中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：氫能作為一種清潔能源，具有可持續(xù)、可再生、污染少和能量密度高等優(yōu)勢(shì)，在全球碳達(dá)峰和碳減排戰(zhàn)略布局中的重要地位日益凸顯。國(guó)外已發(fā)布?xì)淠軕?zhàn)略的國(guó)家和地區(qū)有：日本、美國(guó)、歐盟、韓國(guó)、印度、加拿大、澳大利亞、智利、挪威、德國(guó)、法國(guó)、西班牙、荷蘭和葡萄牙。另外，巴西、土耳其、新西蘭和烏克蘭、阿曼也制定各自的氫能發(fā)展戰(zhàn)略。至今，全球氫能產(chǎn)業(yè)鏈的上游制氫、中游儲(chǔ)氫和下游應(yīng)用三個(gè)領(lǐng)域，相關(guān)技術(shù)不斷取得突破。其中，經(jīng)濟(jì)、高效、安全的儲(chǔ)氫技術(shù)成為當(dāng)前制約全球氫能規(guī)模化應(yīng)用的主要瓶頸之一。
1.國(guó)外主要儲(chǔ)氫技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
目前，國(guó)外儲(chǔ)氫技術(shù)主要以日本、美國(guó)和歐盟等為代表?，F(xiàn)有儲(chǔ)氫技術(shù)包括高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、固態(tài)儲(chǔ)氫、有機(jī)液體儲(chǔ)氫、液氨儲(chǔ)氫、甲醇儲(chǔ)氫、配位氫化物儲(chǔ)氫、無(wú)機(jī)化合物儲(chǔ)氫、吸附儲(chǔ)氫和水合物法儲(chǔ)氫等十幾種。其中以前四種為代表的氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)儲(chǔ)氫較為成熟，具有較好的發(fā)展前景，其它技術(shù)多處于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)階段。本文主要介紹前4種,
1.1高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫
高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)是指在高壓條件下壓縮氫氣，將壓縮后的高密度氫氣存儲(chǔ)于耐高壓容器中的存儲(chǔ)技術(shù)。氫氣壓縮方式主要有兩種，一種是通過(guò)壓縮機(jī)將氫氣直接壓縮到裝入儲(chǔ)氫容器所需壓力，這種方式所使用的儲(chǔ)氫容器體積較大；另外一種是先以較低壓力壓縮氫氣后進(jìn)行存儲(chǔ)，加注時(shí)再啟動(dòng)氫壓縮機(jī)對(duì)儲(chǔ)氫容器按需增壓，進(jìn)而達(dá)到目標(biāo)壓力。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫方法的技術(shù)最成熟，當(dāng)前應(yīng)用最廣泛，優(yōu)點(diǎn)是成本低、充放速度快和使用溫度低等。
目前，國(guó)外研發(fā)的高壓儲(chǔ)氫罐主要分為純鋼制金屬罐（I型金屬儲(chǔ)罐）、鋼制內(nèi)膽纖維纏繞罐（II型金屬內(nèi)襯纖維纏繞儲(chǔ)罐）、金屬內(nèi)膽纖維纏繞罐（III型金屬內(nèi)襯纖維纏繞儲(chǔ)罐）和塑料內(nèi)膽纖維纏繞罐（IV型全復(fù)合輕質(zhì)纖維纏繞儲(chǔ)罐）4種。其中，I型和II型儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)氫密度低、氫脆嚴(yán)重，而Ⅲ型和Ⅳ型儲(chǔ)氫由于儲(chǔ)氫密度高，被廣泛應(yīng)用于車載儲(chǔ)氫領(lǐng)域（見(jiàn)表1）。
此外，國(guó)外氫能領(lǐng)域部分領(lǐng)軍企業(yè)已研制出不同系列的碳纖維纏繞型高壓車載儲(chǔ)氫容器。其中，Ⅲ型儲(chǔ)氫罐材料主要采用鋁合金內(nèi)膽和高強(qiáng)度復(fù)合纖維纏繞外層降低容器質(zhì)量。Ⅳ型儲(chǔ)罐則利用輕質(zhì)全復(fù)合纖維纏繞技術(shù)，該技術(shù)為儲(chǔ)氫容器輕量化的重要發(fā)展方向。雖然國(guó)外高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)已較為成熟，但在高壓化、高強(qiáng)度化和輕量化等方面仍有待進(jìn)一步發(fā)展。
1.2低溫液態(tài)儲(chǔ)氫
低溫液態(tài)儲(chǔ)氫屬于物理儲(chǔ)存，是一種深冷氫氣存儲(chǔ)技術(shù)。氫氣經(jīng)過(guò)壓縮后，深冷到約-253℃以下變?yōu)橐簹?，然后存?chǔ)到特制的絕熱真空容器中。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是氫的體積能量高，液氫密度達(dá)到70.78kg/m3，是標(biāo)準(zhǔn)情況下氫氣密度的850倍左右。僅從儲(chǔ)能密度方面來(lái)看，低溫液態(tài)儲(chǔ)氫屬于十分理想的儲(chǔ)氫方法。
低溫液態(tài)儲(chǔ)氫具有單次運(yùn)輸量大等特點(diǎn)，在長(zhǎng)距離運(yùn)輸中優(yōu)勢(shì)尤為明顯。目前，在日本和美國(guó)低溫液態(tài)儲(chǔ)氫在加氫站領(lǐng)域已占有重要地位。運(yùn)輸形式方面，國(guó)外低溫液氫運(yùn)輸技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景主要有汽車、鐵路、駁船和管道等領(lǐng)域。其中，汽車儲(chǔ)氫罐容量可達(dá)100m3，鐵路儲(chǔ)氫罐容量可達(dá)120～200m3，駁船儲(chǔ)氫罐容量可達(dá)1250m3。此外，日本、美國(guó)和俄羅斯等已實(shí)現(xiàn)在航空、航天等領(lǐng)域的應(yīng)用。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）最新液氫存儲(chǔ)球罐的容量達(dá)到3800m3。目前，低溫液態(tài)儲(chǔ)氫的主要技術(shù)難點(diǎn)除制造難度和成本外，還存在易揮發(fā)和運(yùn)輸安全性等方面。
1.3有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫
有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫是在催化劑作用下使不飽和液體有機(jī)物發(fā)生加氫反應(yīng)，進(jìn)而生成穩(wěn)定的化合物。使用氫氣時(shí)，再進(jìn)行相應(yīng)的脫氫反應(yīng)。該過(guò)程主要分為3個(gè)階段：第1階段，氫氣與不飽和液體有機(jī)物發(fā)生加氫反應(yīng)；第2階段，對(duì)反應(yīng)后的材料進(jìn)行儲(chǔ)存和運(yùn)輸；第3階段，對(duì)反應(yīng)后的材料進(jìn)行脫氫并釋放氫氣（見(jiàn)表2）。
通過(guò)不飽和液體有機(jī)物加氫反應(yīng)所得有機(jī)氫化物在穩(wěn)定性、安全性、儲(chǔ)存密度、儲(chǔ)存及遠(yuǎn)距離運(yùn)輸安全性、維護(hù)保養(yǎng)、技術(shù)成本和可循環(huán)利用方面均有良好屬性，可行性較高。有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)在日本和歐洲發(fā)展迅速，歐洲現(xiàn)已開(kāi)展有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫在船舶和鐵路方面的示范工程。日本等國(guó)正考慮將其用于海上運(yùn)氫，并正在研制相關(guān)催化反應(yīng)器。該技術(shù)的缺點(diǎn)在于加氫、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)使氫氣純度不高，需要燃燒少量的有機(jī)化合物及非零排放等。
1.4固態(tài)儲(chǔ)氫
固態(tài)儲(chǔ)氫分為物理儲(chǔ)氫和化學(xué)儲(chǔ)氫兩種。主要是通過(guò)物理吸附法和化學(xué)反應(yīng)法實(shí)現(xiàn)氫氣在固體材料中的存儲(chǔ)。固態(tài)儲(chǔ)氫是氣態(tài)儲(chǔ)氫和液態(tài)儲(chǔ)氫之后最具前景的儲(chǔ)氫技術(shù)，不僅能夠解決高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫所面臨的高壓?jiǎn)栴}及低溫液態(tài)儲(chǔ)氫所面臨的低溫等問(wèn)題，還具有儲(chǔ)存面密度更高，儲(chǔ)存效率更高，以及安全性更好等優(yōu)點(diǎn)。
（1）物理吸附儲(chǔ)氫
物理吸附儲(chǔ)氫主要通過(guò)固態(tài)材料吸附氫氣。儲(chǔ)氫能力取決于吸附材料的表面積、表面能、孔徑和粒徑等形態(tài)條件。物理吸附儲(chǔ)氫所采用的固體材料主要有碳納米管、沸石和碳納米纖維基材料等物理性吸附材料，以及金屬有機(jī)框架、共價(jià)有機(jī)骨架等具有微型孔徑的氫氣捕捉材料。
（2）化學(xué)吸附儲(chǔ)氫
化學(xué)吸附儲(chǔ)氫是通過(guò)化學(xué)吸附以金屬氫化物的形式儲(chǔ)氫。首先，氫氣經(jīng)過(guò)催化分解在金屬表面分解為氫原子，再經(jīng)過(guò)擴(kuò)散使氫原子進(jìn)入材料晶格的內(nèi)部孔隙，進(jìn)而以原子狀態(tài)存儲(chǔ)于金屬結(jié)晶點(diǎn)內(nèi)。憑借該反應(yīng)過(guò)程的可逆性實(shí)現(xiàn)氫氣的吸收和釋放。典型儲(chǔ)氫金屬包括鎂系、鐵系、鑭鎳稀土系、鈦系及鋯系儲(chǔ)氫合金等。
目前，固態(tài)儲(chǔ)氫主要應(yīng)用于汽車、貨車和集裝箱船領(lǐng)域。該方式由于安全性較高，更適于規(guī)模較大、距離較遠(yuǎn)的運(yùn)輸場(chǎng)景。美國(guó)、日本、歐盟等都在進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用研究，范圍涉及鎳氫電池、金屬氫化物儲(chǔ)氫罐等領(lǐng)域?，F(xiàn)階段，固態(tài)儲(chǔ)氫整體處于發(fā)展的階段，需要尋求提高質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度、降低成本等技術(shù)突破，是未來(lái)儲(chǔ)氫的重要發(fā)展方向。
2.國(guó)內(nèi)外主要儲(chǔ)氫技術(shù)比較
在高溫氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫氣態(tài)儲(chǔ)氫、有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫和固態(tài)儲(chǔ)氫4種主要方法中，國(guó)外在氣態(tài)儲(chǔ)氫和液態(tài)儲(chǔ)氫方面優(yōu)于國(guó)內(nèi)。雖然國(guó)內(nèi)高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)相對(duì)成熟，但儲(chǔ)氫壓力多為30MPa，而國(guó)外的高壓氣氫壓力已經(jīng)達(dá)到了70MPa。液態(tài)儲(chǔ)氫由于具有高密度優(yōu)勢(shì)，適于遠(yuǎn)距離運(yùn)輸。日本千代公司在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研發(fā)常溫、常壓液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)。國(guó)內(nèi)受限于極低的液氫產(chǎn)能，液氫技術(shù)裝備發(fā)展落后且應(yīng)用范圍較窄，液化設(shè)備主要依賴進(jìn)口。固態(tài)儲(chǔ)氫方面，國(guó)內(nèi)外均處于研發(fā)階段，國(guó)外主要側(cè)重于存儲(chǔ)金屬方面的研究，而國(guó)內(nèi)則正在嘗試鎂基、鈦和錳等材料的研發(fā)。
3.結(jié)語(yǔ)
今后，國(guó)內(nèi)氫能技術(shù)和裝備發(fā)展的重點(diǎn)將主要集中在氣態(tài)存儲(chǔ)裝備輕量化、耐壓化、高密度化和低成本化；在液態(tài)存儲(chǔ)方面開(kāi)發(fā)高性能催化劑，提高脫氫反應(yīng)速率和低副反應(yīng)率；提高固態(tài)存儲(chǔ)的吸氫/脫氫性能，以及復(fù)雜氫化物儲(chǔ)氫。
