来看，有机液体储氢技术值得投入。从表1可以看出，有机液体储氢技术的储氢量介于高压气态储氢和低温液态储氢之间，鉴于目前我国70MPA高压氢气储运标准滞后，低温液态储氢成本高，技术难度、成本、运输便利性适中的有机液体储氢技术或许能扛起氢气储运的大旗。
表1 主要储氢技术优缺点
来源：根据公开资料整理
有机液体储氢技术借助某些烯烃、炔烃或芳香烃等储氢剂和氢气产生可逆反应实现加氢和脱氢（见图1）。与常见的高压气态储氢、低温液态储氢、固体储氢材料储氢相比，有机液体储氢具有以下特点：（1）反应过程可逆，储氢密度高；（2）氢载体储运安全方便，适合长距离运输；（3）可利用先有汽油输送管道、加油站等基础设施。同时，有机液体储氢也有一些问题有待解决：（1）技术上操作条件相对苛刻，加氢和脱氢装置较复杂；（2）脱氢反应需在低压高温下进行，反应效率较低，容易发生副反应；（3）高温条件容易使脱氢催化剂失活。
图1 液态有机储氢的加氢、脱氢反应路径（以乙基咔唑为例）
来源：公开资料
有机液体储氢的关键在于选择合适的储氢介质。目前研究中主要采用的储氢介质见表2。环己烷利用苯-氢-环己烷的可逆化学反应来实现储氢，具有较高的储氢能力，在常温下为液态，脱氢产物苯在常温常压下也是液态，方便运输。甲基环己烷脱氢产生氢气和甲苯，且甲基环己烷和甲苯在常温常压下都是液体，因此甲基环己烷也是比较理想的储氢载体。十氢化萘储氢能力强，常温下是液体，但在加氢、脱氢及运输过程中可能出现原料的不断损耗。上述三种介质属于传统有机液体储氢材料，它们有一个共同缺点就是脱氢温度高，比如环己烷的脱氢温度在270℃以上；甲基环己烷根据条件不同脱氢温度至少有230℃，最高可达400℃；十氢化萘的脱氢温度也在240℃以上。传统有机液体氢化物难以实现低温脱氢，导致难以大规模应用和发展。因此有人提出用不饱和芳香杂环有机物作为新型储氢介质，其中咔唑和乙基咔唑是典型代表。咔唑主要存在煤焦油中，可通过精馏或萃取等方法得到，常温下为片状结晶。研究表明咔唑可在250℃下加氢、在220℃下脱氢。乙基咔唑常温常压下也是无色片状晶体，可以在130℃~150℃下快速加氢，在150℃~170℃下脱氢，是较为理想的储氢介质。从媒体报道来看，国内氢阳能源的液态有机储氢技术很可能采用了乙基咔唑作为储氢介质。
表2 主要有机液体储氢介质
来源：根据公开资料整理
创建于2014年的湖北氢阳能源专注于常温常压液体有机储氢技术，目标在三到五年内实现基于常温常压液态有机储氢的配套装备。其推出的新型有机液态储氢材料安全指标远高于汽油、柴油等传统能源，见表3。氢阳新型液体储氢材料在常温常压下能够实现58g/L的储氢密度，虽然不及液氢（-253°C）的70g/L，但已高于70MPa高压氢的39g/L，一旦技术成熟实现量产，前景将非常广阔。据媒体今年11月13日报道，氢阳能源全国首个常温常压液体储氢材料生产基地在湖北省宜都市启动建设，计划今年12月20日投产，预计年产1000吨乙基咔唑。值得注意的是该项目属于中试项目，中试是产品从实验室走向工业化规模生产的过度环节，说明氢阳的液体有机储氢材料基本完成实验室研发阶段，正在为大规模量产做准备。早在2016年，氢阳能源就与扬子江汽车合作推出第一代基于液态有机储氢材料的氢燃料电池客车“泰歌号”，2017年两家再次联手研发第二代氢燃料电池客车“氢阳号”（见图3），相比第一代优化了有机液态储氢与燃料电池的耦合，提高续航里程到400公里。今年2月份，氢阳能源与三环集团签订战略协议，共同研发基于有机液体储氢技术燃料电池的新能源汽车、火车机车氢燃料电池动力装置；两家公司在今年6月推出了世界首台常温常压氢能物流车（见图2）。
表3 氢阳能源“氢油”与汽油、柴油主要安全数据对比
来源：氢阳能源官网
图2 三环“氢卡”
图3 泰歌号（左）和氢扬号（右）
德国Hydrogenious Technologies（HT）成立于2013年，同样致力于液态有机储氢技术的研发推广。其产品技术已经进入欧洲和美国，目前正在开拓中国市场。2018年1月，大洋电机发布公告称公司将持有HT公司10.2%的股权，成为HT第三大股东。大洋电机计划向HT采购一定数量的液态有机储氢系统，预计2019年开始在国内建立并运营第一座基于液态有机储氢技术的加氢站。同时，HT不断通过合作优化自家产品的性能。例如，今年6月，HT宣布与特种化学制造商科莱恩合作，通过借助科莱恩的高活性催化剂优化液态有机储氢材料的生命周期和效率；同时采用HyGear的氢气净化系统，净化储存的氢气。
图4 HT液态有机储氢项目
总体来看，液态有机储氢技术目前处于从实验室向工业化生产过度阶段。作者认为，液态有机物储氢未来能否成为氢气运输主流方式，取决于（1）技术迭代速度能否快于其他储氢手段；（2）工业化和市场化速度能否快于低温液态储氢成本降低速度。当前高压气态储氢是主流，但是因为安全性其发展一直受到限制，且储氢密度较低，不适合大规模长距离运输；低温液态储氢由于高成本、储运难度大，在国内的发展面临重重困难；液态有机储氢技术在安全性、储氢密度、储运效率上极具优势，在我国70MPa高压储氢和低温液态储氢均发展滞后的前提下，有望成为未来我国氢气储运的主要方式之一。
玖牛研究院 汽车团队