氢气的储存技术及发展.docVIP

浅谈氢气的储存技术及发展 2氢气储运 世界上有1／3的能源用于驱动各类运输工具，运输工具的能源耗费巨大，同时造成的污染也相当严重。近年来各国纷纷研究新型车用能源，希望能够有新的能源代替现有的燃料架构，其中最有希望进入工业化推广的就是用于汽车动力的燃料电池、混合动力、氢气燃料等。其中燃料电池和氢气燃料动力装置，都必须考虑车载用氢的储存技术，为了将氢能直接运用于车载系统，各种方法应运而生，应用于车载储氢系统的方法已经大大超出人们的预期，相关的技术走在了研发的前沿。从氢物化特性来说，氢的储存方法主要有5种：常压储氢、高压储氢、液态储氢、吸附储氢、金属氢化物储氢等。而车载用氢储存方法也主要分为：高压氢气储存、液态氢储存、金属贮氢、活性炭吸附贮氢和碳纳米材料贮氢等几种。 2．1氢气储运基本方式 2．1．1高压氢气储存 用氢气压缩机把氢气压缩灌入到车上携带的压力容器中，是目前最简单和最常用的车载用氢储存方法。世界已有的燃料电池大客车示范项目中，采用这种车载储氢方法的就占了大多数。耐高压的储氢压力容器及材料是这种方法的关键。 2．1．2液态氢储存 戴姆勒——克莱斯勒公司研制开发的NECAR3型和NECAR4型以及通用公司研制开发的“氢动一号”燃料电池电动汽车均采用液氢为燃料。理论上，在各种储氢方式中，无论是从体积密度还是从重量密度的角度看，只有氢气以液态储存才能达到最高的储存密度。尽管液氢具有很大的体积转换比，储氢密度高，但是，制备液氢需要消耗大量电能，在储氢过程中还存在热漏损、自然挥发，因此能耗较高，同时还存在对容器密封性要求更高，因此大规模实现液氢的工业化应用还具有相当高的难度。 2．1．3金属氢化物储氢 该方法首先使氢与金属形成金属氢化物，加热后，金属氢化物分解脱氢而得氢气。氢的化学性质十分活跃，元素周期表中的多数金属都能与氢反应，形成金属氢化物，并且反应比较简单，只要控制一定的温度和压力，金属和氢一接触，就会发生反应，反应为可逆反应，反应进行的方向由氢气的压力和温度决定。如果氢气的压力在平衡压力以上，则反应向形成金属氢化物的方向进行，反之，若低于平衡氢压，则发生金属氢化物的分解。为了提高反应速度，一般可将金属粉碎，以便增大接触面积。由于金属的种类不同，其反应条件也随之而异。技术原理上称得上“贮氢合金”的材料应具有像海绵吸水那样能可逆地吸放大量氢气的特性。其特征是一种吸氢金属或与氢有很强亲和力的金属和另一种吸氢量小或根本不吸氢的元素共同组成，形成吸氢平台，贮氢合金与氢接触，首先形成含氢固融体，其溶解度与固体平衡压的平方成正比，其后，在一定温度和压力条件下，固融相继续与氢反应，最终形成金属氢化物。根据Gibbs相律，如果温度一定，上述反应将在一定压力下进行。这样的反应为可逆反应，正向反应吸氢，为放热反应；逆向反应释放氢，为吸热反应。这就是金属氢化物贮氢技术具有高贮氢体积密度和特有的安全性的原因所在。 2.1.4 活性炭吸附储氢 活性炭低温吸附具有相当好的储氢能力，在-196℃，4.2MPa时，活性炭的储氢量约为总重的5%，但是考虑到-196℃的低温，4.2Mpa的压力，兼有高压容器法和液氢的弱点，运用在车上也不是可行的方法 2.1.5 碳纳米材料储氢 纳米碳管被认为是一种非常具有潜力的高容量的储氢材料，分子结构如上图。在一个大气压和室温下，锂和钾化学掺杂的纳米碳管的吸氢能力分别提高到20wt%和14wt%，他们远远超过了6.5wt%的储氢技术指标，近年来，清华大学、中科院金属所、防化研究院及西北和技术研究所等单位开始对新型储氢技术——纳米碳管的储氢技术进行了多项研究，其中清华大学、中科院金属所、防化研究院都在室温下得到了储氢比重为8%左右的纳米碳材料。但是纳米碳管的价格昂贵，目前还未解决其规模制备的方法，加上纳米碳管放氢难，放氢容量低，放氢速率低，实际应用困难，所以其技术的发展难于预测，至少在较短的时间内不可能实际应用。 2.2高压存储以及金属贮氢的特点 从目前比较成熟的技术来看，高压存储以及金属贮氢的方法实用性相对较高，这里我们就分别介绍一下两种方法的特点。 2.2.1高压储氢 高压储氢，主要采用高压气瓶储存。气瓶生产方法有冲拔拉伸法（E式）、管子收口法（M式）、冲压拉伸法（C式），国内无缝钢管大多采用冲拔拉伸法的生产工艺。使用的气瓶材料从初期的碳钢瓶，到后来的锰钢瓶、络钼瓶，不锈钢瓶，再到现今比较复杂的各种特种合金瓶、复合瓶，而我国的无缝气瓶多数使用锰钢瓶，还有部分是络钼瓶，不锈钢瓶。随着材料、新工艺的不断研发，气瓶的充装压力也不断提高。如美国、日本正在试制充装压力可高达700bar的钢瓶，专门用于氢动力汽车。 但气瓶仍然存在以下问题: 容量小。中国大量使用的是以普通钢材制成的压力容器，储氢压力为15Mpa时，氢的自重量仅