隨著油氣資源的日益匱乏以及人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的能源需求及日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題，發(fā)展、使用高效、清潔、 可持續(xù)使用的能源成為 21 世紀(jì)人類面臨的首要問題。氫氣作為一種清潔、安全、高效、可再生的能源，是人類擺脫對(duì)“三大能源”依賴的最經(jīng)濟(jì)、最有效的替代能源之一。 儲(chǔ)氫技術(shù)作為氫氣從生產(chǎn)到利用過程中的橋梁，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)。 氫氣的質(zhì)量能量密度約為120 MJ/kg，是汽油、柴油、天然氣的 2.7 倍，然而，288.15 K、0.101 MPa 條件下，單位體積氫氣的能量密度僅為12.1 MJ。因此，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2020年國(guó)內(nèi)車載氫能電池的氫氣質(zhì)量密度須達(dá)到 4.5%，2025 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。為了尋求兼顧儲(chǔ)氫密度、安全性、成本、使用期限等因素的儲(chǔ)氫技術(shù)，各國(guó)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了系列研究。按儲(chǔ)氫的原理分為物理儲(chǔ)氫、化學(xué)儲(chǔ)氫與其它儲(chǔ)氫。
1 物理儲(chǔ)氫技術(shù)
物理儲(chǔ)氫技術(shù)是指單純地通過改變儲(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)。 然而，該技術(shù)的儲(chǔ)氫密度受壓力影響較大，壓力又受儲(chǔ)罐材質(zhì)限制。因此，目前研究熱點(diǎn)在于儲(chǔ)罐材質(zhì)的改進(jìn)。ZUTTEL 等發(fā)現(xiàn)氫氣質(zhì)量密度隨壓力增加而增加，在 30～40 MPa 時(shí)，增加較快，當(dāng)壓力大于 70 MPa 時(shí)，變化很小。因此，儲(chǔ)罐工作壓力須在 35～70 MPa。目前，高壓儲(chǔ)氫儲(chǔ)罐主要包括金屬儲(chǔ)罐、金屬內(nèi)襯纖維纏繞儲(chǔ)罐和全復(fù)合輕質(zhì)纖維纏繞儲(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)罐多采用高強(qiáng)度無(wú)縫鋼管旋壓收口而成，隨著材料強(qiáng)度提高，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)不能滿足車載系統(tǒng)要求。
1940 年，美國(guó)人發(fā)現(xiàn)部分纖維材料（如酚醛樹脂）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。 目前，常用的纖維增強(qiáng)層材料為高強(qiáng)度玻纖、碳纖、凱夫拉纖維等，纏繞方案主要包括層板理論與網(wǎng)格理論。多層結(jié)構(gòu)的采用不僅可防止內(nèi)部金屬層受侵蝕，還可在各層間形成密閉空間，以實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)罐安全狀態(tài)的在線監(jiān)控。
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。這類儲(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)膽的沖擊韌性優(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、高韌性等特點(diǎn)。 由于全復(fù)合輕質(zhì)纖維纏繞儲(chǔ)罐的質(zhì)量更低，約為相同儲(chǔ)量鋼瓶的 50%，因此，其在車載氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)中的競(jìng)爭(zhēng)力較大。日本豐田公司新推出的碳纖維復(fù)合材料新型輕質(zhì)耐壓儲(chǔ)氫容器就是全復(fù)合輕質(zhì)纖維纏繞儲(chǔ)罐，儲(chǔ)存壓力高達(dá) 70 MPa，氫氣質(zhì)量密度約為 5.7%，容積為 122.4 L，儲(chǔ)氫總量為 5 kg。同時(shí)，為了將儲(chǔ)罐進(jìn)一步輕質(zhì)化，提出了 3 種優(yōu)化的纏繞方法：強(qiáng)化筒部的環(huán)向纏繞、強(qiáng)化邊緣的高角度螺旋纏繞和強(qiáng)化底部的低角度螺旋纏繞，能減少纏繞圈數(shù)，減少纖維用量 40%。
目前各國(guó)均大力開發(fā)全復(fù)合輕質(zhì)纖維纏繞儲(chǔ)罐，然而，真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的國(guó)家僅日本和挪威?？偟膩?lái)說，全復(fù)合輕質(zhì)纖維纏繞儲(chǔ)罐在經(jīng)濟(jì)和效率方面均優(yōu)于金屬儲(chǔ)罐與金屬內(nèi)襯纖維纏繞儲(chǔ)罐，然而其在研發(fā)與商業(yè)化過程中，還主要面臨以下技術(shù)問題：① 如何避免高壓條件下，氫氣易從塑料內(nèi)膽滲透的現(xiàn)象； ② 塑料內(nèi)膽與金屬接口的連接、密閉問題；③ 如何進(jìn)一步提高儲(chǔ)氫罐的儲(chǔ)氫壓力、 儲(chǔ)氫質(zhì)量密度； ④ 如何進(jìn)一步降低儲(chǔ)罐質(zhì)量。
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) 112×104 L。 然而，為了保證低溫、高壓條件，不僅對(duì)儲(chǔ)罐材質(zhì)有要求，而且需要有配套的嚴(yán)格的絕熱方案與冷卻設(shè)備。因此，低溫液化儲(chǔ)氫的儲(chǔ)罐容積一般較小，氫氣質(zhì)量密度為 10%左右。目前，低溫液化儲(chǔ)氫技術(shù)還須解決以下幾個(gè)問題： ① 為了提高保溫效率，須增加保溫層或保溫設(shè)備，如何克服保溫與儲(chǔ)氫密度之間的矛盾；② 如何減少儲(chǔ)氫過程中，由于氫氣氣化所造成的 1%左右的損失；③ 如何降低保溫過程所耗費(fèi)的相當(dāng)于液氫質(zhì)量能量 30%的 能量。
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，通過加氫、脫氫過程可實(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)，氫氣純度不高；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，其中釕系的活性最高。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，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。最初的配位氫化物是由日本研發(fā)的氫化硼鈉（NaBH4）和氫化硼鉀（KBH4）等。但其存在脫氫過程溫度較高等問題，因此，人們研發(fā)了以氫化鋁絡(luò)合物（NaAlH4）為代表的新一代配合物儲(chǔ)氫材料。其儲(chǔ)氫質(zhì)量密度可達(dá)到 7.4%，同時(shí)，添加少量的 Ti4 或Fe3 可將脫氫溫度降低 100 ℃左右。這類儲(chǔ)氫材料的代表為 LiAlH4、KAlH4、Mg(AlH4)2 等，儲(chǔ)氫質(zhì)量密度可達(dá) 10.6%左右。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)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。
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。
3.1.1 金屬合金
金屬合金儲(chǔ)氫是指利用吸氫金屬A與對(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， 再通過改變條件， 減弱金屬 A 作用，實(shí)現(xiàn)氫分子的釋放。常用的金屬合金可分為：A2B型、AB 型、AB5 型、AB2 型與 AB3.0-3.5 型等。其中金屬 A 一般為鎂 （Mg） 、 鋯 （Zr） 、 鈦 （Ti） 或ⅠA～ⅤB 族稀土元素，金屬 B 一般為 Fe、Co、Ni、Cr、Cu、Al 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于穩(wěn)定，熱交換比較困難，加/脫氫只能在較高溫度下進(jìn)行。
3.1.2 碳質(zhì)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，人們提出利用其進(jìn)行儲(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，還存在機(jī)理認(rèn)識(shí)不完全、制備過程較復(fù)雜、成本較高等問題。因此，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)工藝優(yōu)化；高儲(chǔ)量、低成本碳材料的探索以及生產(chǎn)過程的大規(guī)模工業(yè)化等方面。
3.1.3 金屬框架物
金屬有機(jī)框架物（MOFs）又稱為金屬有機(jī)配位聚合物，其是由金屬離子與有機(jī)配體形成的具有超分子微孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的類沸石材料。由于 MOFs中的金屬與氫之間的吸附力強(qiáng)于碳與氫，還可通過改性有機(jī)成分加強(qiáng)金屬與氫分子的相互作用， 因此，MOFs 的儲(chǔ)氫量較大。同時(shí)，其還具有產(chǎn)率高、結(jié)構(gòu)可調(diào)、功能多變等特點(diǎn)。 但這類材料的儲(chǔ)氫密度受操作條件影響較大，Thomas 整理發(fā)現(xiàn)，77 K 條件下，MOFs 儲(chǔ)氫的氫氣質(zhì)量密度隨壓力的增加而增加，范圍為 1%～7.5%。但在常溫、高壓條件下，氫氣質(zhì)量密度僅約為1.4%。 因此， 目前的研究熱點(diǎn)在于如何提高常溫、中高壓條件下的氫氣質(zhì)量密度。主要方法包括金屬摻雜和功能化骨架。
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，該方法脫氫速度快、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、氫氣濃度較高，但其儲(chǔ)存條件較苛刻，安全性較差，且對(duì)儲(chǔ)罐材質(zhì)要求較高。化學(xué)儲(chǔ)氫通過生成穩(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 提高各類儲(chǔ)氫技術(shù)的效率，降低儲(chǔ)氫過程中的成本，提高安全性，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，提高復(fù)合儲(chǔ)氫技術(shù)的效率。
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