理解储氢技术：一份全面的全球指南

在全球向可持续未来转型的过程中，氢能日益被视为一种关键的能源载体。它在交通、工业和发电等多个领域实现脱碳的潜力巨大。然而，氢能的广泛应用取决于高效且具成本效益的储存解决方案的开发。本指南全面概述了不同的储氢方法、其面临的挑战以及推动这一关键领域创新的最新进展。

储氢技术为何至关重要

氢虽然储量丰富，但主要以化合物形式存在，如水（H2O）或碳氢化合物（如甲烷，CH4）。提取纯氢需要能量，而由于其密度低、易燃性高，储存氢也带来了独特的挑战。高效的储存至关重要，原因有几点：

实现氢动力交通：在车辆上储存足够的氢，对于燃料电池电动汽车（FCEV）实现实用的续航里程至关重要。
整合可再生能源：氢可以作为能量缓冲，在可再生能源（如太阳能、风能）产量高时储存多余能量，并在需求高时释放，有助于电网稳定。
工业过程脱碳：许多工业过程需要氢作为原料。高效的储存可以保证由可再生能源生产的氢的可靠供应，减少对化石燃料的依赖。
创建全球氢经济：有效的储存解决方案对于促进氢的国际贸易至关重要，使拥有丰富可再生能源的国家能够向能源需求更高的国家出口氢。

储氢方法

储氢技术大致可分为物理储存和化学储存方法。每种方法在储存容量、能源效率、成本和安全性方面都有其优缺点。

1. 物理储存

物理储存是指在特定的温度和压力条件下，以气体或液体形式储存氢。

a) 压缩气态氢

压缩气态氢储存是指将氢压缩至高压（通常为350-700巴，在某些应用中甚至高达1000巴），并储存在坚固的压力容器中。这是一种技术相对成熟、已有商业化解决方案的技术。

优点：

技术相对简单。
加注时间快。
气体处理的基础设施完善。

缺点：

体积能量密度低（与液体燃料相比）。
压缩能耗高。
与高压储存相关的安全问题。
储氢罐重且笨重。

示例：

压缩氢被广泛用于燃料电池电动汽车（FCEV）。例如，现代的NEXO FCEV使用三个高压储氢罐，在700巴压力下储存容量为6.33公斤，可提供超过600公里的续航里程（WLTP标准）。

b) 液态氢

液态氢储存是指将氢冷却至其低温沸点（-253°C），使其凝结成液体。与压缩气体相比，这显著提高了体积能量密度。

优点：

比压缩气体具有更高的体积能量密度。
储存压力较低。

缺点：

液化能耗高。
蒸发损失（由于热量泄漏到罐内导致氢气蒸发）。
复杂且昂贵的低温基础设施。

示例：

液态氢被用于太空计划（例如，美国宇航局的航天飞机），并正在探索用于长途运输应用，如飞机和船舶。例如，空中客车公司正在开发将利用液态氢储存的氢动力飞机。

2. 化学储存

化学储存是指将氢储存在化合物中，这些化合物在热或催化剂等触发条件下发生反应释放氢气。

a) 金属氢化物

金属氢化物是氢与某些金属或合金反应形成的化合物。氢储存在金属晶格内，可通过加热氢化物来释放。

优点：

比压缩气体具有更高的体积能量密度。
储存相对安全。
具有可逆储存的潜力（用氢气再充电）。

缺点：

金属氢化物材料重量大。
放氢动力学相对较慢。
一些金属氢化物材料成本高。
充放氢过程中的热管理挑战。

示例：

储氢研究中的金属氢化物例子包括镍氢化镧（LaNi5H6）和氢化镁（MgH2）。研究重点是通过合金化和纳米结构化来提高其储氢容量和动力学性能。例如，日本的研究人员正在积极研究基于MgH2并用催化剂改性的体系，以提高其性能。

b) 化学氢化物

化学氢化物是与水或其他反应物反应释放氢的化合物。例子包括硼氢化钠（NaBH4）和氨硼烷（NH3BH3）。

优点：

储氢容量高。
在环境温度下稳定。

缺点：

某些化学氢化物的放氢过程不可逆（需要再生）。
反应和副产物管理的复杂性。
一些化学氢化物成本高。

示例：

硼氢化钠（NaBH4）已用于某些燃料电池应用。研究重点是开发高效的废硼氢化物再生方法。氨硼烷（NH3BH3）是另一种有前景的化学氢化物，但其再生仍然是一个挑战。德国和美国的研究人员正在探索各种高效再生这些材料的途径。

c) 液态有机储氢载体 (LOHC)

LOHC是可以通过氢化和脱氢反应可逆地结合氢的有机液体。例子包括甲苯/甲基环己烷和二苄基甲苯/全氢二苄基甲苯体系。

优点：

体积能量密度高。
利用现有基础设施易于运输和储存。
在环境条件下相对安全稳定。

缺点：

氢化和脱氢能耗高。
催化剂和LOHC材料的成本。
催化剂可能失活。
LOHC在多次循环后会部分降解。

示例：

甲苯/甲基环己烷体系是研究最多的LOHC之一。氢被添加到甲苯中形成甲基环己烷，后者可以被运输和储存。然后通过将甲基环己烷脱氢变回甲苯来释放氢。日本和德国的公司正在积极开发和部署基于LOHC的储氢和运输解决方案。日本的千代田化工建设公司已经展示了一条全球氢供应链，利用其基于甲苯/甲基环己烷LOHC体系的SPERA Hydrogen™技术，将氢从文莱运输到日本。

3. 基于材料的储存（吸附）

这种方法利用具有高比表面积的材料，如活性炭、金属有机框架（MOF）和碳纳米管，来吸附氢分子。

优点：

与压缩气体相比储存压力相对较低。
在低温下具有高储氢容量的潜力。

缺点：

在环境温度下储氢容量低。
一些先进材料（如MOF）成本高。
材料合成和规模化生产的挑战。

示例：

全球研究人员正在积极开发和表征用于储氢的新型MOF和其他纳米多孔材料。例如，美国、欧洲和亚洲的大学和研究机构的科学家们正在合成具有增强储氢性能的MOF，例如增加的比表面积和与氢分子的更强相互作用。寻找能够在接近常温常压下有效储存氢的材料仍然是一个关键焦点。

储氢技术的挑战与未来方向

虽然储氢技术已取得显著进展，但仍存在一些挑战：

成本：降低储氢系统的成本对于使氢能与传统燃料相比具有竞争力至关重要。这包括降低材料、制造和基础设施的成本。
能源效率：提高储氢过程的能源效率，如压缩、液化和氢化/脱氢，对于最大化氢价值链的整体能源效率至关重要。
储存容量：提高储存系统的重量储氢密度和体积储氢密度，对于空间和重量是关键因素的应用（如交通运输）至关重要。
安全性：确保氢的安全储存和处理至关重要。这包括制定健全的安全协议和技术以防止泄漏和爆炸。
耐用性：提高储氢系统的耐用性和使用寿命对于降低维护成本和确保长期可靠性非常重要。
基础设施：发展广泛的氢能基础设施，包括加氢站和管道，是氢能广泛应用的必要条件。
材料稳定性：增强用于化学储存的材料的长期稳定性，对于防止降解并在长期内保持性能非常重要。

未来的研发工作重点是应对这些挑战并开发创新的储氢解决方案。一些关键的重点领域包括：

先进材料：开发具有增强储氢性能的新材料，如MOF、共价有机框架（COF）和高熵合金。
纳米技术：利用纳米技术提高现有储存材料的性能并创造新的储存概念。
低温压缩：将低温冷却与压缩相结合，以在中等压力下实现高氢密度。
电化学储存：探索用于储存氢的电化学方法，如氢电池。
多功能材料：开发能够执行多种功能的材料，如储存氢和发电。
改进的再生过程：开发更高效、更具成本效益的方法来再生废化学氢化物。
优化的LOHC系统：设计具有更低氢化/脱氢温度和更稳定催化剂的LOHC系统。

全球倡议与投资

世界各地的政府和行业正在大力投资于储氢技术的研发。例子包括：

美国能源部（DOE）氢能计划：支持旨在推进氢和燃料电池技术（包括储氢技术）的研究、开发和示范项目。
欧盟氢能战略：旨在加速整个欧洲氢技术（包括储氢技术）的开发和部署。
氢能理事会：一个由领先的能源、运输、工业和投资公司组成的全球CEO领导的倡议，对氢能促进能源转型有着统一的愿景和长期目标。
国家氢能战略：包括澳大利亚、加拿大、德国、日本和韩国在内的许多国家已经制定了国家氢能战略，其中包括储氢研究和部署的目标和资金。

结论

储氢技术是广泛采用氢能的关键赋能技术。尽管挑战依然存在，但持续的研发工作正在推动材料科学、工程和系统设计的创新。随着氢技术的成熟和成本的降低，储氢将在各行各业的脱碳和为世界创造可持续能源未来的过程中发挥越来越重要的作用。释放氢能全部潜力的关键在于持续追求能够满足全球氢经济多样化需求的高效、安全且具成本效益的储存解决方案。国际合作和知识共享对于加速这一重要领域的进展至关重要。