国外储氢技术发展趋势

氢能作为一种清洁能源具有许多优势，包括可持续、可再生、污染少和能量密度高等。在全球碳达峰和碳减排战略中，它的重要性越来越显著。已经发布氢能战略的国家和地区包括日本、美国、欧盟、韩国、印度、加拿大、澳大利亚、智利、挪威、德国、法国、西班牙、荷兰和葡萄牙。此外，巴西、土耳其、新西兰、乌克兰和阿曼也制定了各自的氢能发展战略。迄今为止，全球氢能产业链的制氢、储氢和应用等方面的相关技术已经取得了重大突破。然而，经济、高效、安全的储氢技术仍然是制约全球氢能规模化应用的主要限制因素之一。

1、国外的主要氢气储存技术目前的发展状况如下：

当前，国外储氢技术的代表主要有日本、美国和欧盟等国家。现有的储氢技术包括高压气态储氢、低温液态储氢、固态储氢、有机液体储氢、液氨储氢、甲醇储氢、配位氢化物储氢、无机化合物储氢、吸附储氢和水合物法储氢等十几种。其中，以高压气态、低温液态和固态储氢为代表的技术较为成熟，有着很好的发展前景，而其他技术大多还处于基础实验阶段。本文主要介绍了前四种储氢技术。

1.1.氢气在高压条件下储存

高压气态储氢技术是指将氢气压缩至高压条件下，并存储于能承受高压的容器中的一种储氢技术。氢气的压缩方法主要有两种，一种是通过压缩机将氢气直接压缩到所需的储氢容器压力，这种方法需要使用容积较大的储氢容器；另一种是先以较低压力压缩氢气，然后在注入时，使用氢压缩机按需增压，以达到目标压力。高压气态储氢技术是目前最成熟、应用最广泛的方法，它具有成本低、充放速度快和低温使用等优点。

当前，国外研发的高压储氢罐主要有四种类型，分别是纯钢制金属罐（即I型金属储罐）、钢制内胆纤维缠绕罐（即II型金属内衬纤维缠绕储罐）、金属内胆纤维缠绕罐（即III型金属内衬纤维缠绕储罐）和塑料内胆纤维缠绕罐（即IV型全复合轻质纤维缠绕储罐）。

除此之外，国外在氢能领域的一些领先企业已经研发出不同系列的碳纤维缠绕式高压车载储氢容器。其中，Ⅲ型储氢罐采用铝合金内衬和高强度复合纤维缠绕外层，以降低容器的重量。Ⅳ型储氢罐则采用轻质全复合纤维缠绕技术，该技术是储氢容器轻量化的重要发展方向。尽管国外的高压气态储氢技术已经相对成熟，但在高压化、高强度化和轻量化等方面仍有进一步的发展空间。

1.2低温液态储氢是将氢气储存在低温液体状态的一种技术。

低温液态储氢是一种物理储存技术，其过程是将压缩氢气冷却至约-253℃以下，使其转化为液态氢气，然后存储在特制的绝热真空容器中。这种方法的优势在于液态氢气的体积能量很高，密度达到70.78kg/m3，是标准条件下氢气密度的850倍左右。从储能密度的角度来看，低温液态储氢可以说是一种非常理想的储氢方式。

低温液态储氢具有单次运输量大等优势，在长距离运输中尤为明显。目前，日本和美国已经在加氢站领域广泛应用低温液态储氢技术。国外低温液氢运输技术主要应用于汽车、铁路、驳船和管道等领域。其中，汽车储氢罐容量可达100m3，铁路储氢罐容量可达120～200m3，驳船储氢罐容量可达1250m3。另外，日本、美国和俄罗斯等国已经在航空、航天等领域开始应用低温液态储氢技术。美国国家航空航天局最新研发的液氢存储球罐容量达到3800m3。目前，低温液态储氢技术的主要技术难点除了制造困难和成本较高外，还存在易挥发和运输安全性等方面的问题。

1.3有机液态储氢是一种储存氢气的方法。

通过催化剂作用，将不饱和液体有机物加氢反应，形成稳定的化合物，从而实现有机液态储氢。使用氢气时，进行相应的脱氢反应。此过程可分为三个阶段：第一阶段是氢气与不饱和液体有机物的加氢反应；第二阶段是对反应后的材料进行储存和运输；第三阶段是对反应后的材料进行脱氢并释放氢气。

有机氢化物是通过加氢反应产生的，具有稳定性、安全性、储存密度高、储存和远距离运输安全性好、维护保养简单、技术成本低和可循环利用等良好特性，因此具备较高的可行性。有机液态储氢技术在日本和欧洲得到了迅速发展，欧洲甚至在船舶和铁路方面进行了有机液态储氢的示范工程。日本等国正考虑在海上运输氢气时采用该技术，并已经在研制相关的催化反应器。然而，该技术存在加氢、脱氢装置成本高、脱氢反应效率低且容易发生副反应导致氢气纯度不高的缺点，同时还需要燃烧少量的有机化合物并产生非零排放。

1.4固态储氢

固态储氢可分为物理储氢和化学储氢两种方式来实现。主要通过物理吸附和化学反应来储存氢气于固态材料之中。固态储氢被认为是气态储氢和液态储氢之后，最具发展前景的储氢技术。这种技术不仅能够解决高压气态储氢所面临的高压问题以及低温液态储氢所面临的低温问题，还具有储存面密度更高、储存效率更高以及安全性更好等优点。

(1)物理吸附氢气储存

固态材料通过物理吸附实现储氢，其中物理吸附材料包括碳纳米管、沸石、碳纳米纤维基材料等，以及金属有机框架和共价有机骨架等微孔材料。这种储氢方法的储氢能力取决于吸附材料的表面积、表面能、孔径和粒径等形态条件。

（2）化学吸附用于储存氢气

化学吸附储氢是一种以金属氢化物的形式储存氢气的技术。首先，氢气在金属表面经过催化分解，分解成氢原子。然后，氢原子通过扩散进入材料晶格的内部孔隙，最终以原子状态存储在金属结晶点内。这个反应过程是可逆的，可以实现氢气的吸收和释放。常见的储氢金属包括镁系、铁系、镧镍稀土系、钛系和锆系储氢合金等。

目前，固态储氢主要用于汽车、货车和集装箱船的领域。因为固态储氢具有较高的安全性，更适合用于规模较大、距离较远的运输场景。美国、日本、欧盟等地正在进行相关应用研究，涉及的领域包括镍氢电池、金属氢化物储氢罐等。目前，固态储氢处于发展的阶段，需要寻求提高质量储氢密度、降低成本等技术突破，这是未来储氢的重要发展方向。