氢储存技术：面向碳中和未来的材料创新与系统级挑战

《Advanced Energy and Sustainability Research》：Hydrogen Storage Technologies: Materials Innovation and System-Level Challenges for a Carbon-Neutral Future

　　

本综述评估了氢储存途径，并确定了能源应用策略。所研究的技术包括压缩气态储存、液态氢（LH₂）、低温压缩系统、固态氢化物、化学载体和吸附材料，并从储存性能、安全性、经济可行性和可扩展性等方面进行了评估。压缩气态和LH₂系统是成熟的选择，但受到能量损耗、蒸发损失、泄漏风险和基础设施成本的制约。固态氢化物提供了储存密度和更高的安全性，但其应用仍受到缓慢的吸脱附动力学、较高的脱附温度以及循环过程中结构退化的限制。化学载体（包括氨、甲醇、甲酸和液态有机氢载体（LOHCs））提供了多种氢密度和成熟的生产路线；然而，不同载体类型的基础设施要求各不相同。氨需要耐腐蚀材料和压力–温度条件，而LOHCs则依赖于双向物流网络。催化剂降解、有毒副产物和能源密集型的再生过程继续阻碍其应用。基于吸附的材料（包括金属–有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）和碳纳米结构）在低温条件下表现出氢吸附能力，但仍受制于昂贵的合成和低温操作。本综述强调了纳米结构材料、非贵金属催化剂、混合储存系统和近环境温度吸附技术的进展，同时概述了实现全球安全、高效、可扩展且经济可行的氢储存所需的研究重点。

1 引言

全球向低碳能源系统转型使氢成为重型运输、工业过程和长时间储能脱碳战略的核心。化石燃料价格上涨，氢具有高单位质量热值（142 MJ/kg），但燃烧可能产生氮氧化物（NOx）。国际能源署（IEA）净零排放（NZE）情景预测氢需求将从2022年的95百万吨增至2050年的430百万吨。本综述从材料科学与系统工程双重视角系统评估储氢技术，并与美国能源部（DOE）性能目标对比，以弥补以往仅关注理论储氢容量的不足。

2 氢储存系统

2.1 物理储存方法

2.1.1 压缩气态氢储存（CGH2）

压缩气态氢（CGH2）是目前技术最成熟的储存方式，工作压力为350–700 bar，但压缩能耗占总能量10%以上，快速充装时温度可升至162.93°C。储罐分为Type I–IV，Type IV采用塑料内胆全复合缠绕，重量轻但成本高。系统级质量容量约5.13 wt%，体积容量25.8 kg H₂ m^?3，低于DOE目标。主要挑战还包括氢脆、压缩能耗和低体积密度。

2.1.2 液态氢储存（LH2）

液态氢（LH₂）在1 bar和20 K下储存，密度高，体积约为同质量气态氢的1/700，能量密度8491 kJ/L。但液化过程能耗大（约30%–45%），且存在每日0.06%–3%的蒸发损失。储罐需多层绝热，典型项目如NASA、Kawasaki等展示了不同的蒸发率。系统级质量容量约7 wt%，体积容量70 kg H₂ m^?3，但往返效率仅19%–23.6%。

2.1.3 低温压缩氢储存（CcH2）

低温压缩氢（CcH₂）结合了高压和低温，在20–50 K和最高300 bar下运行，可获得约64.64 kg m^?3的储存密度，且减少蒸发损失。典型研究显示，它适用于重型卡车，可实现1200 km续航。储罐设计需考虑低温下碳纤维厚度增加，但全金属罐也有竞争力。

2.2 基于材料的储存方法

2.2.1 金属氢化物

金属氢化物通过化学吸附储氢，具有高体积密度（如LiCrH₃达264.93 kg H₂ m^?3）和安全性。典型材料MgH₂理论质量容量7.6 wt%，但脱附温度高于300°C，动力学慢，循环中易退化。合金化、纳米结构和高熵合金（HEA）等策略正用于改善性能。

2.2.2 化学储氢

化学储氢载体包括氨（NH₃）、甲醇（CH₃OH）、甲酸（HCOOH）和液态有机氢载体（LOHCs）。氨的氢含量17.6–17.8 wt%，但需要催化裂解且可能产生NOx；LOHCs如二苄基甲苯（DBT）可在环境条件下储存，但再生能耗高，催化剂易失活。整体上，化学储氢具有高氢密度和基础设施兼容性，但受限于再生能耗和催化剂问题。

2.2.3 吸附基储氢

吸附储氢利用多孔材料的物理吸附，如金属–有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）和碳纳米结构。MOF-5在77 K和100 bar下可达10 wt%吸附量，但通常需要低温，体积容量低，合成成本高。锂修饰和互穿结构可提高近环境温度下的吸附性能。

2.3 基于能源部（DOE）目标的系统级基准评估

对照DOE 2025目标（质量容量≥5.5 wt%，体积容量≥40 kg m^?3，耐久性≥1500次循环），CGH2、LH2、CcH2、金属氢化物、氨、LOHC和吸附材料各有优劣。例如，金属氢化物与氨可满足质量目标，但脱附能耗或裂解效率是瓶颈；没有单一技术同时满足所有指标。

2.4 新兴电化学储氢技术

2.4.1 碳基电极

碳基材料（如活性炭、碳纳米管）作为电极可实现电化学储氢，通过浆料电极系统，质子嵌入碳颗粒。碳材料导电性和浆料流变性是主要挑战。掺杂杂原子（B、N、O、P、S）可改善储氢性能，相关研究仍在早期阶段。

3 氢储存技术现状

3.1 商业系统

多家公司已商业化储氢系统：FORVIA提供多种Type IV储罐，容量最高80 kg氢，寿命可达20年/5000次充装；NPROXX高压容器（700 bar）可储22.2 kg氢，寿命30年；Lux