氢储存与运输技术优化方案

储氢成为实现大规模利用氢能的道路上必须解决的关键技术问题之一。储氢技术一般基于化学反应,如通过氢化物的生成与分解储氢,或者基于物理吸附,目前大量的储氢研究是基于物理吸附的储氢方法。

氢可以以高压气态、液态、金属氢化物、有机氢化物和吸氢材料强化压缩等形式储存。衡量一种氢气储运技术好坏的依据有储氢成本、储氢密度和安全性等几个方面。

1.加压压缩储氢技术

加压压缩储氢是最常见的一种储氢技术,通常采用体积大、质量重的钢瓶作为容器,由于氢密度小,所以其储氢效率很低,加压到15MPa时,质量储氢密度不大于3%。对于移动用途而言,加大氢压来提高携氢量将有可能导致氢分子从容器壁逸出或者产生氢脆现象。为了解决上述问题,加压压缩储氢技术近年来的研究进展主要体现在改进容器材料和研究吸氢物质两个方面。

首先是对容器材料的改进,目标是使容器耐压更高,自身质量更轻,以减少氢分子透过容器壁,避免产生氢脆现象等。过去十多年来,在储氢容器研究方面,已经取得了重要进展,储氢压力和储氢效率不断得到提高,目前容器耐压与质量储氢密度分别可以达到70MPa和7%～8%。所采用的储氢容器通常以锻压铝合金为内胆,外面包覆浸有树脂的碳纤维。这类容器具有自身质量轻、抗压强度高和不产生氢脆等优点。

美国通用汽车公司首先开发出用于燃料电池、耐压达70MPa的双层结构储氢罐。其内层由无接缝内罐和碳复合材料组成,外层是可吸收冲击的坚固壳体,体积与以往耐压为35MPa的储氢罐相同,可以储存3.1kg的压缩氢。美国加利福尼亚州Irvine的Impco技术公司也研制出耐压达69MPa的超轻型Trishield储氢罐,质量储氢密度可以达到7.5%。加拿大的Dynetek公司也开发并商业化了耐压达70MPa、铝合金内胆和树脂碳纤维增强外包层的高压储氢容器,被广泛地应用于与氢能源有关的行业。美国福特公司也报道过类似的压缩储氢瓶,其成本比液氢储罐成本约低20%,但由于最大耐压为20MPa,所以储氢密度偏低。

德国基尔HDW造船厂研制的新型储氢罐内装有特种合金栅栏,气态氢被高度压缩进栅栏内,其储氢量要比其他容器大得多,另外这种储氢罐所用材料抗压性能好、可靠性高,理论使用寿命可以达到25年,是一种既安全又经济的压缩储氢工具。

研究进展的第二个方面是在容器中加入某些吸氢物质,大幅度地提高压缩储氢的储氢密度,甚至使其达到“准液化”的程度,当压力降低时,氢可以自动地释放出来。这项技术对于实现大规模、低成本、安全储氢具有重要的意义。

经过对储氢容器材质的改进及辅助储氢物质的添加,可以更好地发挥压缩储氢技术的优点。该技术凭借简单易行的特点,有望成为最普遍的氢能储运技术。(www.xing528.com)

2.液化储氢技术

液化储氢技术是将纯氢冷却到20K,使之液化后,装到“低温储罐”中储存。为了避免或减少蒸发损失,储罐做成真空绝热的双层壁不锈钢容器,两层壁之间除保持真空外,还放置薄铝箔,以防止辐射。该技术具有储氢密度高的优点,对于移动用途的燃料电池而言,具有十分诱人的应用前景。然而,由于氢的液化十分困难,导致液化成本较高；其次是对容器绝热要求高,使得液氢低温储罐体积约为液氢的2倍,因此目前只有少数汽车公司推出的燃料电池汽车样车上采用该储氢技术。在实际应用中,液化储氢需要一个或多个冷却循环装置,导致成本偏高。墨西哥的SS-Soluciones公司发明了一种能循环冷却的装置,内部是特殊冷却材料CRM,其最大特性是热焓变化大,该液化储氢系统有望很快应用到燃料电池车的供氢装置中。

总的来说,液化储氢技术是一种高效的储氢技术,优点非常明显。存在的问题主要是液化成本太高,目前制取1L液氢的能耗为11～12kW·h。2004年德国的Linde公司宣称可以使液氢制备价格与欧洲的石油价格相当,但这还未成为公认的事实。如果能够有效地降低氢的液化成本,液化储氢技术也将是一种非常有前景的储氢技术。

3.金属氢化物储氢技术

可逆金属氢化物储氢的最大优势在于高体积储氢密度和高安全性,这是由于氢在金属氢化物中以原子形态储存的缘故。但该技术存在两个突出的问题：①由于金属氢化物自身质量大而导致其质量储氢密度偏低；②金属氢化物储氢成本偏高。目前金属氢化物储氢主要用于小型储氢场合,如二次电池、小型燃料电池等。

主要使用的储氢合金可以分为四类：①稀土镧镍,储氢密度大；②钛铁合金,储氢量大、价格低,可以在常温、常压下释放氢；③镁系合金,是吸氢量最大的储氢合金,但吸氢速率慢、放氢温度高；④钒、铌、锆等多元素系合金,由稀有金属构成。只适用于某些特殊场合。在将储氢合金用做规模储氢方面,很多公司正在做尝试性工作。

4.有机化合物储氢技术

20世纪70年代,有学者提出利用可循环液体化学氢载体储氢的构想,研究人员开始尝试这种新型储氢技术,其优点是储氢密度高、安全和储运方便；缺点是储氢及释氢均涉及化学反应,需要具备一定的条件,并消耗一定的能量,因此不像压缩储氢技术那样简便易行。