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氢存储：哪条道路通“罗马”？ |
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| http://cn.newmaker.com
4/26/2007 10:31:00 AM
佳工机电网
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未来控制温室气体排放的重要措施就是使用氢或者天然气作为替代能源。美国正以前所未有的速度加快对氢能的研发。“氢存储”是氢能应用面临的一大挑战。美国能源部网站对氢存储技术作了详细解读。据介绍，目前氢存储还面临众多挑战，而其实现方法正在不断增多。
储氢技术的难题
汽车燃油通常所能支持的行驶路程要大于300公里。氢存储所面临的技术挑战是，在受到汽车重量、体积、效能、安全和成本的限制时，如何存储这么大量的氢能。关键的挑战包括重量和容量、效能、持久性、补给时间、成本、标准、生命周期分析等方面。
首先，现在储氢系统的重量和体积都太大，车载储氢系统达到5~13公斤才能保证行驶路程大于300公里。需要研制出新型材料和零件，保证紧凑、质轻的储氢系统，同时要大大降低材料、零件和制造方法的成本。
其次，对于所有的储氢方法来说，能量的效用都是一个挑战。在压缩和液化技术中必须考虑伴随着压缩和液化过程损耗的能量。目前储氢系统的持久性不够，材料和零件要能确保使用1500个周期，而补给燃料的时间要限定在3分钟之内。
第三，目前缺乏对储氢系统完全生命周期和效能的分析。并且，标准问题也有待解决。目前缺少标准化的硬件、操作过程及应用指标和标准，不利于储氢技术的发展和商业化开发。
气态和液态存储
目前，车载储氢途径包括压缩氢气、储存液氢、金属氢化物存储、碳材料物质/大面积吸附剂和化学氢储备。前几种方式都构成可逆的车载储氢系统，因为在车上可以再生或者再次填充氢，而化学氢储备则不行。
高压存储可以提高气态氢的能量密度。高压压缩氢气存储罐的内胆是一层高分子重量聚合物（high molecular weight polymer），可以阻止氢气泄漏。内胆之上是一个环氧碳纤维树脂合成物外壳，它们构成了罐的承压成分。最后，储氢罐之外还有一层外壳，用于防止撞击和损坏。小于10000磅/平方英寸罐的气压调整器放置在罐内，同时罐内还有温度传感器监测温度，因为填充气体时往往会升温。
通过增加氢气的量和压力，汽车可以获得更大的行驶里程，但代价是更多的成本和占用更大的空间。因此，体积容量、高压和成本就是压缩氢气存储罐的关键挑战。现在有两种方法增加储氢的重量和容量，第一个是低温压缩法。因为在固定的压力和体积条件下，温度降低，容积增大。因此，只要把罐的温度从室温降低到氮液化的温度(-196℃)，容积理论上将增大4倍。第二种方法是研制结构适合的罐，以最大化地利用空间。现在的液化汽油灌设计就最大化地利用了车上空间。同时，研究人员也正在研究高压低温混合存储的方法。
另外一种增加氢密度的方式是储存液态氢。但是，液态氢罐的问题在于氢的汽化损耗、氢液化的能量要求。氢液化要消耗的能量非常多，一般是氢热值的30%。但同压缩气体罐相比，液态氢罐可以存储更多的氢，大约每升0.070 公斤，而10000 磅/平方英寸气罐每升只有0.030 公斤。
碳材料、大面积吸附剂和新材料
该类型的存储技术包括一系列的碳材料，如碳纳米管、气凝胶、纳米光纤和金属有机结构等。如果可以精确到纳米尺寸，就可以增强储氢能力。
有人发表文章称，单壁碳纳米管的重力容量在室温下可以达到每单位3%～10%，因此研究人员尝试用它作储碳材料研究。然而，重复这些结果却有困难，因此也存在争议。美国国家可再生能源实验室（NREL）最近的研究结果表明，室温下，当在纯单壁碳纳米管中没有观测到氢存储时，在金属掺杂的碳纳米管中测量到每单位约3%。
新型可逆材料是研究人员迫切想发现和发展的材料。一个可能很有前途的新领域是多孔金属有机结构的大表面氢吸附剂。据报道，通过吸附机制，这种材料在-195℃时的储氢能力高达每单位4%，室温下接近每单位1%。然而，由于这些材料的多孔性质，容量又成了问题。
其他的新材料还包括：基笼形物（clathrates）、导电聚合物等。声化学等新过程也能帮助创造独立的纳米结构，使得储氢能力增强。
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