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儲氫技術:將敲開氫經濟大門
欄目:公司新聞 發布時間:2019-04-11
在未來的能源結構中,以氫能為代表的一批新能源將占據越來越重要的地位。作為儲能領域的重要技術之一,儲氫是氫能應用必須攻克的關鍵節點。專家預言,儲氫技術一旦成熟,不僅將改變目前的能源結構,還將帶動一批新材料產業的崛起。

       在未來的能源結構中,以氫能為代表的一批新能源將占據越來越重要的地位。作為儲能領域的重要技術之一,儲氫是氫能應用必須攻克的關鍵節點。專家預言,儲氫技術一旦成熟,不僅將改變目前的能源結構,還將帶動一批新材料產業的崛起,并為二氧化碳制備甲醇等新型合成路線提供強有力的支持。
    氫能利用關鍵在儲氫
    2006年11月13日,國際氫能界的主要科學家向八國集團領導人提交了氫能《百年備忘錄》。在備忘錄中,科學家們指出,21世紀初葉人類正面臨氣候變化和傳統石化能源日益緊張的兩大危機,解決上述危機的方案中,氫能利用最優。但氫能的應用必須攻克儲氫這一關。
    清華大學教授、國內著名氫能專家毛宗強認為,石化時代之后,氫只能來自于水,而離解水的一次能源則非可再生能源莫屬。太陽能發電、電解水制氫將是未來最可靠的氫氣來源,但是由于儲氫涉及材料多孔界面微區的傳熱、傳質,以及氫分子、氫原子的動態激發及其能級遷躍等,情況較為復雜。
    以氫燃料汽車為例,一輛5人座氫燃料電池驅動的轎車行駛500千米約需4千克氫氣,油箱的體積是50~60升,因此體積儲氫密度必須達到67~80千克/立方米。美國能源署曾提出單位質量儲氫密度達6.5%、單位體積儲氫密度達62千克/立方米的最低儲氫要求。但目前常用的儲氫方法幾乎沒有一種儲氫系統能夠滿足美國能源署這一最低要求。
    因此,儲氫技術是氫能應用的關鍵。一旦儲氫技術成熟,制約氫能應用的桎梏將被打破,氫能在新能源汽車、新型燃料電池等領域將大有作為。
    儲氫材料與技術正在探索
    毛宗強介紹,高壓儲氫是目前最廣泛的儲氫方式,它的優點很明顯,能在瞬間提供足夠的氫氣保證氫燃料汽車高速行駛,也能在瞬間關閉閥門,停止供氣。高壓儲氫一般要用到氣體高壓儲氫容器,這種容器使用新型輕質復合材料制成,氫氣瓶的內胎為鋁合金,外繞浸樹脂的高強度碳纖維。
    金屬儲氫的原理則是化學儲氫。毛宗強表示,某些金屬具有很強的捕捉氫的能力,在一定的溫度和壓力下,能夠大量“吸收”氫氣,反應生成金屬氫化物,同時放出熱量。其后,將這些金屬氫化物加熱,他們又會分解,將儲存在其中的氫釋放出來。這些會“吸收”氫氣的金屬,稱為儲氫合金。常用的儲氫合金有稀土系、鈦系、鋯系、鎂系四大系列。
    “由于金屬儲氫需要高溫工作狀態等因素制約,目前金屬儲氫還停留在實驗室階段。”毛宗強介紹說,金屬儲氫技術一旦成熟,勢必會催生稀土系、鈦系、鋯系和鎂系等一系列合金材料的需求。
    有機物儲氫也是一種有希望的儲氫方法。據毛宗強介紹,有機液體化合物儲氫劑主要是苯和甲苯,其原理是利用苯或甲苯與氫反應生成環乙烷或甲基環己烷。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、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。
    另外,碳質儲氫材料也一直為人們所關注。碳質儲氫材料主要是高比表面活性炭、石墨納米纖維和碳納米管。經過特殊加工后的高比表面積活性炭,在2~4MPa和超低溫下,質量儲氫密度可達5.3%~7.4%。目前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。
    除了這些傳統的方法,目前科學家正在積極探索新的儲氫方法,例如玻璃微球儲氫、高壓及液氫復合技術、儲氫合金與高壓復合技術以及地下巖洞儲氫等。
    在眾多儲氫方法中,有望近期工業化的儲氫方法之一是無機物儲氫。毛宗強介紹說,不少離子型氫化物,如絡合金屬氫化物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%。目前的研究主要集中在釋放氫用催化劑、吸放氫速度控制、氫化物重復利用等方面,這些技術一旦成熟,工業化不成問題。
    為二氧化碳加氫制甲醇鋪路
    隨著傳統石化資源的日益枯竭和全球二氧化碳減排力度的日益加大,一批能使二氧化碳變廢為寶的綠色合成路線將成為開發熱點。二氧化碳加氫制甲醇就是這樣一種新路線。二氧化碳制甲醇如果實現產業化將引發石化行業原料來源的變革。據了解,二氧化碳制甲醇曾經一度在全球引發一場關于“甲醇經濟”的廣泛探討。諾貝爾化學獎得主、著名有機化學家喬治A·奧拉曾提出,以可再生能源制氫,再利用二氧化碳加氫合成甲醇的循環模式可作為應對油氣時代過后能源緊缺問題的一條途徑。諾貝爾物理學獎獲得者卡羅·盧比亞也多次公開建議采用二氧化碳制甲醇的方式取代現在風行的碳捕捉和封存,實現減排的同時為工業提供原料。而氫氣制備過程和成本控制是目前二氧化碳制甲醇技術商業化應用的關鍵。
    我們常見的氨氣也是一種有效的氫載體。毛宗強說,氨氣經分解和重整后可獲得大量氫氣,未來有望成為一種重要的儲氫方式。一旦這種儲氫技術開發成功,將改變氫氣的制備過程,并能大大降低成本。屆時,二氧化碳制甲醇路線將具備更大的優勢。

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