文/王海龍 王維俊

隨著人類生活水平的不斷提高，對(duì)電能的需求不斷增加。增加火電的供應(yīng)量，一方面會(huì)加劇煤這種不可再生資源的枯竭，另一方面又會(huì)增加碳排放和污染環(huán)境。這與目前正在倡導(dǎo)的低碳生活和環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略大相徑庭。因此，開(kāi)發(fā)并利用新的綠色能源就越來(lái)越受到世人的關(guān)注。

氫能清潔、高效、安全，被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ哪茉础淠艿拈_(kāi)發(fā)利用對(duì)世界能源結(jié)構(gòu)的變革舉足輕重。氫能利用的一個(gè)重要方面就是燃料電池，它將氫和大氣中的氧反應(yīng)轉(zhuǎn)換為電能，其最大特點(diǎn)是反應(yīng)產(chǎn)物為純凈水，而且噪聲也很小，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染。因此燃料電池供電系統(tǒng)的研究對(duì)減少環(huán)境污染和減小溫室效應(yīng)具有重要的意義。

目前，在中小功率場(chǎng)合應(yīng)用較多的是質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）。PEMFC發(fā)電系統(tǒng)要連續(xù)并能長(zhǎng)時(shí)間工作就需要有足夠的氫氣儲(chǔ)量和穩(wěn)定的供應(yīng)環(huán)節(jié)。對(duì)于中大功率的固定PEMFC發(fā)電系統(tǒng)可以配套固定的氫氣產(chǎn)生、供應(yīng)裝置。但對(duì)于小功率可移動(dòng)的或便攜式的PEMFC發(fā)電系統(tǒng)就需要配套相應(yīng)的氫氣存儲(chǔ)和供應(yīng)裝置，其存儲(chǔ)裝置的容量和穩(wěn)定性就直接關(guān)系到整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的電能供應(yīng)量和輸出功率的穩(wěn)定性。

1.氫氣儲(chǔ)存方法

目前氫氣儲(chǔ)存技術(shù)主要有6種，物理方法包括：壓縮儲(chǔ)氫技術(shù)、深冷儲(chǔ)氫技術(shù)、碳質(zhì)吸附儲(chǔ)氫技術(shù)、玻璃微球儲(chǔ)氫技術(shù)；化學(xué)方法包括：金屬氫化物儲(chǔ)氫技術(shù)、有機(jī)化合物儲(chǔ)氫技術(shù)。本文將逐一介紹上述常用氫儲(chǔ)存技術(shù)的特點(diǎn)，并分析各種儲(chǔ)氫技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。

1.1 壓縮儲(chǔ)氫技術(shù)

壓縮儲(chǔ)氫是最常用的氫氣儲(chǔ)存方式。這種方式是將氫氣進(jìn)行高壓壓縮后以氣體形式儲(chǔ)存在氣缸里。為使得氣缸耐高壓而一般選用鋼材，儲(chǔ)氫罐的自重大，氫氣的重量百分比較小，同時(shí)還具有一定的危險(xiǎn)性。如果在小功率PEMFC發(fā)電系統(tǒng)中采用此種儲(chǔ)能方式會(huì)增加自重量，不利于便攜，故多用于中大功率場(chǎng)合。由于氫的密度很小，壓縮儲(chǔ)氫的效率隨著壓力的增大而減小，所以這種技術(shù)需要消耗的能量更多。但是總體而言在目前的技術(shù)水平條件下其經(jīng)濟(jì)性較好，目前Ballard和Daimler-Benz兩大公司已經(jīng)將壓縮氫氣罐用于他們的燃料電池車上。為進(jìn)一步拓寬這項(xiàng)儲(chǔ)氫技術(shù)使用范圍，就必須發(fā)展質(zhì)量更輕、不和氫發(fā)生反應(yīng)并且不會(huì)導(dǎo)致氫擴(kuò)散的新材料作為儲(chǔ)氫氣缸。

1.2 深冷儲(chǔ)氫技術(shù)

深冷儲(chǔ)氫技術(shù)是將氫氣液化后儲(chǔ)存在真空瓶里。氫氣先通過(guò)高壓壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，再經(jīng)過(guò)換熱器進(jìn)行冷卻，低溫高壓的氫氣最后經(jīng)過(guò)節(jié)流閥進(jìn)行膨脹和進(jìn)一步地冷卻，生成液態(tài)氫，儲(chǔ)存于液化罐中。這個(gè)過(guò)程消耗的能量較大，有大約30%的能量消耗在液化過(guò)程中。

圖1 儲(chǔ)氫供應(yīng)裝置在PEMFC發(fā)電系統(tǒng)中關(guān)系框圖

該方式的優(yōu)點(diǎn)是氫的體積能量很高，體積較小，但氫氣的液化成本很高，存儲(chǔ)器難以絕熱，使得液氫的氣化率高，小的儲(chǔ)存罐中甚至可以達(dá)到每天2%～3%，因而應(yīng)用范圍受到了很大的限制。這種方法在航天領(lǐng)域應(yīng)用較廣。但對(duì)PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的熱管理子系統(tǒng)要求較高，因此應(yīng)用較少。

1.3 碳質(zhì)吸附儲(chǔ)氫技術(shù)

碳質(zhì)吸附儲(chǔ)氫技術(shù)是根據(jù)吸附理論將氫氣吸附在碳質(zhì)上。常用的碳質(zhì)主要包括活性碳、碳納米管和碳納米纖維等具有高比表面積的材料。碳質(zhì)吸附儲(chǔ)氫的優(yōu)點(diǎn)是儲(chǔ)存效率高、儲(chǔ)存容器自重輕、解吸快、安全可靠、可重復(fù)使用和壓力適中等，但儲(chǔ)氫介質(zhì)成本很高。盡管如此，碳質(zhì)吸附儲(chǔ)氫技術(shù)有望成為未來(lái)燃料電池系統(tǒng)中儲(chǔ)氫的有效方法。

1.4 玻璃微球儲(chǔ)氫技術(shù)

玻璃微球儲(chǔ)氫技術(shù)是利用空心玻璃微球在較高溫度(300℃～400℃)下具有多孔性的特點(diǎn)，在高壓條件下將加熱至200℃～300℃的氫氣擴(kuò)散進(jìn)入空心玻璃球內(nèi)，然后等壓冷卻使氫有效地儲(chǔ)存于空心微球中。這種儲(chǔ)氫技術(shù)具有很好的重復(fù)利用性。雖然玻璃微球成本較低，但是制備高強(qiáng)度的空心微球并非易事。在使用時(shí)需要選擇最佳的加熱方式，才可將氫氣最大限量地釋放出來(lái)。燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的熱管理本來(lái)就是一個(gè)難題，加熱300℃～400℃的高溫會(huì)嚴(yán)重影響燃料電池堆的反應(yīng)性能。故目前應(yīng)用較少。

1.5 金屬氫化物儲(chǔ)氫技術(shù)

這項(xiàng)儲(chǔ)氫技術(shù)是使氫原子進(jìn)入金屬價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，形成金屬氫化物。金屬氫化物在低壓下具有較高的儲(chǔ)氫能力，但由于金屬密度很大，導(dǎo)致氫的質(zhì)量百分比很小，只有2%～7%。用作金屬氫化物的金屬或金屬化合物的熱性能都要比較穩(wěn)定，能夠進(jìn)行頻繁地充放循環(huán)，并且不易被二氧化碳、二氧化硫、水蒸氣腐蝕。金屬氫化物儲(chǔ)氫的優(yōu)勢(shì)是氫氣的容積率較高、易于反復(fù)充放、使用也比較安全，但質(zhì)量效率較低、成本非常高、具有氫不可逆損傷、釋放氫氣時(shí)需要加熱等弱點(diǎn)。不適于大規(guī)模儲(chǔ)存和運(yùn)輸。除非開(kāi)發(fā)出更輕、更便宜的金屬材料，這種儲(chǔ)氫方式將很難成為燃料電池車的主要儲(chǔ)存方式。

1.6 有機(jī)化合物儲(chǔ)氫技術(shù)

這種新型儲(chǔ)氫技術(shù)是利用可循環(huán)液體化學(xué)氫載體儲(chǔ)氫。其優(yōu)點(diǎn)是儲(chǔ)氫密度高、安全和儲(chǔ)運(yùn)方便，缺點(diǎn)是儲(chǔ)氫及釋氫均涉及化學(xué)反應(yīng)，需要具備一定條件并消耗一定能量，另外產(chǎn)生的氫因含有雜質(zhì)氣體常常還需要凈化。因此不像壓縮儲(chǔ)氫技術(shù)那樣簡(jiǎn)便易行。因此，該技術(shù)的商業(yè)化大規(guī)模使用還有很遠(yuǎn)的距離。

2.PEMFC發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)氫方式選擇條件

中小功率或可便攜的PEMFC發(fā)電系統(tǒng)一般包括電池堆、水管理裝置、熱管理裝置、輸出電力調(diào)節(jié)裝置、燃料供應(yīng)（儲(chǔ)存）裝置和綜合控制系統(tǒng)幾部分。其中最核心的就是燃料電池堆，其反應(yīng)特性決定了整個(gè)系統(tǒng)的工作性能，因此各個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選擇都必須滿足電池堆的反應(yīng)條件。圖1給出了儲(chǔ)氫供應(yīng)系統(tǒng)在PEMFC系統(tǒng)中與其它子系統(tǒng)的關(guān)系。PEM電池堆的最佳工作溫度一般在60℃～80℃。燃料（氫氣和氧氣）的供應(yīng)速度、濕度、壓力以及純度會(huì)直接影響電堆的反應(yīng)速度，氫氣的儲(chǔ)存量直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的工作時(shí)間和輸出功率。因此在選擇PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的氫氣儲(chǔ)存方式時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮一下幾個(gè)方面：（1）氫氣的儲(chǔ)存量應(yīng)該盡可能大，以保證PEMFC發(fā)電系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間（或滿負(fù)荷）工作；（2）氫氣的純度應(yīng)該盡量高，以免造成電池堆化學(xué)反應(yīng)中毒，降低電堆的工作性能；（3）氫氣的壓力、速度、濕度要易于檢測(cè)和控制；（4）具有較高的安全性；（5）儲(chǔ)存器的體積和重量要盡可能小，便于移動(dòng)和提高發(fā)電系統(tǒng)的功率密度；（6）釋放氫氣的條件如加熱等不能影響電池堆的反應(yīng)特性；（7）經(jīng)濟(jì)成本低，易于批量生產(chǎn)和推廣。

3.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析，可以看到目前的幾種儲(chǔ)存氫氣技術(shù)都存在自身的優(yōu)缺點(diǎn)。由于材料和技術(shù)的限制，大部分儲(chǔ)氫技術(shù)的實(shí)用化還有較長(zhǎng)的路要走。壓縮儲(chǔ)氫的效率高、經(jīng)濟(jì)性較好，但重量大；液化儲(chǔ)氫能量高，但成本昂貴；金屬氫化物儲(chǔ)氫體積密度最高，但質(zhì)量比較大，成本也高；碳質(zhì)吸附儲(chǔ)氫有一定的優(yōu)越性，但還處于初期的發(fā)展階段。因此，目前還沒(méi)有一種技術(shù)在輕便性、氫氣質(zhì)量、工作溫度、可逆循環(huán)性和安全性等方面同時(shí)滿足PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的要求。比較而言，目前采用壓縮儲(chǔ)氫的方式相對(duì)可行，盡管重量較大，儲(chǔ)氫量也不是最大，但在車載PEMFC發(fā)電系統(tǒng)中可以通過(guò)裝氫氣重整裝置來(lái)彌補(bǔ)。

氫的儲(chǔ)存技術(shù)是制約PEMFC發(fā)展和廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵性技術(shù)之一，如何有效地儲(chǔ)氫并在使用時(shí)能夠方便地釋氫，將是該項(xiàng)技術(shù)研究的焦點(diǎn)。