摘要：成熟、實用的車載儲氫技術，對燃料電池汽車的大規模商業化應用非常重要。近年來，各大企業機構對車用儲氫技術持續探索，取得了一系列進展與突破。

　　目前，氫氣儲存技術主要有高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫和儲氫材料三類。這三類均可向燃料電池持續提供氫氣，供汽車動力系統使用。而目前僅高壓氣態儲氫被廣泛的應用于燃料電池汽車中，本文從三類儲氫技術的優劣勢來闡述現狀，并結合美國能源部(DOE)發布的儲氫技術指標，簡要分析未來車用儲氫技術的發展路線。

　　高壓氣態儲氫技術成熟，產品分為四代

　　高壓氣態儲氫是采用氣瓶作為儲存容器，通過高壓壓縮來儲存氣態氫的儲氫方式。高壓儲氫技術成熟，主要有大型和小型兩種類型，大型容積為600~1500L、無縫鍛造，一般應用于加氫站等大型儲氫設施;另一種容積為45~80L，主要應用于移動設施——車載儲氫系統中。

　　高壓氣態儲氫優點是成本低、能耗少、操作簡便，工作溫度條件適合汽車使用，可適應零下幾十度的外部環境;缺點是質量儲氫密度有待提高。高壓氣態儲氫的研究方向是輕量化、高壓化、低成本、穩質量。

　　目前，高壓氣態儲氫瓶主要分為純鋼制金屬瓶(I型)、鋼制內膽纖維纏繞瓶(II型)、鋁內膽纖維纏繞瓶(III型)和塑料內膽纖維纏繞瓶(IV型)四代產品。由于I型、II型儲氫瓶質量儲氫密度較低、氫脆問題嚴重，難以滿足車載儲氫系統的質量儲氫密度要求;而III型、IV型瓶由內膽、碳纖維強化樹脂層及玻璃纖維強化樹脂層組成，顯著減少了氣瓶的質量，提高了單位質量儲氫密度。因此，車載儲氫瓶大多使用III型、IV型。國外目前已經實現IV型儲氫瓶在車用領域70Mpa的應用，國內主要以III型瓶為主，型號有35MPa、70MPa兩種壓力型號。

　　低溫液態儲氫質量、體積能量密度高，成本有待下降

　　低溫液態儲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存器中的儲氫方式，目前主要應用于航空航天領域。其存儲容器是專門定制的絕熱真空容器，由內膽層和外殼兩層構成，內膽層又分為支承層、內夾層和內膽，其中支承層由玻璃纖維帶制成、內夾層由多層鍍鋁滌綸薄膜組成、內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。

　　低溫液態儲氫優點是質量/體積儲氫密度相較高壓氣態儲氫高，質量能量密度是標準大氣壓下氣態氫的845倍;缺點是儲氫容器的能耗高，當前技術水平中能耗占氫氣總能量的30%，且絕熱性能差，導致氫的蒸發損失大。低溫液態儲氫研究方向是低成本、低揮發、穩質量。

　　目前，低溫液態儲氫已被實驗性的應用于車載系統中，如美國通用公司在燃料電池乘用車上使用了長度為1 m、直徑為0.14m的液體儲罐，其總質量為90kg，可儲氫4.6kg，質量儲氫密度、體積儲氫密度分別為5.1%、36.6g/L。

　　儲氫材料利用可逆反應及范德華力，性能有待提高

　　儲氫材料主要包含兩種形式——化學氫化物儲氫和物理吸附儲氫。其中化學氫化物儲氫主要有金屬氫化物儲氫和有機物儲氫兩種類型;物理吸附儲氫主要分為碳基有機非金屬儲氫和金屬有機框架儲氫兩類。

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

　　有機物儲氫也是利用可逆反應的原理，存儲時利用氫氣與不飽和液體有機物進行反應，需要氫氣時再進行脫氫反應的過程。化學氫化物儲氫的優點是安全、無污染、可重復利用;缺點是當前技術條件下的儲氫密度不高、使用壽命有待提升。

　　目前，該類技術已在內燃機、潛艇、小型儲氫裝置和燃料電池汽車中實驗應用。在國內，浙江大學使用Ml_0.8Ca_0.2Ni₅（Ml：富銅混合稀土）合金儲氫材料，在汽油中摻入質量分數為4.5%的氫，使內燃機效率提高14%，可節約汽油30%，成功的開發了氫-汽油混合燃料城市節能公共汽車。在國外，日本豐田實驗性地在汽車中采用儲氫合金供氫，汽車時速可高達 150km/h，續航能力超300km。

　　物理吸附儲氫中，碳基有機非金屬儲氫和金屬有機框架儲氫是利用儲氫材料和氫分子之間存在的范德華力，來實現可逆儲氫的。影響儲氫容量的關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，則儲氫量越大。目前這兩類儲氫材料主要為研發階段，應用較少，研究方向為吸附材料的制備和表面改性。

　　高壓氣態和低溫液態儲氫技術性能接近DOE目標

　　隨著燃料電池汽車產業的發展，為滿足燃料電池汽車的性能要求，國內外主要研究機構不斷對車載儲氫技術提出新的標準要求，其中美國能源部提出了滿足目前車用儲氫系統的標準：儲氫設備的工作溫度在40~60℃之間、質量儲氫密度要達到7.5%、體積儲氫密度要達到70g/L。

　　根據當前幾種儲氫方式的技術水平，高壓氣態儲氫和低溫液態儲氫技術成熟度高，質量能量密度相當，但前者具有成本較低的優勢，后者則體積能量密度較高;金屬氫化物儲氫和有機密度儲氫的技術成熟度均有待提高，目前技術水平在性能上的表現為前者質量和體積能量密度較DOE總體目標偏低、后者質量能量密度達7.2%，接近DOE總體目標，兩者應用成本均偏高。因此，從當前燃料電池汽車產業發展的迫切程度來看，高壓氣態儲氫可以在民用領域較快的實現，低溫液化儲氫綜合性能最好，在成本降低后可更好的替代高壓氣態儲氫，金屬氫化物儲氫和有機液體儲氫綜合性價比較低，隨著研發的不斷深入，在未來可能得到更好的應用。

　　表1 不同儲氫技術和DOE車用儲氫目標要求對比

　　(數據來源：五度易鏈研究中心)

　　結語

　　車載儲氫技術是影響燃料電池汽車整體性能的主要因素之一，目前在高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫和儲氫材料三類儲氫技術中，高壓氣態儲氫研發方向為輕量化、高壓化和低成本;低溫液態儲氫研究方向為低成本和低揮發;儲氫材料研究方向為高容量和輕質化。高壓氣態儲氫和低溫液態儲氫綜合性能接近DOE車用儲氫技術總體目標、儲氫材料還有待提升。由于民用領域的需要，現期技術路線主要為高壓氣態儲氫，中期看高壓氣態儲氫和低溫液化儲氫性價比之爭，長期可期待三類儲氫技術的交叉綜合應用。