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高压气态储氢
高压气态储氢,是一种物理储氢方法,也是目前最常用并且发展比较成熟的储氢技术。其储存方式是采用高压将氢气压缩到一个耐高压的容器里。目前所使用的容器是钢瓶,它的优点是结构简单、压缩氢气制备能耗低、充装和排放速度快。但是也存在体积储氢密度低、安全性能较差等缺点。目前钢瓶所能达到最高的体积比容量仅有25g/L,远低于美国能源部(DOE)的目标体积储氢容量70g/L。为了保证安全性,现在国际上主要采用碳纤维钢瓶,但是碳纤维材料价格非常昂贵,只可以作为过渡阶段使用,并非是理想的长期储氢选择。
储氢钢瓶解剖示意图
低温液态储氢
液态氢的密度是气体氢的845倍,液态氢的体积能量密度也比压缩状态下的气体氢高出数倍。如果氢气能以液态形式存在,那储运起来将极其简单安全,且体积占比小。但事实上,要把气态的氢变成液态的并不容易,液化1kg的氢气需要耗电4-10 kWh,液氢的存储也需要耐超低温和保持超低温的特殊容器。因此低温液态储氢是一种不太经济的储氢方法,仅适用于不太计较成本问题且短时间内需迅速耗氢的航天航空领域。
固体材料储氢
固体材料储氢主要是利用氢气与储氢材料之间发生物理或者化学变化从而转化为固溶体或者氢化物的形式来进行氢气储存。储氢材料种类非常多,主要可分为物理吸附储氢和化学氢化物储氢。其中物理吸附储氢又可分为金属有机框架(MOFs)和纳米结构碳材料,化学氢化物储氢又可分为金属氢化物(包括简单金属氢化物和复杂金属氢化物),非金属氢化物(包括硼氢化物和有机氢化物)。
不同储氢材料特点(来源:华创证券)
储氢材料最大的优势是储氢体积密度大,相同质量的氢气用储氢材料储存占用空间最少,并且具有操作容易、运输方便、成本低、安全等优点,恰好克服了高压气态储氢和低温液态储氢的缺点,成为最具发展潜力的一种储氢方式。但是目前各种材料基本都处于研究阶段,仍然存在很多技术问题等待解决。
有机液体储氢
有机液体储氢技术是通过不饱和液体有机物的可逆加氢和脱氢反应来实现储氢。理论上,烯烃、炔烃以及某些不饱和芳香烃与其相应氢化物如苯-环己烷、甲基苯-甲基环己烷等,可在不破坏碳环主体结构下进行加氢和脱氢,并且反应可逆。
有机液体储氢具有诸多优点:储氢密度高;可用现有管道设备进行储存和运输,安全方便,并且可以长距离运输(环己烷和甲基环己烷等在常温常压下呈液态,与汽油类似);催化加氢和脱氢反应可逆,储氢介质可循环使用;可长期储存,一定程度上能解决能源短缺问题。
有机液体储氢也存在很多不足:技术操作条件较为苛刻,要求催化加氢和脱氢的装置配置较高,导致费用较高;脱氢反应需在低压高温非均相条件下,受传热传质和反应平衡极限的限制,脱氢反应效率较低,且容易发生副反应,使得释放的氢气不纯,而且在高温条件下容易破坏脱氢催化剂的孔结构,导致结焦失活。
3利用
近年来,日本在氢燃料电池车领域的技术突破,使大家越来越关注氢能技术,尤其是其在交通领域的应用。氢燃料电池车相比传统汽车,具有无污染,无噪声,无传动部件的优势,相比电动车,具有续航里程长,充电时间段,起动快(8秒钟即可达全负荷)的优势。除了在交通领域的应用,氢能源还可用于大中规模的储能和发电,可作为工业能源、化工原料等,用途非常广泛。
氢能源是一种非常有前景的清洁能源,但仍有许多技术问题有待解决。尤其在我国,相比于电动电池车全球领先的发展态势,氢燃料电池技术却鲜有突破。在接下来的氢能专题系列中,我所将继续研究氢燃料电池与电动电池的对比以及主要国家氢能发展现状,敬请期待!
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