淺談不同儲氫方式的優缺點及發展趨勢

胡永康

摘 要 本文綜述了高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫和固態材料儲氫等三種儲氫方式的優缺點，并對未來儲氫材料的發展趨勢進行了展望。

關鍵詞 儲氫材料 儲氫方式 儲氫材料發展趨勢

中圖分類號：TQ116.2 文獻標識碼：A

0前言

氫氣作為清潔能源已在電子、冶金、食品加工、化工、航空航天等領域廣泛應用，其儲存方式成為了當前的研究熱點。氫單質有三種存在形式，在零下262癈下為固態，當溫度在零上為氣態，當溫度與壓強處于三相點和臨界點之間的小區域為液態。根據氫的三種不同狀態，可將儲氫方式分為高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫和固態材料儲氫三類。下面對三種儲氫方式進行詳細的介紹。

1高壓氣態儲氫

由氣體狀態方程可知，當氣體物質的量不變時，升高壓強會減小氣體體積，從而提高氣體的密度。高壓氣態儲氫具有簡單易行、成本低、相對成熟、充放氣速度快和使用溫度低等優點，是一種較為成熟的儲氫方式。但是它儲量小、耗能大，需要耐壓容器壁，存在氫氣泄露與容器爆破等不安全因素。故尋找輕質、耐高壓的儲氫罐成為了高壓氣態儲氫的關鍵。

2低溫液態儲氫

與高壓氣態儲氫相比，低溫液態儲氫具有體積密度高和儲氫量大等優點。在常溫常壓下，液態氫的密度是氣態的845倍，故其儲氫量大幅度提高。就質量與體積而言，液態儲氫是一種理想的儲氫方式。但是液態儲氫有兩個損耗環節：液化氫氣與儲存氫氣。液化氫氣需要消耗較大的冷卻能量且損耗的能量約為儲存氫氣熱值的一半，從而提高了儲氫與放氫的成本。另外，液態儲氫需要儲存容器能耐低溫且具有良好的絕熱性能，以避免氫氣的揮發。故降低液化與放氫的成本、研制耐低溫且高度絕熱的容器是低溫液態儲氫的待解決問題。

3固態材料儲氫

固態儲氫材料儲氫是通過物理吸附作用或化學反應將氫氣儲存于固態材料中。與高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫相比，固態材料儲氫具有體積儲氫密度高、不需要高壓容器和隔熱容器、安全性好、無爆炸危險、可獲得高純度氫、操作方便等特點。根據儲氫的原理，固態材料儲氫可分為物理吸附儲氫和化學吸附儲氫。

3.1物理吸附儲氫

物理吸附儲氫主要是利用多孔材料與氫單質通過范德華力相互作用而儲存氫氣。在吸附過程中，氫以分子形式存在，一般不會解離成氫原子。而且，氫與材料以范德華力結合，這種結合力比較弱，僅在較低溫度下儲氫效果才明顯。另外，這種材料儲氫時，氫分子一般會吸附在多孔材料的孔道的表面。因此，材料的比表面積越大，其儲氫量也越大。目前根據物理吸附作用而研制的材料有碳基材料、沸石分子篩、金屬有機框架材料以及高分子聚合物等多孔材料。物理吸附儲氫方式的缺點很明顯，在常溫常壓下儲氫材料與氫分子之間的范德華力很弱，致使氫氣很容易逃離儲氫材料而造成儲氫量降低。

3.2化學吸附儲氫

化學吸附儲氫的原理是氫原子與儲氫材料發生化學反應而形成穩定氫化物來實現氫氣的存儲。化學氫化物可以分為金屬氫化物、輕質金屬配位氫化物以及有機儲氫等幾種。與之前提到的幾種儲氫方式相比，化學吸附儲氫具有質量密度和體積密度高等優點，是目前最有希望的儲氫方式。但是化學儲氫存在吸氫溫度高、動力學差、可逆性差等缺點。

4未來儲氫方式的發展趨勢

綜上所述，高壓儲氫對儲存容器壁要求較高且具有危險性，低溫液態儲氫的成本較高，物理吸附儲氫不牢固，無疑化學吸附儲氫成為了未來最具有前景的儲氫方式。在未來一段時間內，科研工作者的研究重心無疑會放在化學儲氫的吸氫溫度、動力學與可逆性等問題上。

參考文獻

[1] Ross， D.Hydrogen storage： the major technological barrier to the development of hydrogen fuel cell cars. Vacuum 2006（80）：1084-1089.

[2] Fujii，H.Ichikawa，TRecent development on hydrogen storage materials composed of light elements. Physica B： Condensed Matter 2006（383）：45-48.

[3] 劉永鋒，李超，高明霞，潘洪革.高容量儲氫材料的研究進展[J].自然雜志，2011，33（01）：19-26.

[4] 劉光.新型高容量鎂基復合儲氫材料的制備及性能研究[D].天津：南開大學，2013.

[5] 孫大林.車載儲氫技術的發展與挑戰[J].自然雜志，2011，33（01）：13-18.

[6] 鄭津洋，開方明，劉仲強等.高壓氫氣儲運設備及其風險評價[J].太陽能學報，2006（11）：1168-1174.

[7] 盧金煉.高密度儲氫材料設計與儲氫機制研究[D].長沙：湘潭大學，2016.

[8] 陶占良，彭博，梁靜，程方益等.高密度儲氫材料研究進展[J].中國材料進展，2009，28（Z1）：26-40+66.

[9] 楊敏建.儲氫材料中金屬作用機理的研究[D].青島：山東科技大學，2007.