1.1　储氢材料的发展状况

能源是人类生存和发展的重要源泉，是国民经济的基础。然而，随着社会的发展，煤、石油、天然气等传统化石能源日益枯竭，人类正面临着能源危机。与此同时，化石能源的生产和使用所造成的环境问题，如酸雨、温室效应和城市热岛效应等日趋严重。为此，寻求和开发无污染且可再生的新型能源，实现可持续发展，对全人类尤其是一些石油资源匮乏的国家是一个迫在眉睫的任务。在目前研究和开发的太阳能、风能、核能、地热能、生物质能以及氢能等新能源体系中，氢能被认为是很有发展前景的二次能源[2]。主要因为氢在物理化学性能方面显示出如下优势：

①具有很高热值，燃烧1kg氢气可产生1.25×106kJ热量，相当于3kg汽油或4.5kg焦炭完全燃烧所产生的热量；

②燃烧产物是水，对环境完全无污染；

③资源丰富，来源广泛，可以利用太阳能、风能、地热能等廉价能源分解水产生，具有很高的经济效益[3]。

20世纪70年代，美国通用汽车公司就曾提出“氢经济时代”的概念，描绘未来氢气取代石油、天然气成为支撑全球经济的主要能源经济形态。因此，氢能的开发和利用成为世界各国特别关注的科技领域。氢能的研究开发面临着氢气的生产、储存和利用三大问题。其中，氢气的储存是氢能应用的前提和关键，许多国家在研究制氢技术和氢能应用技术的同时，对储氢技术的研究极为重视。美国能源部（Department of Energy，DOE）在全部氢能研究经费中，大约有50％用于储氢技术研究。日本已将储氢材料的开发和利用列入1993—2020年的“新阳光计划”，其中氢能发电技术（高效分解水技术、储氢技术、氢燃料电池技术）一次性投资就达30亿美元。德国对氢能开发和储氢技术的研究也特别重视。欧盟也提出了“氢燃料经济——通向可持续能源的桥梁”的报告，计划在该领域技术的检验、研究以及开发中投入10亿欧元，以期获得较大的突破。我国也高度重视储氢技术的发展，在国家高技术研究发展计划（863计划）及国家重点基础研究发展计划（973计划）中，均将储氢材料作为重点研究项目。国务院公布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》也将高容量储氢材料技术确定为“前沿技术”。由国家发展和改革委员会和科学技术部共同组织编制的《当前优先发展的高技术产业化重点领域指南（2011年度）》中也把储氢材料列为重点发展的产业化方向之一。同时，我国是世界稀土资源大国，开发高性能稀土储氢材料及镍氢动力电池意义重大，因而研究和探索新型稀土系储氢合金在我国材料研究领域也一直备受关注。随着2004年10月我国第三代燃料电池轿车发动机的研制成功，以及中国新能源汽车技术的发展及其面对的挑战，相信储氢材料作为氢能的载体必将受到人们更为广泛的关注。

氢能系统主要包括氢源开发、制氢、储氢、输氢和氢的利用等技术。其中，储氢和输氢技术是能源有效利用的关键所在。而高效、安全的储氢是氢能实现大规模实用化的前提。氢的储运按照氢的储存方法可以分为三种[4]：

（1）气体氢储存技术　将氢气压缩后存储在高压容器中，缺点是钢瓶储存氢气的容积小、储氢量小，并且有爆炸的危险；

（2）液态氢储存技术　将氢气液化后存储在绝热容器中，缺点是液体储存箱庞大，需要很好的绝热装置来隔热，并且容易渗漏；

（3）固体氢储存技术　将氢气与储氢材料通过物理或化学的方式相结合的固体储氢方式，能有效克服气、液两种储存方式的不足，而且储氢体积密度大、安全度高、运输方便、操作容易。

根据氢与其载体作用方式的不同，储氢可分为物理方法和化学方法。

（1）物理方法有液氢储存、高压氢气储存、活性炭吸附储存、碳纤维和碳纳米管储存、玻璃微球储存、地下岩洞储存等。

（2）化学方法有金属氢化物储存、有机液态氢化物储存、无机物储存、铁磁性材料储存等。

不同的储氢方法各有利弊。其中深冷液化储氢由于储氢密度高，是很有前景的储氢技术，但耗能大，对储器材料和结构要求苛刻，目前，除用于火箭等特殊场合外，这种方法并不经济；高压压缩储氢费用低，但储氢量少，只适用于较少的应用场合；活性炭低温吸附储氢在质量、体积和成本上都有一定优势，但低温条件限制其应用范围；玻璃微球储氢法、无机化合物储氢法和有机液态氢化物储氢法都是新近开发出来的方法，正在受到重视，尤其富勒烯球（C60）和碳纳米管对氢有较强的吸附作用，吸氢量比活性炭高，可能成为新一代的储氢材料[5]；化学法中的金属氢化物储氢法因其能量密度高，且兼具多种功能，而备受世人青睐。在上述多种储氢方法中，高压储氢和液态储氢都是比较传统而成熟的方法，无需任何材料作载体，只需耐压或绝热的容器即可，发展较早。其他方法均是近二三十年才发展起来的，都需要利用一定性质的材料作介质，如金属氢化物、铁磁体、碳材、无机化合物或有机化合物等[6]。其中，金属储氢材料具有储氢量大、可逆性好、安全可靠和无污染等优点，是迄今为止研究最为广泛和成熟的固体储氢材料之一[7]。

常见储氢材料的质量储氢密度和体积储氢密度如图1-1所示[8]。综观目前研究的所有储氢材料及相关储氢技术，包括高压储氢、物理吸附储氢及化学储氢等，尚无任何一种储氢材料或技术能够完全满足各方面的性能指标。目前能胜任的候选材料主要由化学元素周期表中前列的轻质元素（前13个元素）的储氢材料组成，例如，Li、B、C、N、Na、Mg、Al等。除了这些具有物理吸附性的材料，最普遍且重点研究的轻量化材料是金属氢化物和复合氢化物（MgH2、NaAlH4、LiBH4、NH3BH3和LiNH2），然而这些材料普遍受制于不适宜的温度、缓慢的动力学性能和较差的可逆性能等问题。

图1-1　常见储氢材料质量储氢密度和体积储氢密度的比较

注：dec.—放氢温度；b.q.—沸点；m.p.—熔点。