随着世界努力应对气候变化和化石燃料资源枯竭带来的挑战，寻找可持续且持久的能源解决方案变得越来越重要。氢可以通过电解、蒸汽甲烷重整和生物质气化产生，它是一种强调可再生能源的解决方案。然而，氢存储存在一些挑战，包括能量密度、热损失和安全问题，这需要高压或低温条件。尽管如此，氢在应对气候变化、使工业脱碳以及交通运输方面有诸多好处。此外，它还能增强能源安全、促进创新并有助于经济增长。氢技术的不断进步有望提高效率和降低成本，使氢能成为多元化能源组合的可行组成部分。
与欧洲同行及世界其他地区一致，美国能源部（DOE）已经为氢存储设定了具体目标。这些目标包括重量密度、体积密度和系统成本，目标是到2025年实现5.5%的重量密度和40千克/立方米的体积密度。这些目标对于促进氢作为可持续和低碳能源的广泛采用至关重要。DOE高度重视压缩和与材料相关的氢存储技术，认识到它们在解决固定电源、便携式电源和交通运输应用中的全球变暖问题方面的潜力。此外，美国政府为绿氢发展分配资金与更广泛的清洁能源倡议相一致。预计到2050年氢市场价值将超过1万亿美元，目标重量密度为6.5%，氢气价格为每千克266美元（每千瓦时8美元）。此外，DOE的“H2@Scale”倡议旨在将氢整合到各个能源领域，以解决能源变化性和困难部门脱碳等挑战。DOE还为燃料电池汽车中的车载氢存储设定了全面目标（包括2.2千瓦时/千克的重量密度和1.7千瓦时/升的体积密度）。这些目标作为实现特定重量和体积密度以及系统成本的基准。在欧洲，燃料电池和氢能联合行动组织（FCH JU）专注于类似的车载氢存储成本和密度目标，而在日本，新能源和工业技术开发组织（NEDO）强调氢存储的存储系统成本、重量密度和体积密度目标。这些合作努力凸显了全球致力于利用氢的潜力以实现可持续能源未来的决心。
然而，开发高效的氢存储系统对于氢作为可行燃料的广泛使用至关重要。氢在全球能源系统中的作用正在被研究，它被认为是对能源转型的重大投资。然而，氢的需求增长速度不足以满足国际能源署（IEA）到2050年实现零排放的目标。科学家们正在研究不同的存储方法，如压缩、液化和固态存储，以找到将氢气存储在罐中的实际解决方案。存储方法的选择取决于应用、成本和安全要求等因素。研究人员探索了新的方法和材料以提高氢存储的效率和安全性。氢的能量含量为120兆焦/千克，比大多数其他碳氢燃料具有更多的能量，并且比汽油燃烧得更快。氢与大多数燃料电池兼容，并且由于其高效率（60%），它比柴油（45%）或汽油（22%）更高效。氢有望在氢经济的发展中在固定和车载应用中发挥重要作用。固定氢存储位置的存储方法比在车辆上存储氢的挑战要小，在车辆上存储系统的重量和体积是关键考虑因素。具有高能密度、低焓变、成本效益高且操作条件合理的存储方法。已经为氢生产开发了几种新的存储技术，并且在氢经济的发展中显示出希望。未来对绿色和可持续能源的研究将集中在减少氢生产的障碍并制定政策以创建安全的混合燃料。
该综述全面分析了专门为交通运输应用设计的氢存储技术。它探索了各种存储方法、材料和系统，为读者提供对该主题的全面理解。
1、压缩氢气存储（CAG）
CAG 通常用于运输过程中的氢存储。这种方法涉及将氢气压缩到高压，通常在 3.5×10⁷和 7×10⁷帕斯卡之间，以实现高能量密度。CAG 存储允许快速填充和释放氢气，但会导致其热值损失约 13-18%。用于存储氢气的圆柱形容器应价格低廉、重量轻且能抵抗氢扩散。有四种不同类型的容器用于氢气存储：I 型、II 型、III 型和 IV 型。I 型容器是由金属制成的压力容器，用于在 1.5×10⁷和 3×10⁷帕斯卡之间的压力下存储氢气。它们是高压罐中使用最广泛且最便宜的选择；然而，由于其重量较重，它们不适合在车辆中使用。II 型容器由厚金属环衬里包裹着碳纤维复合材料组成 。III 型容器的壁由铝和碳纤维制成，能够承受 7×10⁷至 8.5×10⁷帕斯卡的氢气压力。IV 型气缸由复合材料制成，具有非金属内衬和外壳。它们的重量比 I 型罐轻达 70%，使其成为移动和航空应用的理想选择。此外，它们用于氢能存储并能处理极高的压力，存储容器的选择取决于所需的压力、存储密度和存储成本。
2、液态有机储氢
液态有机氢载体是氢存储和运输的潜在变革性解决方案。它们通过化学反应有效地吸收和释放氢，并在环境条件下提供安全高效的存储，从而无需高压压缩。液态有机氢载体还比压缩氢气具有更高的能量密度，确保了高效的存储和运输。氢可以装载到液态有机氢载体分子中并卸载以供使用，与压缩氢相比，甲醇、二苄基甲苯和甲苯等化合物在存储和运输方面具有经济优势。液态有机氢载体为氢的存储和运输提供了一种高效且环保的方式，有助于氢经济的发展 。它们包括一系列有机材料，如苯、环己烷、甲苯和甲基环己烷，凸显了这项技术的多样性和潜力 。液态有机氢载体已被证明在经济上是可行的，为长期存储和长距离运输提供成本优势，并获得了优美科和现代汽车等行业领导者的认可和投资。
另外，液态有机氢载体技术通过在催化材料存在下对烃分子进行加氢和脱氢来实现氢的存储和释放 。这些系统的效率取决于脱氢热源，其中废热是最有效的。利用废热进行脱氢过程显著提高了能源效率，使液态有机氢载体成为可持续氢经济在技术和经济上有前途的选择。
3、固态储氢
固态氢存储（SSHS）是一种通过固态材料的吸附或机械压缩实现氢的存储和释放的方法。这些材料可以通过物理或化学物理吸附或化学吸附来存储氢。金属氢化物化合物如氢化镁和硼氢化锂可以通过将氢与金属原子结合来存储氢。金属有机框架（MOFs）可以通过物理吸附在其多孔结构中存储氢。其他材料如毛细管束、中空玻璃微球（HGMs）、金属氮化物和氮化物、包合物水合物、沸石和掺杂聚合物使用各种机制来存储氢 。
固态氢存储材料的设计旨在创建大孔隙并增强氢分子与表面的亲和力，以构建坚固稳定的结构。这些相互作用可分为三种类型：与碱性阳离子的静电相互作用、与过渡金属的库巴斯相互作用以及与钙和其他非过渡金属的轨道相互作用。
另外，碳基纳米材料，包括碳纳米管、富勒烯、活性炭、石墨烯衍生物以及与镍和 MXenes 杂化的多孔石墨，由于其成本效益、轻质、高化学稳定性和卓越的气体吸附能力，正在推进氢存储技术 。这些材料在氢存储方面很有前景，特别是因为它们可以牢固地限制氢并表现出卓越的氢吸收能力。各种碳质材料有助于在包括能量存储和运输在内的各个领域中氢存储技术的发展。
另外，金属氢化物存储系统具有高存储容量、低压和便携性。它们可以集成到现有基础设施中，但释放氢气需要高温和高压。一些氢氧化物 - 氢化物材料具有高密度和低能量存储容量。
MOF 通过在其多孔结构（由金属簇和有机连接体组成）上的物理吸附来存储氢气。MOF 的储氢能力取决于其类型、组成和结构以及温度和压力。通过掺杂、功能化、杂化和纳米结构化可以提高储氢能力。同时，由于 MOF 具有高孔隙率和表面积，能够通过弱范德华力吸附氢气，因此它们非常适合用于燃料电池。已经进行了通过调整物理化学性质来优化存储容量的研究。MOF 比液化或低温压缩存储系统更实用，它们吸收氢气的程度取决于其重量和体积表面积。MOF 复合材料、混合材料以及用各种金属化合物掺杂可以改善储氢性能。开发能够在室温下高效存储氢气的金属有机框架（MOF）对于储能目的是非常理想的。
中空玻璃微球（HGMs），通过将氢气封装在其空心腔体中来存储氢气。HGMs 的储氢能力取决于它们的尺寸、壁厚、孔隙率和表面积以及氢气的温度和压力。具有低密度和大比表面积的中空球体材料，包括中空碳、中空玻璃、氮化硼和中空金属球，已成为有前途的氢存储选择。制造中空球体的几种合成技术包括喷雾干燥、柯肯达尔效应和模板法。中空球体提供独特的形态和结构，包括无序孔隙；有序圆柱通道；以及单孔、无孔、多壳和多空心核。
毛细管束通过将氢气限制在高压下的微玻璃毛细管中来存储氢气。毛细管束的储氢能力取决于毛细管的尺寸、数量和排列以及氢气的温度和压力 。目前，科研学者们已经使用了几种方法来增加毛细管束的储氢能力，例如优化毛细管几何形状、涂层材料和填充密度 。
包合物水合物通过形成类似冰的晶体将氢分子封装在明确的空腔中来存储氢气。已经提出了几种方法来增强包合物水合物的储氢能力，包括使用促进剂分子、多孔载体和新型合成方法。
金属氮化物和氮化物通过与金属和氮原子形成稳定化合物并通过热分解释放氢来存储氢气。金属氮化物和氮化物的储氢能力取决于金属氮化物或氮化物的类型、组成和结构以及氢气的温度和压力。科学家们已经提出了几种方法，包括纳米结构化、掺杂、合金化和催化，以增加金属氮化物和氮化物的储氢能力。
此外，该研究旨在全面评估交通运输领域氢存储技术的现状，该评估提供了现有技术的全面概述，概述了它们的局限性，并根据存储容量、效率和安全等关键因素评估了它们的性能。最后，该研究调查了氢存储技术在交通运输中的潜力，突出了新兴技术、正在进行的研究努力以及可能增强氢存储系统可行性的潜在进步。预计本研究将对这些技术相关的挑战和机遇进行批判性评估，包括在塑造氢作为车辆可行燃料的未来中起关键作用的技术、经济和监管方面。最终，本研究有望为该领域的进一步研究和开发提供有见地的建议，确定需要进一步探索以克服现有障碍的关键领域，并加速氢动力车辆的广泛采用。
来源：源因产研院
文献链接: https://doi.org/10.1016/j.nantod.2024.102302
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