?儲(chǔ)氫技術(shù)作為氫氣從生產(chǎn)到利用過(guò)程中的橋梁，是指將氫氣以穩(wěn)定形式的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，以方便使用的技術(shù)。儲(chǔ)氫技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)在于如何提高氫氣的能量密度。常以氫氣的質(zhì)量密度，即釋放出的氫氣質(zhì)量與總質(zhì)量之比，來(lái)衡量?jī)?chǔ)氫技術(shù)的優(yōu)劣。美國(guó)能源局DOE要求2O20年國(guó)內(nèi)車(chē)載氫能電池的氫氣質(zhì)量密度須達(dá)到4.5%，2O25年達(dá)到5.5%，最終目標(biāo)是6.5%。

同時(shí)，氫氣為易燃、易爆氣體，當(dāng)氫氣濃度為4.1%~74.2%時(shí)，遇火即爆。因此，評(píng)價(jià)儲(chǔ)氫技術(shù)優(yōu)劣時(shí)，還須考慮安全性。一項(xiàng)技術(shù)的使用，還須考慮經(jīng)濟(jì)性、能耗以及使用周期等因素。本文圍繞物理儲(chǔ)氫、化學(xué)儲(chǔ)氫與其它儲(chǔ)氫這3大類(lèi)儲(chǔ)氫技術(shù)，對(duì)其研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，并探討了未來(lái)儲(chǔ)氫技術(shù)的發(fā)展方向。

1、物理儲(chǔ)氫技術(shù)

物理儲(chǔ)氫技術(shù)是指單純地通過(guò)改變儲(chǔ)氫條件提高氫氣密度，以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氫的技術(shù)。該技術(shù)為純物理過(guò)程，無(wú)需儲(chǔ)氫介質(zhì)，成本較低，且易放氫，氫氣濃度較高。主要分為高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫與低溫液化儲(chǔ)氫。

1.1高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)

高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)是指在高壓下，將氫氣壓縮，以高密度氣態(tài)形式儲(chǔ)存，具有成本較低、能耗低、易脫氫、工作條件較寬等特點(diǎn)，是發(fā)展最成熟、最常用的儲(chǔ)氫技術(shù)。

1.1.1 金屬儲(chǔ)罐

金屬儲(chǔ)罐采用性能較好的金屬材料（如鋼）制成，受其耐壓性限制，早期鋼瓶的儲(chǔ)存壓力為12~15 MPa，氫氣質(zhì)量密度低于1.6%。近年來(lái)，通過(guò)增加儲(chǔ)罐厚度，能一定程度地提高儲(chǔ)氫壓力，但會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐容積降低，70 MPa時(shí)的最大容積僅300 L，氫氣質(zhì)量較低。對(duì)于移動(dòng)儲(chǔ)氫系統(tǒng)，必將導(dǎo)致運(yùn)輸成本增加。由于儲(chǔ)罐多采用髙強(qiáng)度無(wú)縫鋼管旋壓收口而成，隨著材料強(qiáng)度提髙，對(duì)氫脆的敏感性增強(qiáng)，失效的風(fēng)險(xiǎn)有所增加。同時(shí)，由于金屬儲(chǔ)氫鋼瓶為單層結(jié)構(gòu)，無(wú)法對(duì)容器安全狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。因此，這類(lèi)儲(chǔ)罐僅適用于固定式、小儲(chǔ)量的氫氣儲(chǔ)存，遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足車(chē)載系統(tǒng)要求。

1.1.2 金屬內(nèi)襯纖維纏繞儲(chǔ)罐

1940年，美國(guó)人發(fā)現(xiàn)部分纖維材料（如酚醛樹(shù)脂）具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高模量、耐疲勞、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)，并將其用于制造飛機(jī)金屬零件。隨著氫能的發(fā)展、高壓儲(chǔ)氫技術(shù)對(duì)容器的承載能力要求增加，鄭津洋等創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了一種金屬內(nèi)襯纖維纏繞儲(chǔ)罐。其利用不銹鋼或鋁合金制成金屬內(nèi)襯,用于密封氫氣，利用纖維增強(qiáng)層作為承壓層，儲(chǔ)氫壓力可達(dá)40 MPa。由于不用承壓，金屬內(nèi)襯的厚度較薄，大大降低了儲(chǔ)罐質(zhì)量。

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1.1.3 全復(fù)合輕質(zhì)纖維纏繞儲(chǔ)罐

為了進(jìn)一步降低儲(chǔ)罐質(zhì)量，人們利用具有一定剛度的塑料代替金屬，制成了全復(fù)合輕質(zhì)纖維纏繞儲(chǔ)罐。如圖2所示，這類(lèi)儲(chǔ)罐的筒體一般包括3層：塑料內(nèi)膽、纖維增強(qiáng)層、保護(hù)層。塑料內(nèi)膽不僅能保持儲(chǔ)罐的形態(tài)，還能兼作纖維纏繞的模具。同時(shí)，塑料內(nèi)膽的沖擊初性?xún)?yōu)于金屬內(nèi)膽，且具有優(yōu)良的氣密性、耐腐蝕性、耐高溫和高強(qiáng)度、高軔性等特點(diǎn)。

1.2 低溫液化儲(chǔ)氫技術(shù)

低溫液化儲(chǔ)氫技術(shù)是利用氫氣在高壓、低溫條件下液化，體積密度為氣態(tài)時(shí)的845倍的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高效儲(chǔ)氫，其輸送效率高于氣態(tài)氫。目前，世界上最大的低溫液化儲(chǔ)氫罐位于美國(guó)肯尼迪航天中心，容積高達(dá)112X104 L。

2、化學(xué)儲(chǔ)氫技術(shù)

化學(xué)儲(chǔ)氫技術(shù)是利用儲(chǔ)氫介質(zhì)在一定條件下能與氫氣反應(yīng)生成穩(wěn)定化合物，再通過(guò)改變條件實(shí)現(xiàn)放氫的技術(shù)，主要包括有機(jī)液體儲(chǔ)氫、液氨儲(chǔ)氫、配位氫化物儲(chǔ)氫、無(wú)機(jī)物儲(chǔ)氫與甲醇儲(chǔ)氫。

2.1有機(jī)液體儲(chǔ)氫技術(shù)

有機(jī)液體儲(chǔ)氫技術(shù)基于不飽和液體有機(jī)物在催化劑作用下進(jìn)行加氫反應(yīng)，生成穩(wěn)定化合物，當(dāng)需要?dú)錃鈺r(shí)再進(jìn)行脫氫反應(yīng)。

有機(jī)液體儲(chǔ)氫技術(shù)具有較高儲(chǔ)氫密度，通過(guò)加氫、脫氫過(guò)程可實(shí)現(xiàn)有機(jī)液體的循環(huán)利用，成本相對(duì)較低。同時(shí)，常用材料（如環(huán)己烷和甲基環(huán)己烷等）在常溫常壓下，即可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氫，安全性較高。然而，有機(jī)液體儲(chǔ)氫也存在很多缺點(diǎn)，如須配備相應(yīng)的加氫、脫氫裝置，成本較高；脫氫反應(yīng)效率較低，且易發(fā)生副反應(yīng)，氫氣純度不髙；脫氫反應(yīng)常在高溫下進(jìn)行，催化劑易結(jié)焦失活等。

2.2 液氨儲(chǔ)氫

液氨儲(chǔ)氫技術(shù)是指將氫氣與氮?dú)夥磻?yīng)生成液氨，作為氫能的載體進(jìn)行利用。液氨在常壓、400℃條件下即可得到H2，常用的催化劑包括釕系、鐵系、鈷系與鎳系，其中釕系的活性最髙。基于此，小島由繼等提出了將液氨直接用作氫能燃料電池的燃料。但有報(bào)告稱(chēng)，體積分?jǐn)?shù)僅1×10-6未被分解的液氨混入氫氣中，也會(huì)造成燃料電池的嚴(yán)重惡化。

同時(shí)，液氨燃燒產(chǎn)物為氮?dú)夂退瑹o(wú)對(duì)環(huán)境有害氣體。2015年7月，作為氫能載體的液氨首次作為直接燃料用于燃料電池中。通過(guò)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)液氨燃燒渦輪發(fā)電系統(tǒng)的效率（69%）與液氫系統(tǒng)效率（70%）近似。然而液氨的儲(chǔ)存條件遠(yuǎn)遠(yuǎn)緩和于液氫，與丙烷類(lèi)似，可直接利用丙烷的技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，大大降低了設(shè)備投入。因此，液氨儲(chǔ)氫技術(shù)被視為最具前景的儲(chǔ)氫技術(shù)之一。

2.3 配位氫化物儲(chǔ)氫

配位氫化物儲(chǔ)氫利用堿金屬與氫氣反應(yīng)生成離子型氫化物，在一定條件下，分解出氫氣。

目前，作為一種極具前景的儲(chǔ)氫材料，研究人員還在努力探索改善其低溫放氫性能的方法。同時(shí),也在針對(duì)這類(lèi)材料的回收、循環(huán)、再利用做進(jìn)一步深入研究。

2.4 無(wú)機(jī)物儲(chǔ)氫

無(wú)機(jī)物儲(chǔ)氫材料基于碳酸氫鹽與甲酸鹽之間相互轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氫、放氫。反應(yīng)一般以Pd或PdO作為催化劑，吸濕性強(qiáng)的活性炭作載體。以KHCO3或NaHCO3作儲(chǔ)氫材料時(shí)，氫氣質(zhì)量密度可達(dá)2%。該方法便于大量的儲(chǔ)存和運(yùn)輸，安全性好，但儲(chǔ)氫量和可逆性都不是很理想。

2.5 甲醇儲(chǔ)氫

甲醇儲(chǔ)氫技術(shù)是指將一氧化碳與氫氣在一定條件下反應(yīng)生成液體甲醇,作為氫能的載體進(jìn)行利用。在一定條件下，甲醇可分解得到氫氣，用于燃料電池，同時(shí)，甲醇還可直接用作燃料。2017年，我國(guó)北京大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種鉑-碳化鉬雙功能催化劑，讓甲醇與水反應(yīng)，不僅能釋放出甲醇中的氫，還可以活化水中的氫，最終得到更多的氫氣。同時(shí)，甲醇的儲(chǔ)存條件為常溫常壓，且沒(méi)有刺激性氣味。

3、其它儲(chǔ)氫技術(shù)

其它儲(chǔ)氫技術(shù)包括吸附儲(chǔ)氫與水合物法儲(chǔ)氫。前者是利用吸附劑與氫氣作用，實(shí)現(xiàn)髙密度儲(chǔ)氫；后者是利用氫氣生成固體水合物，提高單位體積氫氣密度。

3.1 吸附儲(chǔ)氫

吸附儲(chǔ)氫所利用到的吸附材料主要包括金屬合金、碳質(zhì)材料、金屬框架物等。

3.2 水合物法儲(chǔ)氫技術(shù)

水合物法儲(chǔ)氫技術(shù)是指將氫氣在低溫、高壓的條件下，生成固體水合物進(jìn)行儲(chǔ)存。由于水合物在常溫、常壓下即可分解，因此，該方法脫氧速度快、能耗低，同時(shí)，其儲(chǔ)存介質(zhì)僅為水，具有成本低、安全性高等特點(diǎn)。

4、結(jié)論與展望

為了實(shí)現(xiàn)氫能的廣泛應(yīng)用，研發(fā)高效、低成本、低能耗的儲(chǔ)氫技術(shù)是關(guān)鍵。目前，常用的儲(chǔ)氫技術(shù)包括物理儲(chǔ)氫、化學(xué)儲(chǔ)氫與其它儲(chǔ)氫。物理儲(chǔ)氫的成本較低、放氫較易、氫氣濃度較髙，但其儲(chǔ)存條件較苛刻，安全性較差，且對(duì)儲(chǔ)罐材質(zhì)要求較髙。化學(xué)儲(chǔ)氫通過(guò)生成穩(wěn)定化合物以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氫，雖然安全性較高，但放氫較難，且難得到純度較高的氫氣。其它儲(chǔ)氫中的吸附儲(chǔ)氫雖能一定程度上避免物理儲(chǔ)氫安全性低的問(wèn)題，但其也一定程度地存在化學(xué)儲(chǔ)氫放氫難、儲(chǔ)氫密度不高等問(wèn)題，同時(shí)其成本相對(duì)較高。水合物法儲(chǔ)氫具有易脫氫、成本低、能耗低等特點(diǎn)，但其儲(chǔ)氫密度較低。

基于以上分析，今后工作的重點(diǎn)將集中在以下幾方面：①輕質(zhì)、耐壓、高儲(chǔ)氫密度的新型儲(chǔ)罐的研發(fā)。②完善化學(xué)儲(chǔ)氫技術(shù)中相關(guān)儲(chǔ)氫機(jī)理，以期從理論角度找到提高儲(chǔ)氫密度、降低放氫難度、提高氫氣濃度的方法；③結(jié)合氫能的利用工藝、條件，合成高效的催化劑，優(yōu)化配套的儲(chǔ)氫技術(shù)，以綜合提高氫能的利用效率；④提高各類(lèi)儲(chǔ)氫技術(shù)的效率，降低儲(chǔ)氫過(guò)程中的成本，提髙安全性，降低能耗，提高使用周期，探究兼顧安全性、高儲(chǔ)氫密度、低成本、低能耗等需求的方法；⑤復(fù)合儲(chǔ)氫技術(shù)的研發(fā)，綜合各類(lèi)儲(chǔ)氫技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，采用兩種或多種儲(chǔ)氫技術(shù)共同作用。探究復(fù)合儲(chǔ)氫技術(shù)的結(jié)合機(jī)理，提髙復(fù)合儲(chǔ)氫技術(shù)的效率。

原文來(lái)源：設(shè)計(jì)院網(wǎng)