氫氣有望在未來(lái)成為我國(guó)重要的能源之一，使用范圍較廣。
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)。
不同的儲(chǔ)氫技術(shù)對(duì)氫氣的運(yùn)輸方式和使用成本都有重要影響，下面我們將不同的儲(chǔ)氫技術(shù)進(jìn)行介紹。
首先我們將主要的儲(chǔ)氫方式分為物理儲(chǔ)氫技術(shù)、化學(xué)儲(chǔ)氫技術(shù)和其他儲(chǔ)氫技術(shù)。
物理儲(chǔ)氫技術(shù)：目前高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫應(yīng)用最廣泛
物理儲(chǔ)氫技術(shù)是指單純的通過(guò)改變儲(chǔ)氫條件提高氫氣密度，或通過(guò)物理吸附作用將氫氣儲(chǔ)存在金屬合金等儲(chǔ)氫材料中的技術(shù)。
其中，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是目前發(fā)展最成熟、應(yīng)用最廣泛的物理儲(chǔ)氫技術(shù)。
高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫：技術(shù)最成熟、使用最廣泛
高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)是指在高壓條件下，將氫氣壓縮并注入儲(chǔ)氫瓶中，讓氫氣以高密度氣態(tài)形式儲(chǔ)存的一種技術(shù)。
國(guó)外研究表明，氫氣質(zhì)量密度隨壓力增加而增加，在30～40MPa時(shí)，氫氣質(zhì)量密度增加較快，而壓力70MPa以上時(shí)，氫氣質(zhì)量密度變化很小。
因此大多儲(chǔ)氫瓶的工作壓力在35～70MPa范圍內(nèi)。
目前，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫瓶根據(jù)其材料不同主要分為四種類型：純鋼制金屬瓶(I型)、鋼制內(nèi)膽纖維纏繞瓶(II型)、鋁內(nèi)膽纖維纏繞瓶(III型)和塑料內(nèi)膽纖維纏繞瓶(IV型)。
由于前兩種儲(chǔ)氫瓶的質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度較低，且氫脆問(wèn)題嚴(yán)重（氫脆是溶于鋼中的氫，聚合為氫分子，造成應(yīng)力集中，超過(guò)鋼的強(qiáng)度極限，在鋼內(nèi)部形成細(xì)小裂紋的現(xiàn)象），難以滿足車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)的要求。
因此車載儲(chǔ)氫瓶主要是用后兩種類型的儲(chǔ)氫瓶。III型、IV型瓶由內(nèi)膽、碳纖維強(qiáng)化樹(shù)脂層及玻璃纖維強(qiáng)化樹(shù)脂層組成，氣瓶質(zhì)量較輕，單位質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度有所提高。
目前國(guó)外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)IV型儲(chǔ)氫瓶在車用領(lǐng)域70MPa的應(yīng)用，但國(guó)內(nèi)IV型儲(chǔ)氫瓶使用受到限制。
國(guó)內(nèi)目前主要以35MPaIII型瓶為主，但70MPaIII型瓶的使用標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在2017年發(fā)布的GBT35544—2017《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》中有所規(guī)定，并開(kāi)始在轎車中小范圍的使用。
固定式高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫主要應(yīng)用在固定場(chǎng)所，如制氫廠、加氫站以及其他需要儲(chǔ)存高壓氫氣的地方。目前主要使用大直徑儲(chǔ)氫長(zhǎng)管和鋼帶錯(cuò)繞式儲(chǔ)氫罐來(lái)儲(chǔ)氫。
大直徑儲(chǔ)氫長(zhǎng)管方面，石家莊安瑞科氣體機(jī)械有限公司2002年在國(guó)內(nèi)率先研制成功20/25MPa大容積儲(chǔ)氫長(zhǎng)管，并應(yīng)用于大規(guī)模氫氣運(yùn)輸。
繼而開(kāi)發(fā)的45MPa儲(chǔ)氫瓶組，已成功用于國(guó)內(nèi)眾多加氫站。長(zhǎng)管氣瓶材料為鉻鉬鋼4130X，強(qiáng)度高，具有良好的抗氫脆能力。
鋼帶錯(cuò)繞式儲(chǔ)氫罐目前有45Mpa和98Mpa兩種型號(hào)，如浙大與巨化集團(tuán)制造生產(chǎn)的兩臺(tái)國(guó)內(nèi)最高壓力等級(jí)98MPa立式高壓儲(chǔ)罐，安裝在江蘇常熟的豐田加氫站中。
盡管高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是目前使用最廣泛且技術(shù)最成熟的技術(shù)，但其缺點(diǎn)在于儲(chǔ)氫量太少，體積比容積低。
即使是太空用的鈦瓶，其儲(chǔ)氫重量也僅為瓶重量的5%。并且高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫受壓力和儲(chǔ)氫瓶材料影響較大，且安全性能相對(duì)較差，有泄漏、爆炸等安全隱患。
低溫液態(tài)儲(chǔ)氫：未來(lái)重要發(fā)展方向
低溫液態(tài)儲(chǔ)氫是將氫氣壓縮后冷卻到-253攝氏度以下，使之液化并存放在絕熱真空儲(chǔ)存容器中的一種儲(chǔ)氫技術(shù)。
由于液態(tài)氫具有很高的密度，在常溫、常壓下液氫的密度是氣態(tài)氫的800倍以上，因此將氫氣液化后能夠使得儲(chǔ)運(yùn)簡(jiǎn)單，且體積比容積大。
但其缺點(diǎn)在于，將氣態(tài)的氫氣轉(zhuǎn)化成液態(tài)的氫氣較困難，根據(jù)一覽眾咨詢的調(diào)研，要液化1kg的氫氣需要消耗4-10千瓦時(shí)的電量，并且為了儲(chǔ)存液態(tài)氫氣，需要能夠耐受和保持超低溫的特殊容器，因此成本高昂。
目前，國(guó)外有70%左右的氫氣通過(guò)液態(tài)形式運(yùn)輸，日本、美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家已經(jīng)將液氫的運(yùn)輸成本降低到高壓氫氣的八分之一左右。
然而目前國(guó)內(nèi)技術(shù)還未成熟、設(shè)備成本高且暫時(shí)缺乏液氫相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和政策規(guī)范，因此國(guó)內(nèi)布局液氫的企業(yè)較少，應(yīng)用還僅限于航天行業(yè)，在民用方面還未實(shí)現(xiàn)使用。
但根據(jù)國(guó)外已有經(jīng)驗(yàn)，低溫液態(tài)儲(chǔ)氫將是未來(lái)重要的發(fā)展方向，且發(fā)展空間大。
為了避免或減少氫氣的蒸發(fā)損失，低溫液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)不僅對(duì)液態(tài)儲(chǔ)氫罐的材質(zhì)有要求，還需要配套的嚴(yán)格的絕熱方案和冷卻設(shè)備，因此低溫液態(tài)儲(chǔ)氫罐容積一般較小，氫氣質(zhì)量密度為10%左右。
液態(tài)儲(chǔ)氫罐一般分為內(nèi)外兩層，內(nèi)膽承裝低溫的液氫通過(guò)支撐物放置在外殼中心，支撐物可由玻璃纖維帶支撐，具有良好的絕熱性能。
夾層中間填充多層鍍鋁滌綸薄膜，以減少熱輻射，在薄膜之間可以放絕熱紙來(lái)增加熱阻同時(shí)吸附低溫下的殘余氣體。之后用真空泵抽取夾層內(nèi)的空氣制造高真空狀態(tài)來(lái)避免氣體對(duì)流漏熱。
一般情況下，儲(chǔ)氫罐內(nèi)膽使用鋁合金、不銹鋼等材料制成，外殼使用低碳鋼、不銹鋼等材料，也可以使用鋁合金材料來(lái)減輕容器重量。
目前，世界上最大的低溫液態(tài)儲(chǔ)氫罐位于美國(guó)的肯尼迪航天中心，其容積高達(dá)1120000L。
化學(xué)儲(chǔ)氫技術(shù)：處于技術(shù)攻克階段
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。
有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫：優(yōu)點(diǎn)明顯但技術(shù)難度高
有機(jī)液態(tài)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)。
常用的不飽和液體有機(jī)物及其性能如下。
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；催化加氫和脫氫反應(yīng)可逆，儲(chǔ)氫介質(zhì)可循環(huán)使用。
該方法便與大量的儲(chǔ)存和運(yùn)輸，安全性能好。
然而有機(jī)液體儲(chǔ)氫也存在很多缺點(diǎn)，例如，必須配備的加氫、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)使氫氣純度不高；脫氫反應(yīng)常在高溫下進(jìn)行，催化劑易結(jié)焦失活等問(wèn)題。
并且由于冷啟動(dòng)和補(bǔ)充脫氫反應(yīng)能量需要燃燒少量有機(jī)化合物，因此該技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)“零排放”目標(biāo)。
有機(jī)液體儲(chǔ)氫技術(shù)在中國(guó)已有所成就，2017年，中國(guó)揚(yáng)子江汽車與氫陽(yáng)能源聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一款城市客車，利用有機(jī)液體儲(chǔ)氫技術(shù)，加注30L的氫油燃料，可行駛200km。
并且有機(jī)液體儲(chǔ)氫技術(shù)的理論質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度最接近DOE的目標(biāo)要求，提高低溫下有機(jī)液體儲(chǔ)氫介質(zhì)的脫氫速率與效率、催化劑反應(yīng)性能、改善反應(yīng)條件、降低脫氫成本是進(jìn)一步發(fā)展該技術(shù)的關(guān)鍵。
其他化學(xué)儲(chǔ)氫技術(shù)：研發(fā)難度大但極具前景
液氨儲(chǔ)氫技術(shù)是將氫氣與氮?dú)夥磻?yīng)生產(chǎn)液氨，將液氨作為氫能的載體進(jìn)行利用。液氨在常壓、400℃條件下即可得到氫氣，常用的催化劑包括釕系、鐵系、鈷系與鎳系，其中釕系的活性最高。
2015年，液氨首次作為直接染料用于燃料電池中，其燃燒發(fā)電效率為69%，與液氫系統(tǒng)效率70%相近。
液氨儲(chǔ)氫技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于，液氨燃燒產(chǎn)物為氮?dú)夂退?，?duì)環(huán)境無(wú)害且液氨的儲(chǔ)存條件較為溫和；其缺點(diǎn)在于，有報(bào)告稱，體積分?jǐn)?shù)僅為1×10-6的未分解液氨混入氫其中，就會(huì)造成染料電池的嚴(yán)重惡化。
配位氫化物儲(chǔ)氫是利用堿金屬與氫氣反應(yīng)生成離子型氫化物，之后在一定條件下分解出氫氣的技術(shù)。
最初的配位氫化物是由日本研發(fā)的氫化硼鈉和氫化硼鉀，但這兩種氫化物存在脫氫過(guò)程中溫度較高等問(wèn)題，因此進(jìn)一步研發(fā)了以氫化鋁絡(luò)合物為代表的新一代配合物儲(chǔ)氫材料。
目前主要的研發(fā)方向是改善配位氫化物低溫放氫性能和對(duì)材料進(jìn)行回收再利用。
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，將其作為氫能的載體進(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，北京大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種鉑-碳化鉬雙功能催化劑，可以使甲醇與水反應(yīng)，釋放出甲醇中的氫并活化水中的氫，從而得到更多的氫氣。
此外，甲醇的儲(chǔ)存條件為常溫常壓，方便運(yùn)輸。
其他儲(chǔ)氫技術(shù)
除了常見(jiàn)的物理儲(chǔ)氫技術(shù)和化學(xué)儲(chǔ)氫技術(shù)外，還有一些其他類型的儲(chǔ)氫技術(shù)，在這部分主要介紹吸附儲(chǔ)氫和水合儲(chǔ)氫兩種儲(chǔ)氫技術(shù)。
前者是利用吸附劑與氫氣作用，實(shí)現(xiàn)高密度儲(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。
吸附儲(chǔ)氫技術(shù)：技術(shù)待提高，發(fā)展前景好
吸附儲(chǔ)氫所利用的吸附材料主要包括金屬合金、碳質(zhì)材料和金屬框架物等。
金屬合金儲(chǔ)氫是利用吸氫金屬A和對(duì)氫不吸附或吸附量較小的金屬B制成合金晶體，在一定條件下，金屬A作用強(qiáng)，氫分子被吸附進(jìn)入晶體，形成金屬氫化物。
之后通過(guò)改變條件，減弱金屬A的作用，實(shí)現(xiàn)氫分子的釋放。
其中A金屬多為鎂、鈦或稀土元素，B金屬多為鐵、鈷、鎳和銅鋁等。金屬合金儲(chǔ)氫的特點(diǎn)是氫以原子狀態(tài)儲(chǔ)存于合金中，安全性較高。
但這類材料的氫化物過(guò)于穩(wěn)定，熱交換比較困難，加氫和脫氫過(guò)程只能在較高溫度下進(jìn)行。
相同體積下，固態(tài)低壓合金儲(chǔ)氫裝置，壓力降低為高壓氣瓶的1/7，有效儲(chǔ)存的氫氣質(zhì)量為高壓氣瓶的3倍。常用的金屬合金類型及其代表物如下。
除此之外，碳質(zhì)材料也可以作為氫氣的吸附材料。一些碳質(zhì)材料，如表面活性炭、石墨納米纖維、碳納米管等，在一定條件下對(duì)氫的吸附能力較強(qiáng)，因此可以用于吸附儲(chǔ)氫。
碳質(zhì)材料由于具有較大的比表面積以及強(qiáng)吸附能力，氫氣質(zhì)量密度普遍較高。
同時(shí)，碳質(zhì)材料還具有質(zhì)量輕、易脫氫、抗毒性強(qiáng)、安全性高等特點(diǎn)。但目前碳質(zhì)材料吸附還存在缺點(diǎn)，例如機(jī)理認(rèn)識(shí)不完全、制備過(guò)程較復(fù)雜、成本較高等。
預(yù)計(jì)未來(lái)的研究方向主要集中在相關(guān)機(jī)理的研究；制備、檢測(cè)工藝的優(yōu)化；高儲(chǔ)量、低成本碳材料的探索以及生產(chǎn)過(guò)程的大規(guī)模工業(yè)化等方面。常用的碳質(zhì)材料及其儲(chǔ)氫特點(diǎn)如下。
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)行出巡。由于水合物在常溫、常壓下即可分解，因?yàn)?，該方法的脫氫速度快且能耗低?
同時(shí)，水作為其儲(chǔ)存介質(zhì)，具有成本低、安全性高等特點(diǎn)。不同類型水合物儲(chǔ)氫所要求的壓力和溫度都不相同，具體實(shí)踐時(shí)需要區(qū)分操作。
然而水合物法儲(chǔ)氫技術(shù)雖然在理論上可行，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示其儲(chǔ)氫密度未達(dá)到預(yù)期。
根據(jù)上述對(duì)于物理、化學(xué)和其他儲(chǔ)氫方法的討論，從整體發(fā)展情況來(lái)看，我們認(rèn)為目前國(guó)內(nèi)的儲(chǔ)氫技術(shù)發(fā)展相對(duì)落后，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)落后較大，儲(chǔ)氫量低得多。
具體表現(xiàn)在，國(guó)外已經(jīng)將70MPa的儲(chǔ)氫罐已應(yīng)用到燃料電池汽車上，而國(guó)內(nèi)的儲(chǔ)氫罐關(guān)鍵材料仍依賴進(jìn)口。
低溫液氫技術(shù)、吸附儲(chǔ)氫技術(shù)與國(guó)外先進(jìn)水平存在較大差距，產(chǎn)業(yè)化相距甚遠(yuǎn)。
從技術(shù)成熟方面來(lái)看，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫最成熟、成本最低，是現(xiàn)階段主要應(yīng)用的儲(chǔ)氫技術(shù)，在基本能與傳統(tǒng)加油方式相媲美，但對(duì)于更高的車載儲(chǔ)氫要求如儲(chǔ)氫量、安全性等，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)難以滿足需求。
從質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度上看，有機(jī)液體儲(chǔ)氫質(zhì)量?jī)?chǔ)氫技術(shù)密度相對(duì)較高，但目前存在成本高等問(wèn)題。
從成本方面來(lái)看，金屬氫化物儲(chǔ)氫及有機(jī)液體儲(chǔ)氫成本均較高，還處于攻克研發(fā)階段，不適合目前小批量的應(yīng)用。
預(yù)計(jì)未來(lái)化學(xué)方法儲(chǔ)氫是重要的發(fā)展方向，除此之外，復(fù)合儲(chǔ)氫技術(shù)，如低溫高壓儲(chǔ)氫技術(shù)和高壓金屬氫化物儲(chǔ)氫罐，也逐漸被企業(yè)考慮和使用。
