氫燃料電池汽車儲氫技術（shù）及其發展現（xiàn）狀

高壓氣態儲氫是目前發展最成熟（shú）、各廠商采用最多的車載儲氫技術。其關鍵是儲氫瓶，目前國內外儲氫瓶類型（xíng）可分（fèn）為以下五種：純鋼質金屬型（I型）、鋼製內膽纖維纏繞型（II型）、鋁內膽纖維纏（chán）繞（rào）型（III型）、塑料內膽纖維纏（chán）繞型（IV型）以及無（wú）內膽纖維纏繞型（V型（xíng））。

從圖中可以（yǐ）看出，I、II型儲氫瓶的儲氫能力相（xiàng）對較低，隨著材（cái）料（liào）強（qiáng）度的增加，金屬（shǔ）易（yì）發生氫脆現象，無法滿足車載儲氫的要求。III型、IV型儲（chǔ）氫瓶由內膽、碳纖維強化樹脂層和玻璃纖維強化樹（shù）脂層構成，降低了儲氫瓶本身質量，從而增加（jiā）了（le）儲氫質量密度（dù）。目前，III型瓶在國（guó）內市場占據主流地位，2020年10月，我國正（zhèng）式（shì）實施《車用壓縮氫（qīng）氣塑料內膽碳纖（xiān）維全纏繞氣瓶》團體標準，這意味（wèi）著IV型瓶在國內市場將不再處於空白狀態（tài）。

盡（jìn）管（guǎn）IV型儲氫瓶相較其（qí）他類型的儲氫瓶具有多種優勢，要想做到大規模（mó）量產仍需攻克（kè）關鍵（jiàn）技（jì）術難題：
 

第一，在高（gāo）壓氣態儲氫技術中，由於氫氣與儲（chǔ）氫瓶重量比值係數過（guò）低，導致氫氣在運輸過程中存在運輸（shū）成本高、運輸風險大等缺點；
 

第二，碳纖維作為儲氫瓶的關鍵材料，技術（shù）壁壘（lěi）相對（duì）較高，目前（qián）國產碳纖維機械性能不能滿足儲氫材料的（de）要求，資源仍需從日（rì）本大（dà）量進口，增大（dà）了儲氫瓶製造成本；
 

第三，Ⅲ型儲氫瓶由金屬內膽（dǎn）上的密封麵與瓶閥密封，與Ⅲ型儲氫瓶密封結構設計不同的是，Ⅳ型儲氫瓶需（xū）要考（kǎo）慮金屬與（yǔ）塑料之間的密封。

儲氫瓶的纖維複（fù）合材料殼（ké）體和塑料（liào）內襯材質不同，塑料會隨著工作時間延長而老化，內襯和（hé）纖（xiān）維纏（chán）繞層發生分離，氫氣分（fèn）子質（zhì）量小，易從內襯材料分子孔隙中滲出，如圖的氫氣泄漏（lòu）路徑；另外（wài），塑料內襯和金屬瓶口因材質不同很難獲取嚴格的密封性，氫氣分子也容（róng）易以圖中的（de）方式泄漏（lòu）。在密閉空（kōng）間氫氣泄漏（lòu）有可能發生爆炸事故，所以對儲氫瓶的（de）密封性以及密封件材質的選擇（zé）至關重要。
 

目前，高壓氣態儲氫是工程化程度最高的儲氫技術，高壓氣態儲氫瓶常用壓力值為35MPa和70MPa。值得注意的是，僅靠提高儲氫壓力來提高（gāo）儲氫密度，儲氫設備材（cái）質、結構的要求以及成本（běn）也會隨之提高。在達到高儲氫密度的同時，輕質量、低成本也（yě）是高壓氣態儲氫技術重要發展方向。

低溫液化儲氫是以20K低溫將液（yè）化（huà）氫氣儲存到絕熱真空容（róng）器（qì）中的一種新興儲氫技術。其（qí）儲氫（qīng）密度高達71kg/m3，是80MPa下高壓氣態儲氫密度的2倍多，僅從儲氫密度這一特點來看，液態（tài）儲氫是一種較為理（lǐ）想的儲氫方式。
 

液態氫一般常用儲氫（qīng）罐來儲（chǔ）存，其形（xíng）狀主要分為球（qiú）形和圓柱形兩種。由於體積較大的球形液氫儲罐製造加工難度大，成本相對較高，因此，目前常用的液氫儲罐（guàn）為圓柱形。由於儲罐各部位存（cún）在溫差，罐中會出現“層化”“熱溢”現象。通常是在儲氫罐內部垂直安裝（zhuāng）一個導熱性良好的板（bǎn）材（cái），消除（chú）罐中（zhōng）上下溫差，或者（zhě）將熱量（liàng）直接導出（chū）罐外（wài）來解決上述（shù）問（wèn）題。

液氫沸點低（–252.78℃），汽化潛熱小，極少（shǎo）量的漏熱也會引起（qǐ）介質蒸發，因此要求液氫儲罐具有良好的（de）絕熱性能。用於氫（qīng）儲存（cún）設備的絕熱材料主要分為兩種：可承重（chóng）材料和不可承重的多層材料。前者便於安裝，後者可（kě）有效防止熱泄露。
 

液氫在汽車領域的主要應（yīng）用技術是氫內燃機。2006年，寶馬公司（sī）上（shàng）市了世界上第一款氫動力（lì）汽（qì）車H7，該款汽車采用的是既可以燃液氫，又可以燃汽（qì）油的內燃機係統，7係列是目前為止唯一采用液氫模式並量產的汽車。目前低溫液（yè）態儲氫技術還（hái）不成熟（shú），仍存在（zài）以下幾個（gè）問題：
 

在液化（huà）氫氣時耗費的能量占總能量的30%，另（lìng）外，液氫每天氣化損耗約1%～2%，這無疑增加了儲（chǔ）氫成本；
 

液化過程複雜，並且對儲氫材料要求很高，在（zài）設計液氫儲存（cún）罐時如何利用並提高低溫絕熱技術是（shì）個難題；
 

液氫（qīng）泄漏問題嚴重，在運輸過程中（zhōng）存（cún）在極大的安全隱患。
 

低溫液態儲氫技術已應用於車載儲氫係統當（dāng）中，2000年，美國通用汽車公司在轎車上應用了液體儲罐，其總質量為90kg，可儲氫4.6kg，質量儲氫密度（dù）和體積儲（chǔ）氫密度分別為（wéi）5.1%和（hé）36.6kg/m3。但是低溫液態（tài）儲氫技（jì）術存在液化能耗高、汽化嚴重等問題，為進一步商業化推廣，應對降低液化能耗和氫氣泄漏率進行技術突破。

有機液體儲氫（qīng）技術是借助（zhù）不飽和液體有機物與氫進行可逆加（jiā）氫和脫氫（qīng）反應來實現儲氫（qīng）。該技術分（fèn）為三個階段，即加（jiā）氫反應、儲存和運輸、有機液體脫氫過程。儲（chǔ）氫（qīng）介質經過脫氫反應在催（cuī）化劑的作用（yòng）下可以再（zài）次進（jìn）行（háng）加氫反應，實現有機儲氫材料循環利用。如圖所示，不同的（de）有機液體（tǐ）儲氫材料具有不同的性質及儲氫量（liàng），因此，需要根據具體條件選擇。儲氫介質的性（xìng）質和汽油（yóu）類似，可在常溫常壓（yā）下進行儲運，便利安全，適合大量長途運輸。

加（jiā）氫和脫氫過程中，催化劑不僅能降低反應（yīng）溫度，還可以改善化學儲氫技術（shù）的反應（yīng）速率。加氫催化劑主要有鎳係催化劑、鈀（bǎ）及鉑係催化劑、釕係催化劑和銠係催化劑，常（cháng）規的（de）加氫催化（huà）劑是以鋁為（wéi）載體的（de）鎳金屬催化劑，而對於深度的芳（fāng）烴催化，貴金屬催化（huà）劑為首選（xuǎn）。

脫氫催化劑主要是貴金屬（shǔ）催（cuī）化劑（jì）、非貴金屬催化劑以及混（hún）合型催化（huà）劑。貴金屬催化劑活性較高，可以（yǐ）提高有機液體儲氫材料的（de）脫氫效率。由於其價格昂貴，科研人員通過改進載體（tǐ）或金屬改性（xìng）等方法使非貴金屬（shǔ）具有較（jiào）優的（de）脫氫性能。
 

有（yǒu）機液體無論加氫還是脫氫過程條件都極（jí）為苛刻，在（zài）加/脫氫過程（chéng）中，催化劑的地位不容忽（hū）視，在（zài）滿足有機液體（tǐ）儲氫材料加/脫氫機理的同時，也要積極合成（chéng）高效率、低成本的催化劑。雖然在（zài）有機液體儲氫（qīng）方麵取得一定的（de）進展，但在未來研究中，降低加（jiā）/脫氫（qīng）溫度（dù）和開發低成本、高活性的（de）催化劑是必須要解決（jué）的問題。

金屬氫化物儲氫是（shì）利用金（jīn）屬（shǔ）在一定條件下吸收和（hé）釋放（fàng）氫氣（qì）的技術手段。在一定溫度和（hé）壓力（lì）下，氫氣（qì）和金屬發生化合反應形成金屬氫化物，氫以原子形式儲存在金屬的原子（zǐ）間隙中；當外界對金屬氫化物加熱時，其自身發生分解反應，氫原子會結合成氫分子釋放出來，同時伴（bàn）隨著吸熱效應。常見（jiàn）的儲氫金屬單質（zhì）有鎂（měi）、鈦、釩等。
 

在（zài）工業生產中，儲氫材料多為合金而非（fēi）金屬單質，儲氫合金是由易生成穩定氫化物（wù）金屬元素A與對氫親和力較小的過渡金屬B組成的金屬間化合物。目前較為常見的儲氫合金有鎂係A2B型儲氫合金（jīn）、稀土係AB5型儲氫合金、鈦係儲氫合（hé）金等。
 

金屬氫化物儲氫儲能密度大（dà），單位體積儲氫是常溫常（cháng）壓下氣態的1000倍；合金化學性（xìng）質穩定，儲運過程中（zhōng）安全性良好（hǎo），是目前發（fā）展前景較好的儲氫方式之一。

金屬氫（qīng）化（huà）物儲氫（qīng）技術具（jù）有儲氫密度高、安（ān）全性良好等（děng）優（yōu）點，在車（chē）載方麵已有（yǒu）所應用。研發高（gāo）性能的（de）金屬氫化物材料不僅能進一步推動氫能源行業的發展，還能促進氫能源在各個行業開（kāi）拓（tuò）新的局麵。