如何把氫儲存起來？（係列講座3）

氫能體係主要包括氫的生產、儲存和運輸、應(ying)用(yong)三(san)個(ge)環(huan)節(jie)。而(er)氫(qing)能(neng)的(de)儲(chu)存(cun)是(shi)關(guan)鍵(jian)，也(ye)是(shi)目(mu)前(qian)氫(qing)能(neng)應(ying)用(yong)的(de)主(zhu)要(yao)技(ji)術(shu)障(zhang)礙(ai)。大(da)家(jia)知(zhi)道(dao)，所(suo)有(you)元(yuan)素(su)中(zhong)氫(qing)的(de)重(zhong)量(liang)最(zui)輕(qing)，在(zai)標(biao)準(zhun)狀(zhuang)態(tai)下(xia)，它(ta)的(de)密(mi)度(du)為(wei)0.0899g/L，為水的密度的萬分之一。在-252.7℃時，可以為液體，密度70g/L

，僅為水的十五分之一。所以氫氣可以儲存，但是很難高密度的儲存。

液(ye)氫(qing)和(he)液(ye)化(hua)天(tian)然(ran)氣(qi)在(zai)大(da)的(de)儲(chu)罐(guan)中(zhong)儲(chu)存(cun)時(shi)都(dou)存(cun)在(zai)熱(re)分(fen)層(ceng)問(wen)題(ti)。即(ji)儲(chu)罐(guan)底(di)部(bu)液(ye)體(ti)承(cheng)受(shou)來(lai)自(zi)上(shang)不(bu)的(de)壓(ya)力(li)而(er)使(shi)沸(fei)點(dian)略(lve)高(gao)於(yu)上(shang)部(bu)
，上(shang)部(bu)液(ye)氫(qing)由(you)於(yu)少(shao)量(liang)揮(hui)發(fa)而(er)始(shi)終(zhong)保(bao)持(chi)極(ji)低(di)溫(wen)度(du)。靜(jing)置(zhi)後(hou)，液(ye)體(ti)下(xia)“熱”上“冷”的兩層。上層因冷而密度大
，蒸氣壓較低；反fan之zhi底di層ceng因yin熱re而er密mi度du小xiao，蒸zheng氣qi壓ya較jiao高gao。顯xian然ran這zhe是shi一yi個ge不bu穩wen定ding狀zhuang態tai，稍shao有you擾rao動dong，上shang下xia兩liang層ceng就jiu會hui翻fan動dong，如ru果guo略lve熱re而er蒸zheng汽qi壓ya較jiao高gao的de底di層ceng翻fan到dao上shang部bu，就jiu會hui發fa生sheng液ye氫qing爆bao沸fei
，產chan生sheng大da體ti積ji氫qing氣qi，使shi儲chu罐guan爆bao破po。為wei防fang止zhi事shi故gu的de發fa生sheng，大da的de儲chu罐guan都dou備bei有you緩huan慢man的de攪jiao拌ban裝zhuang置zhi以yi阻zu止zhi熱re分fen層ceng。如ru果guo在zai液ye氫qing中zhong加jia入ru膠jiao凝ning劑ji，進jin一yi步bu降jiang溫wen就jiu會hui生sheng成cheng液ye氫qing和he固gu體ti氫qing的de混hun合he物wu（即膠氫），含有50%固體氫的膠氫的溫度為13.8K
，密度為81.5kg/m³。我國已經可以自行生產液氫，並成功的用於航天航空事業。

液氫方式儲運的最大優點是質量儲氫密度高（按目前的技術可以大於5%），存在的問題是液氫蒸發損失和成本問題。

四 固體氫儲存

研究發現，某些金屬具有很強的捕捉氫的能力，在一定的溫度和壓力條件下，這些金屬能夠大量“吸收”氫氣，反應生成金屬氫化物，同時放出熱量。其後，將這些金屬氫化物加熱，它們又會分解
，將儲存在其中的氫釋放出來。這些會“吸收”氫氣的金屬，成為儲氫合金。常用的儲氫合金有：稀土係（AB₅型）、鈦係（AB型）、鋯係（AB₂型）
、鎂係（A₂B型）四大係列。自20世紀70年代起，儲氫合金就受到重視。為改善合金的儲氫性能和降低成本
，科技工作者們合金成分、製備工藝等方麵進行不懈的探索。

儲氫合金的優點是有較大的儲氫容量，單位體積儲氫密度是相同溫度

、壓力條件下氣態氫的1000倍，也即相當於儲存了1000個大氣壓的高壓氫氣，其單位體積儲氫密度可高達40~50kg/m³。儲氫合金安全性也很好，即使遇槍擊也不爆炸。

該方法的缺點是質量儲氫密度低
，多數儲氫金屬的質量密度僅為1.5~3%，zaicheshangshiyonghuizengjiahendadefuzai。lingwai，chuqinghejinyifenhua。chuqingshijinshuqinghuawudetijipengzhang，erjielishiqingguochengyouhuifashengtijishousuo。jingduocixunhuanhou，chuqingjinshubianposuifenhua
，qinghuaheshiqingbiandeyuelaiyuekunnan。lirujuyouyouliangchuqingheshiqingxingnengdeLaNi₅，經10次循環後，其粒度由20目降至400目mu。如ru此ci細xi微wei的de粉fen末mo，在zai釋shi氫qing是shi就jiu可ke能neng混hun雜za在zai氫qing氣qi中zhong堵du塞sai管guan路lu和he閥fa門men。儲chu氫qing合he金jin的de低di溫wen特te性xing不bu好hao，要yao是shi儲chu氫qing合he金jin釋shi放fang氫qing，必bi須xu向xiang合he金jin供gong應ying熱re量liang，AB5型合金需加熱溫度最低，為40~50℃，而鎂基合金則需加熱到300℃左(zuo)右(you)。實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)還(hai)裝(zhuang)設(she)熱(re)交(jiao)換(huan)設(she)備(bei)，進(jin)一(yi)步(bu)增(zeng)加(jia)了(le)儲(chu)氫(qing)裝(zhuang)置(zhi)的(de)體(ti)積(ji)和(he)重(zhong)量(liang)。同(tong)時(shi)車(che)上(shang)的(de)熱(re)源(yuan)也(ye)不(bu)穩(wen)定(ding)，因(yin)此(ci)儲(chu)氫(qing)合(he)金(jin)難(nan)以(yi)在(zai)汽(qi)車(che)上(shang)應(ying)用(yong)。

shangmiansanzhongchuqingfangfashimuqianshijiyingyongdezhuliu，tebieshigaoyachuqingfangfayingyongzuiweiguangfan。danshi，doumeiyoudadaomeiguonengyuanbudezuidichuqingyaoqiu。suoyi
，kexuejiazhengzaijijitansuoxindechuqingfangfa，liruboliweiqiuchuqing、無機物儲氫
、高壓及液氫複合技術
、儲氫合金與高壓複合技術以及地下岩洞儲氫等等。

五 儲氫新方法

無機物儲氫是有希望近期工業化的儲氫方法之一。不少離子型氫化物
，如絡合金屬氫化物NH₃BH₄、NaBH₄等加熱可分解放出氫氣
，其理論質量儲氫密度分別高達19.6%和10.7%
，引起了科學家的注意。其實

，這些可以算是較早的儲氫材料
，我國在20世界50年代就開始了這類氫化物合成和應用的研究。近年來國內外的研究更注重實用化，主要聚焦在釋放氫用催化劑、吸放氫速度控製
、氫qing化hua物wu複fu用yong等deng方fang麵mian。這zhe類lei儲chu氫qing係xi統tong用yong於yu氫qing燃ran料liao汽qi車che的de主zhu要yao問wen題ti是shi係xi統tong的de動dong態tai響xiang應ying，另ling外wai

，化hua合he物wu的de高gao昂ang價jia格ge也ye是shi大da問wen題ti。除chu上shang述shu的de氫qing化hua物wu外wai
，我wo們men常chang見jian的de氨an(NH₃)也是一種有效的氫載體，經分解和重整後可從中獲得大量氫氣。

有機物儲氫也是一種有希望儲氫方法。有機液體化合物儲氫劑主要是苯和甲苯，其原理是苯（或甲苯）與氫反應生成環乙烷（或甲基環已烷），此載體在0.1MPa、室溫下呈液體狀態，其貯存和運輸簡單易行
，通過催化脫氫反應產生氫以供使用，該貯氫技術具有儲氫量大（環乙烷和甲基環已烷的理論貯氫量分別為7.19%和6.18%）、能量密度高

、儲存設備簡單等特點，已成為一項有發展前景的儲氫技術。

有機液體氫化物作為氫載體的貯氫技術是在20世紀80年代發展起來的。美國布魯克海文國家實驗室（BNL）首先成功的將Lani₅等粉末加入到3%左右的十一烷或異辛烷中，製成了可流動的漿狀儲氫材料。近年來

，浙江大學在國家氫能973項目的支持下，係統研究了高溫型稀土-鎂基儲氫合金及其氫化物在漿液中催化液相苯加氫反應的催化活性，對合金相結構、微觀結構形貌、表麵狀態及吸放氫性能的影響及其相關機製，提出了合金表麵與有機物中碳原子發生電荷轉移的新機製。

但該體係的缺點也很突出，加氫時放熱量大、脫氫時能耗高，脫放氫時的溫度在1000℃左右，也正是氫循環時的高溫限製了它的應用。該係統能否應用的關鍵性問題是要開發低溫高效
、長壽命的脫氧催化劑。

碳質儲氫材料一直為人們所關注。碳質儲氫材料主要是高比表麵活性炭、石墨納米纖維和碳納米管。特殊加工後的高比表麵積活性炭
，在2~4MPa和超低溫（77K為液氮的溫度）下，質量儲氫密度可達5.3~7.4%，但低溫條件限製了它的廣泛應用。

納米碳材料是20世紀90年代才發展起來的儲氫材料。已報道的儲氫碳材料包括納米碳纖維
、納米碳管等高碳原子簇材料。1995年，有科學家報道納米碳纖維的吸附特性與常規活性炭的吸附特性正好相反，表明納米碳纖維有可能對小分子氫顯示超強吸附。1997年，美國人A.C.Dillon等曾報道單壁納米碳管對氫的吸附量比活性炭大的多，其吸附熱約為活性炭的5倍。最令人心動的結果是1998年，美國東北大學羅格裏德斯教授（Rodrigues）等報道的實驗結果，她們得到納米石墨纖維在12MPa下的儲氫容量高達23.33L/g納米石墨纖維的實驗結果，比現有的各種儲氫技術的儲氫容量高出1~2個數量級
，引起了世人的矚目。按照她的結果推算，按現有汽車的油箱大小的體積
，裝上納米碳儲氫，一次儲氫足夠燃料電池汽車行駛8000公裏。此外
，1999年7月2日的《科學》雜誌介紹了新加坡國立大學的科學家在碳納米管中嵌入鉀離子和鋰離子之後，在200~400℃時(shi)吸(xi)放(fang)氫(qing)的(de)數(shu)據(ju)相(xiang)當(dang)高(gao)。一(yi)時(shi)，納(na)米(mi)碳(tan)儲(chu)氫(qing)成(cheng)為(wei)炙(zhi)手(shou)可(ke)熱(re)的(de)題(ti)目(mu)
，世(shi)界(jie)上(shang)許(xu)多(duo)科(ke)學(xue)家(jia)都(dou)參(can)與(yu)研(yan)究(jiu)開(kai)發(fa)納(na)米(mi)碳(tan)儲(chu)氫(qing)。經(jing)過(guo)幾(ji)年(nian)努(nu)力(li)，發(fa)現(xian)納(na)米(mi)碳(tan)的(de)儲(chu)氫(qing)容(rong)量(liang)也(ye)就(jiu)在(zai)1%左(zuo)右(you)
，並(bing)不(bu)像(xiang)原(yuan)先(xian)期(qi)望(wang)的(de)那(na)樣(yang)高(gao)。先(xian)期(qi)的(de)數(shu)據(ju)嚴(yan)重(zhong)偏(pian)高(gao)的(de)原(yuan)因(yin)在(zai)於(yu)當(dang)時(shi)對(dui)納(na)米(mi)碳(tan)儲(chu)氫(qing)機(ji)理(li)認(ren)識(shi)不(bu)足(zu)，試(shi)驗(yan)設(she)計(ji)有(you)錯(cuo)誤(wu)。目(mu)前(qian)
，還(hai)有(you)人(ren)研(yan)究(jiu)納(na)米(mi)碳(tan)儲(chu)氫(qing)，但(dan)總(zong)的(de)看(kan)來(lai)研(yan)究(jiu)處(chu)於(yu)低(di)潮(chao)。

另外還有一些複合儲氫方法，如同時使用高壓和儲氫合金、同時使用高壓和液氫等
，希望提高儲氫容量
，改善儲氫係統特性。

六 攀登無止境

儲氫技術是氫能應用的必須克服的難關。儲氫材料吸放氫的過程就是儲氫材料與氫的可逆循環反應，涉及材料多孔界麵微區的傳熱、傳質，氫分子、qingyuanzidedongtaijifajiqinengjiqianyue，qingkuangjiaofuza，youyushouceshiyiqijingdudexianzhi，xuduoguochengjilishangbuqingchu。weiletigaochuqingcailiaodexingneng，shizhizaorishiyonghua，muqianyoubiyaozhuajinjichulilundeyanjiu，kaituoquanxindechuqingfangfa，zouxiang“柳暗花明又一村”的新境界。

在(zai)能(neng)源(yuan)過(guo)渡(du)的(de)戰(zhan)略(lve)決(jue)策(ce)中(zhong)
，隨(sui)著(zhe)現(xian)代(dai)化(hua)高(gao)新(xin)技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)，人(ren)類(lei)肯(ken)定(ding)會(hui)有(you)所(suo)創(chuang)新(xin)，有(you)所(suo)前(qian)進(jin)，最(zui)終(zhong)走(zou)出(chu)困(kun)境(jing)。新(xin)能(neng)源(yuan)在(zai)國(guo)家(jia)能(neng)源(yuan)結(jie)構(gou)中(zhong)所(suo)占(zhan)的(de)比(bi)重(zhong)將(jiang)會(hui)不(bu)斷(duan)增(zeng)加(jia)
，以(yi)氫(qing)為(wei)能(neng)源(yuan)載(zai)體(ti)
、儲氫材料為載能材料的技術突破，將進一步為可持續利用的能源資源開辟全新的道路。