摘要：成熟、實(shí)用的車載儲(chǔ)氫技術(shù)，對燃料電池汽車的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用非常重要。近年來，各大企業(yè)機(jī)構(gòu)對車用儲(chǔ)氫技術(shù)持續(xù)探索，取得了一系列進(jìn)展與突破。

目前，氫氣儲(chǔ)存技術(shù)主要有高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫和儲(chǔ)氫材料三類。這三類均可向燃料電池持續(xù)提供氫氣，供汽車動(dòng)力系統(tǒng)使用。而目前僅高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫被廣泛的應(yīng)用于燃料電池汽車中，本文從三類儲(chǔ)氫技術(shù)的優(yōu)劣勢來闡述現(xiàn)狀，并結(jié)合美國能源部(DOE)發(fā)布的儲(chǔ)氫技術(shù)指標(biāo)，簡要分析未來車用儲(chǔ)氫技術(shù)的發(fā)展路線。

高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)成熟，產(chǎn)品分為四代

高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是采用氣瓶作為儲(chǔ)存容器，通過高壓壓縮來儲(chǔ)存氣態(tài)氫的儲(chǔ)氫方式。高壓儲(chǔ)氫技術(shù)成熟，主要有大型和小型兩種類型，大型容積為600~1500L、無縫鍛造，一般應(yīng)用于加氫站等大型儲(chǔ)氫設(shè)施;另一種容積為45~80L，主要應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)施——車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)中。

高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫優(yōu)點(diǎn)是成本低、能耗少、操作簡便，工作溫度條件適合汽車使用，可適應(yīng)零下幾十度的外部環(huán)境;缺點(diǎn)是質(zhì)量儲(chǔ)氫密度有待提高。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫的研究方向是輕量化、高壓化、低成本、穩(wěn)質(zhì)量。

目前，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫瓶主要分為純鋼制金屬瓶(I型)、鋼制內(nèi)膽纖維纏繞瓶(II型)、鋁內(nèi)膽纖維纏繞瓶(III型)和塑料內(nèi)膽纖維纏繞瓶(IV型)四代產(chǎn)品。由于I型、II型儲(chǔ)氫瓶質(zhì)量儲(chǔ)氫密度較低、氫脆問題嚴(yán)重，難以滿足車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)的質(zhì)量儲(chǔ)氫密度要求;而III型、IV型瓶由內(nèi)膽、碳纖維強(qiáng)化樹脂層及玻璃纖維強(qiáng)化樹脂層組成，顯著減少了氣瓶的質(zhì)量，提高了單位質(zhì)量儲(chǔ)氫密度。因此，車載儲(chǔ)氫瓶大多使用III型、IV型。國外目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)IV型儲(chǔ)氫瓶在車用領(lǐng)域70Mpa的應(yīng)用，國內(nèi)主要以III型瓶為主，型號(hào)有35MPa、70MPa兩種壓力型號(hào)。

低溫液態(tài)儲(chǔ)氫質(zhì)量、體積能量密度高，成本有待下降

低溫液態(tài)儲(chǔ)氫是將氫氣壓縮后冷卻至-252℃以下，使之液化并存放于絕熱真空儲(chǔ)存器中的儲(chǔ)氫方式，目前主要應(yīng)用于特種航天領(lǐng)域。其存儲(chǔ)容器是專門定制的絕熱真空容器，由內(nèi)膽層和外殼兩層構(gòu)成，內(nèi)膽層又分為支承層、內(nèi)夾層和內(nèi)膽，其中支承層由玻璃纖維帶制成、內(nèi)夾層由多層鍍鋁滌綸薄膜組成、內(nèi)膽一般使用鋁合金和不銹鋼等材料，外殼一般為低碳鋼和不銹鋼。

低溫液態(tài)儲(chǔ)氫優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量/體積儲(chǔ)氫密度相較高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫高，質(zhì)量能量密度是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下氣態(tài)氫的845倍;缺點(diǎn)是儲(chǔ)氫容器的能耗高，當(dāng)前技術(shù)水平中能耗占?xì)錃饪偰芰康?0%，且絕熱性能差，導(dǎo)致氫的蒸發(fā)損失大。低溫液態(tài)儲(chǔ)氫研究方向是低成本、低揮發(fā)、穩(wěn)質(zhì)量。

目前，低溫液態(tài)儲(chǔ)氫已被實(shí)驗(yàn)性的應(yīng)用于車載系統(tǒng)中，如美國通用公司在燃料電池乘用車上使用了長度為1m、直徑為0.14m的液體儲(chǔ)罐，其總質(zhì)量為90kg，可儲(chǔ)氫4.6kg，質(zhì)量儲(chǔ)氫密度、體積儲(chǔ)氫密度分別為5.1%、36.6g/L。

儲(chǔ)氫材料利用可逆反應(yīng)及范德華力，性能有待提高

儲(chǔ)氫材料主要包含兩種形式——化學(xué)氫化物儲(chǔ)氫和物理吸附儲(chǔ)氫。其中化學(xué)氫化物儲(chǔ)氫主要有金屬氫化物儲(chǔ)氫和有機(jī)物儲(chǔ)氫兩種類型;物理吸附儲(chǔ)氫主要分為碳基有機(jī)非金屬儲(chǔ)氫和金屬有機(jī)框架儲(chǔ)氫兩類。

金屬氫化物儲(chǔ)氫是利用氫氣和堿金屬、堿土金屬(Be除外)、部分d或f區(qū)之間金屬，在需要存儲(chǔ)時(shí)進(jìn)行的可逆反應(yīng)，該反應(yīng)的逆過程是加熱分解為金屬單質(zhì)并釋放出氫氣。目前工業(yè)上用來儲(chǔ)氫的金屬材料多為由多種金屬混合而成的合金材料，根據(jù)合金原子比的不同分為AB5型、AB2型、AB型和A2B型四大類。儲(chǔ)氫合金的研究方向是提高材料儲(chǔ)存容量和綜合性能，以及輕質(zhì)化。

有機(jī)物儲(chǔ)氫也是利用可逆反應(yīng)的原理，存儲(chǔ)時(shí)利用氫氣與不飽和液體有機(jī)物進(jìn)行反應(yīng)，需要?dú)錃鈺r(shí)再進(jìn)行脫氫反應(yīng)的過程。化學(xué)氫化物儲(chǔ)氫的優(yōu)點(diǎn)是安全、無污染、可重復(fù)利用;缺點(diǎn)是當(dāng)前技術(shù)條件下的儲(chǔ)氫密度不高、使用壽命有待提升。

目前，該類技術(shù)已在內(nèi)燃機(jī)、特種、小型儲(chǔ)氫裝置和燃料電池汽車中實(shí)驗(yàn)應(yīng)用。在國內(nèi)，浙江大學(xué)使用Ml0.8Ca0.2Ni5合金儲(chǔ)氫材料，在汽油中摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%的氫，使內(nèi)燃機(jī)效率提高14%，可節(jié)約汽油30%，成功的開發(fā)了氫-汽油混合燃料城市節(jié)能公共汽車。在國外，日本豐田實(shí)驗(yàn)性地在汽車中采用儲(chǔ)氫合金供氫，汽車時(shí)速可高達(dá)150km/h，續(xù)航能力超300km。

物理吸附儲(chǔ)氫中，碳基有機(jī)非金屬儲(chǔ)氫和金屬有機(jī)框架儲(chǔ)氫是利用儲(chǔ)氫材料和氫分子之間存在的范德華力，來實(shí)現(xiàn)可逆儲(chǔ)氫的。影響儲(chǔ)氫容量的關(guān)鍵因素是吸附材料的比表面積和吸附溫度，比表面積越大、吸附溫度越低，則儲(chǔ)氫量越大。目前這兩類儲(chǔ)氫材料主要為研發(fā)階段，應(yīng)用較少，研究方向?yàn)槲讲牧系闹苽浜捅砻娓男浴?/p>

高壓氣態(tài)和低溫液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)性能接近DOE目標(biāo)

隨著燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為滿足燃料電池汽車的性能要求，國內(nèi)外主要研究機(jī)構(gòu)不斷對車載儲(chǔ)氫技術(shù)提出新的標(biāo)準(zhǔn)要求，其中美國能源部提出了滿足目前車用儲(chǔ)氫系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)：儲(chǔ)氫設(shè)備的工作溫度在40~60℃之間、質(zhì)量儲(chǔ)氫密度要達(dá)到7.5%、體積儲(chǔ)氫密度要達(dá)到70g/L。

根據(jù)當(dāng)前幾種儲(chǔ)氫方式的技術(shù)水平，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫和低溫液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)成熟度高，質(zhì)量能量密度相當(dāng)，但前者具有成本較低的優(yōu)勢，后者則體積能量密度較高;金屬氫化物儲(chǔ)氫和有機(jī)密度儲(chǔ)氫的技術(shù)成熟度均有待提高，目前技術(shù)水平在性能上的表現(xiàn)為前者質(zhì)量和體積能量密度較DOE總體目標(biāo)偏低、后者質(zhì)量能量密度達(dá)7.2%，接近DOE總體目標(biāo)，兩者應(yīng)用成本均偏高。因此，從當(dāng)前燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的迫切程度來看，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫可以在民用領(lǐng)域較快的實(shí)現(xiàn)，低溫液化儲(chǔ)氫綜合性能最好，在成本降低后可更好的替代高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫，金屬氫化物儲(chǔ)氫和有機(jī)液體儲(chǔ)氫綜合性價(jià)比較低，隨著研發(fā)的不斷深入，在未來可能得到更好的應(yīng)用。