氢能具有高能量密度、环境友好性和可再生性等特点，被人们认为是极具开发潜力的二次能源。据中国氢能联盟的预测，至2050年，氢能在我国终端能源体系中的占比预计将至少达到10%，这预示着届时氢气的需求量将逼近6000万吨，氢能产业链的年度产值将达到约12万亿元。这一数据不仅凸显了氢能产业的巨大发展潜力，更预示着氢能产品在未来将拥有极为广阔的市场空间。
氢能储运是氢能经济发展的瓶颈环节，在双碳目标背景下，高储氢密度、低储氢压力的固态储氢材料受到了人们的广泛关注。固态材料储氢是指固态材料与氢气以物理或化学的形式反应结合，氢气以原子、分子、离子的形式存在于固态储氢材料中，固态储氢是一种极具发展潜力的储氢方式，未来最有可能满足高密度、低压力、高安全性的储氢技术要求。
物理吸附，即氢分子直接附着于固态储氢材料的表面。这一过程要求所选用的固态储氢材料必须具备较大的比表面积，以便实现更高的储氢密度。碳纳米管、介孔材料以及金属框架材料均具有较大的比表面积，是主要的通过物理吸附的固态储氢材料。
碳基储氢材料利用储氢材料高比表面积和高微孔容积等结构特点实现高密度储氢，典型吸附材料包括碳纳米管、活性炭、碳纳米纤维等，主要通过范德华力实现氢气与吸附材料可逆储氢。比表面积是影响吸附材料储氢容量的主要因素，多孔碳材料比表面积和孔容较高，稳定性好且密度低，可重复存储。理论上碳材料和其他无机多孔材料的质量储氢密度可达5 wt.% ~ 10 wt.%，甚至更高。
图1碳纳米管
金属有机框架(MOFs)和共价有机框架(COFs)材料是由无机单元和有机单元结合形成的高度结晶的多孔配位聚合物，是储氢材料另一个重要分支。这些材料具有极高的表面积、超高孔隙率、可调孔径和可用活性金属位点，比其他基于物理吸附的潜在储氢材料更具优势。其低温储氢性能良好，但常温下的储氢能力大幅度降低，目前主要通过内部结构调制和表面改性等手段实现温和条件下高储氢容量。
化学吸附是储氢材料与氢气通过化合反应形成金属氢化物、配位氢化物等，这种结合方式相较于物理吸附更加牢固。金属氢化物中，氢与纯金属或金属间化合物结合形成金属氢化物，由于良好的储氢性能得到了发展与研究。 图2 代表性金属储氢材料的储氢能力
图3 固、液、气三种储氢方式存储4kg H2体积对比
钛铁系储氢材料:
钛铁系储氢材料具有材料易得、能在常温下吸/放氢等优势，其储氢量可达1.8 ~ 2.0 wt.%，可在较低温度下吸放氢。但是钛铁系储氢材料自身特性问题，如材料活化困难、储氢压力高、储氢量较低等，商业化、大规模应用也存在一定困难。相关研究发现热处理和塑性变形功能工艺，对材料的吸/放氢性能改善起到了积极作用。
V基储氢合金的储氢方式与其他合金不同，氢渗透进金属晶格中以固溶体形式存在，而不是金属化合物方式，其储氢量可达2.0 ~ 4.0 wt.%。V在氢化完成后会存在VH和VH2相，其中VH过于稳定，需要真空环境才能释放氢气，因此V基储氢合金的主要吸/放氢相为VH2。目前的V基储氢合金主要有V-Ti、V-Ti-Cr、V-Ti-Mn等。
2020年澳大利亚Lavo推出了世界首个家用氢电池储能系统，形成一个“智能虚拟发电厂”，这款集成氢能存储系统(HESS)已在全球市场获得超过2500个To-C预购订单。该产品能够输出约40kW·h的能量，并提供5kW的连续输出，能够让一个普通家庭使用2-3天。在这款产品的基础上，LAVO正在与全球几家大的电讯公司合作，以氢气储能为核心的长时储能系统，用来代替柴油发电机，同时满足其基站资产脱碳需求。该产品也可以应用在偏远牧区、数据中心等场景。
英国H2GO的储氢模块，每个模块可以储存1公斤氢气，主要应用在无人机领域。氢燃料已被证明可以最大限度地延长无人机的飞行时间，并具有更清洁的能源足迹。该公司的无人机应用解决方案可以将无人机的飞行时间延长90分钟，而典型的锂离子电池系统则不到25分钟。
氢能两轮车采用安全高能量密度固态储氢材料为氢源，是创明（韶关）绿色能源材料技术研究院有限公司创新性研发成果，采用两个容积为1L固态储氢瓶，搭载氢燃料电堆发电系统，充氢110g，续航里程120km。
上海氢枫科技的固态储氢车，最大储氢量可达1吨，工作压力低，无需高压及隔热容器，因此更加安全，无爆炸危险。走在了国内镁基固态储氢产业化的前列。
能源站利用光伏、风力发电，驱动电解水装置制取“绿氢”，采用固态储氢装置储氢，支撑电网调峰，解决电力系统灵活性调节资源不足的问题。
固态储氢为储氢环节新兴技术，相较于高压气体储氢和低温液态储氢具备安全性高、体积储氢密度高、快速充放氢、维护成本低等优势。另外固态储氢的存储规模更大，存储时间更长可以满足长周期、大规模储能要求。
供稿 | 新技术中心 马文豪
编辑 | 顾丁雯
