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储氢技术:将敲开氢经济大门

在未来的能源结构中,以氢能为代表的一批新能源将占据越来越重要的地位。作为储能领域的重要技术之一,储氢是氢能应用必须攻克的关键节点。专家预言,储氢技术一旦成熟,不仅将改变目前的能源结构,还将带动一批新材料产业的崛起,并为二氧化碳制备甲醇等新型合成路线提供强有力的支持。

    氢能利用关键在储氢

    2006年11月13日,国际氢能界的主要科学家向八国集团领导人提交了氢能《百年备忘录》。在备忘录中,科学家们指出,21世纪初叶人类正面临气候变化和传统石化能源日益紧张的两大危机,解决上述危机的方案中,氢能利用最优。但氢能的应用必须攻克储氢这一关。

    清华大学教授、国内著名氢能专家毛宗强认为,石化时代之后,氢只能来自于水,而离解水的一次能源则非可再生能源莫属。太阳能发电、电解水制氢将是未来最可靠的氢气来源,但是由于储氢涉及材料多孔界面微区的传热、传质,以及氢分子、氢原子的动态激发及其能级迁跃等,情况较为复杂。

    以氢燃料汽车为例,一辆5人座氢燃料电池驱动的轿车行驶500千米约需4千克氢气,油箱的体积是50~60升,因此体积储氢密度必须达到67~80千克/立方米。美国能源署曾提出单位质量储氢密度达6.5%、单位体积储氢密度达62千克/立方米的最低储氢要求。但目前常用的储氢方法几乎没有一种储氢系统能够满足美国能源署这一最低要求。

    因此,储氢技术是氢能应用的关键。一旦储氢技术成熟,制约氢能应用的桎梏将被打破,氢能在新能源汽车、新型燃料电池等领域将大有作为。

    储氢材料与技术正在探索

    毛宗强介绍,高压储氢是目前最广泛的储氢方式,它的优点很明显,能在瞬间提供足够的氢气保证氢燃料汽车高速行驶,也能在瞬间关闭阀门,停止供气。高压储氢一般要用到气体高压储氢容器,这种容器使用新型轻质复合材料制成,氢气瓶的内胎为铝合金,外绕浸树脂的高强度碳纤维。

    金属储氢的原理则是化学储氢。毛宗强表示,某些金属具有很强的捕捉氢的能力,在一定的温度和压力下,能够大量“吸收”氢气,反应生成金属氢化物,同时放出热量。其后,将这些金属氢化物加热,他们又会分解,将储存在其中的氢释放出来。这些会“吸收”氢气的金属,称为储氢合金。常用的储氢合金有稀土系、钛系、锆系、镁系四大系列。

    “由于金属储氢需要高温工作状态等因素制约,目前金属储氢还停留在实验室阶段。”毛宗强介绍说,金属储氢技术一旦成熟,势必会催生稀土系、钛系、锆系和镁系等一系列合金材料的需求。

    有机物储氢也是一种有希望的储氢方法。据毛宗强介绍,有机液体化合物储氢剂主要是苯和甲苯,其原理是利用苯或甲苯与氢反应生成环乙烷或甲基环己烷。此载体在0.1MPa、室温下呈液体状态,其贮存和运输简单易行,通过催化脱氢反应产生氢以供使用。该贮氢技术具有储氢量大、能量密度高、储存设备简单等特点,已成为一项有发展前景的储氢技术。

    另外,碳质储氢材料也一直为人们所关注。碳质储氢材料主要是高比表面活性炭、石墨纳米纤维和碳纳米管。经过特殊加工后的高比表面积活性炭,在2~4MPa和超低温下,质量储氢密度可达5.3%~7.4%。目前已报道的储氢碳材料包括纳米碳纤维、纳米碳管等高碳原子簇材料。

    除了这些传统的方法,目前科学家正在积极探索新的储氢方法,例如玻璃微球储氢、高压及液氢复合技术、储氢合金与高压复合技术以及地下岩洞储氢等。

    在众多储氢方法中,有望近期工业化的储氢方法之一是无机物储氢。毛宗强介绍说,不少离子型氢化物,如络合金属氢化物加热可分解放出氢气,其理论质量储氢密度分别高达19.6%和10.7%。目前的研究主要集中在释放氢用催化剂、吸放氢速度控制、氢化物重复利用等方面,这些技术一旦成熟,工业化不成问题。

    为二氧化碳加氢制甲醇铺路

    随着传统石化资源的日益枯竭和全球二氧化碳减排力度的日益加大,一批能使二氧化碳变废为宝的绿色合成路线将成为开发热点。二氧化碳加氢制甲醇就是这样一种新路线。二氧化碳制甲醇如果实现产业化将引发石化行业原料来源的变革。据了解,二氧化碳制甲醇曾经一度在全球引发一场关于“甲醇经济”的广泛探讨。诺贝尔化学奖得主、著名有机化学家乔治A·奥拉曾提出,以可再生能源制氢,再利用二氧化碳加氢合成甲醇的循环模式可作为应对油气时代过后能源紧缺问题的一条途径。诺贝尔物理学奖获得者卡罗·卢比亚也多次公开建议采用二氧化碳制甲醇的方式取代现在风行的碳捕捉和封存,实现减排的同时为工业提供原料。而氢气制备过程和成本控制是目前二氧化碳制甲醇技术商业化应用的关键。

    我们常见的氨气也是一种有效的氢载体。毛宗强说,氨气经分解和重整后可获得大量氢气,未来有望成为一种重要的储氢方式。一旦这种储氢技术开发成功,将改变氢气的制备过程,并能大大降低成本。届时,二氧化碳制甲醇路线将具备更大的优势。