综述：化学储氢技术的进展与趋势综述：技术、市场前景及环境考量

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：A review of advances and trends in chemical hydrogen storage: Technologies, market outlook, and environmental considerations

　　

摘要

本研究综述了化学储氢技术及其在低碳能源系统中的作用，重点关注环境影响和市场趋势。储氢途径按可逆性、循环性和载体类型进行分类，包括固态材料（如金属氢化物和复杂氢化物）以及液态载体，如有机液态储氢载体（LOHCs）、甲醇、氨和氢衍生合成燃料。从技术角度来看，金属氢化物具有较高的体积密度，为106–131 g H₂/L，具有较好的可逆性和安全性，但释放氢气需要大量热量输入，高达10.3 kWh/kg H₂。复杂氢化物可提供更高的质量储氢容量，最高可达19.6 wt%，但其往往可逆性有限、能量需求高，且再生条件苛刻。甲醇和氨的氢含量分别为12.5–18.8 wt%和约17.6 wt%，并受益于现有基础设施。然而，甲醇需要重整，而氨需要高温裂解（500-800°C）才能释放氢气。LOHCs可在环境条件下实现循环运行和液态处理，但其氢含量相对较低（5.5–7.5 wt%），且需要大量的脱氢热量和耐用的催化剂。排放分析表明，电子甲醇只有在电力排放保持在约160–190 g CO₂-eq/kWh以下时（包括生物源CO₂）才比化石燃料更清洁。氨的途径由于效率低（约35%）和航运排放而较为敏感。预计到2030年代中期，全球储氢市场规模将达345亿至361亿美元。氨在全球贸易中占主导地位（约占规划中的氢能运输项目的85%），而绿色甲醇预计将快速增长，受航运脱碳和低碳燃料需求的推动。

引言

应对气候变化的紧迫性加速了全球摆脱化石燃料的进程，使氢气成为实现低碳未来最具前景的能源载体之一[1]。《巴黎协定》签署后，世界各国日益聚焦于减少温室气体（GHG）排放和限制全球变暖[2]。氢气由于具有很高的质量能量含量以及储存间歇性可再生能源的能力，在这一战略中发挥着至关重要的作用[3]。

氢气"色彩"光谱的开发提供了一种工业标准框架，用以说明与制氢相关的环保影响和能源资源。图1根据生产工艺和能源来源将氢气分为八类[4,5]。每种颜色代表不同的环境足迹和技术路径。

蓬勃发展的氢经济包括四个关键要素：生产、储存、安全和利用[6]。在这些基本组成部分中，氢气储存是面临的最紧迫挑战之一。尽管氢气具有最高的单位质量能量含量，但由于其密度低，储存和运输颇具挑战[7]。此外，由于其分子体积小、扩散性极高，还存在技术和安全方面的挑战[8]。储氢材料必须满足若干关键要求以实现高效性能，包括资源丰富、安全性高、成本低、动力学快、易于处理、热力学性能良好（即可逆吸氢和脱氢），以及具有高比氢密度和体积氢密度[9,10]。

储氢技术主要分为两大类：物理储存和化学储存[11]。物理储存是将氢气以分子形式储存，通常通过压缩、液化和低温压缩储存实现[6,12]。这些方法技术上已较为成熟，可提供较高的释放速率，适用于移动式应用；然而，它们通常存在体积能量密度低、绝缘要求高以及安全挑战等问题[13,14]。另一方面，化学储存是将氢气与材料结合，具有体积能量密度更高、在各种环境条件下安全性更好，以及适合长期储存和远距离运输等优势[15,16]。然而，与制氢技术相比，化学储存技术发展仍然相对滞后，凸显了需要进一步研究以释放其在新兴氢能市场中潜力的必要性[17]。

现有综述往往聚焦于孤立的储存技术或特定化合物，缺乏同时考虑技术性能、市场趋势和环境影响的全面多维分析。此外，对不同载体的循环性和可逆性进行比较，以及这些特性如何影响其融入未来氢能经济的关注程度也不足。

本文旨在弥补现有研究的不足，通过对化学储氢系统的综合综述，重点关注固态氢化物、液态载体和氢衍生合成燃料。文章识别了研究、技术和市场发展的当前趋势，同时突出了这些领域中的重要机遇与挑战。此外，本文通过评估各储存方法的排放强度，拓展了该领域的研究范围。本综述为化学储氢的变革性潜力建立了扎实、基于证据的理解，突出了其在推动可持续能源系统中的关键作用，并为研究人员、行业利益相关者和政策制定者提供了实用的见解。

章节摘要

储氢分类标准

储氢技术可根据氢气与材料相互作用的性质和储存系统的运行特征进行分类。主要分类标准包括氢气是以物理方式还是化学方式储存，以及载体系统是否可逆和可循环。

化学储氢方法

氢气化学储存可分为两大类子技术：(a) 固态储氢，即通过金属氢化物和复杂氢化物等材料的吸收实现储氢；(b) 液态储氢载体，包括LOHCs和转化型选项。本文所采用的分类在图3中以图形方式表示。甲醇和氨等转化型选项可直接用作基于氢的合成燃料和含氢化学化合物。

储氢市场

本节考察了全球储氢市场，涵盖市场规模和增长趋势、终端用户需求、区域发展以及主要市场参与者，从而为市场动态提供了综合图景。

结论

分析表明，没有哪种储存途径是普遍最优的，因为每种技术都在储氢容量、可逆性、能量需求、安全性和技术成熟度之间呈现独特的权衡。从技术角度来看，TiFe和TiMn₂等金属氢化物在相对较低的温度下运行，具有较高的体积氢密度，但其低比氢容量限制了其在重量敏感型应用中的使用。复杂氢化物通常

生成式AI和AI辅助技术使用声明

在准备本研究的过程中，作者使用chat.openai.com来检查语法。使用该工具后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对出版内容承担全部责任。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的利益冲突（包括财务利益或个人关系），这些冲突可能会影响本论文中报告的工作。

Shahin Akbari|Mohammad Sharifian|Tabassom Mirshekarzadeh|Kody Powell|Mohamad Ali Bijarchi

德黑兰理工大学机械工程系，德黑兰，伊朗