氢是一种热值很高的燃料。燃烧1千克氢可放出62. 8千焦的热量,1千克氢可以代替3千克煤油。氢氧结合的燃烧产物是最干净的物质——水,没有任何污染。未来最有前途的燃料电池也主要是以氢为能源。不过,氢能利用目前还面临两大困难:一是制氢方法,二是储氢方法。

传统储氢方法有两种,一种方法是利用高压钢瓶(氢气瓶)来储存氢气,但钢瓶储存氢气的容积小,瓶里的氢气即使加压到150个大气压,所装氢气的质量也不到氢气瓶质量的1%,而且还有爆炸的危险;另一种方法是储存液态氢,将气态氢降温到-253℃变为液体进行储存,但液体储存箱非常庞大,需要极好的绝热装置来隔热,才能防止液态氢不会沸腾汽化。近年来,一种新型简便的储氢方法应运而生,即利用储氢合金(金属氢化物)来储存氢气。

氢作为能源储存和运输的一种载体,通常有3种储存方法:大容量压力罐储存、液化氢储存和吸附储存。

压缩气体储存系统

设在加油站的储存系统

车辆储存系统

压缩天然气储存

我们谈到的压缩天然气储存是指比正常压力要大的天然气储存。压缩天然气储存罐根据应用类型——即压力,有不同的结构,大多数固定储气罐的压力水平比较低,因为这类储存罐比较便宜。对机动型储存罐如机动车辆的要求则不同,因为没有足够的空间来存放大容量储存罐。

为了储运,储存罐的压力可加到700 bar,以便在狭小的空间里尽可能多的储存氢。压力罐通常用钢制成,因此非常重。现代压力罐用复合材料(碳纤维复合材料内加上很薄的铝制衬垫)制成,很轻。

在未来的能源经济中,如果需要储存大量的氢,可以将氢压入地下洞穴储存,地下洞穴的压力在50 bar以下。法国,美国已经采用了这个方法,德国的天然气也储存在类似的洞穴里。将来,这些洞穴有可能用来储存氢。

液化氢储存

宝马车后部的液化氢储存

车辆燃料自动补给机器人

在储存氢之前将其液化,从体积上讲氢有最高的能源储存密度。氢在摄氏-250℃可以液化。超低温液化气储存罐被称为Cryo-tanks,现今已能够高质量的生产。储存罐里液化氢持续加温所导致的蒸发损耗能够控制在最低限度。液化氢储存(方式)特别适用于车辆,因为液化氢罐的空间位置要求在底部(下方)。

在燃料站,只有当顾客确认要求加液化氢时,才能使用液化储存站。从其他应用方面来讲,无论如何应当尽可能避免将大量能源液化。

吸附储存——氢化金属储存

便携式氢化金属储存

除了压缩天然气和液化气储存方法之外,还有其他储存氢的方法如氢化金属储存。这种储存技术使用某种合金来储存氢,这种合金像一块吸饱了水的海绵那样来储存氢,氢被这种金属吸收因而构成氢化金属。如果氢化金属被充填了氢,它会发热,为了回收氢,必须供热。

说到储存量,氢化金属有很高的储存能力。不幸的是这种储存方式太笨重,因而不能用于机动物体。此外由于材料费用太高,氢化金属储存方式太昂贵了。

但在安全处理方面,使用氢化金属罐有很多优势。几乎所有的氢化金属都可以在正常压力下工作,不会有损耗并能提供清洁的氢。氢通过加热来释放,万一氢化金属罐受到损坏,氢仍维持不变。今天潜艇里的这种储能方式正在进行商业上的推广运用。

碳纳米管

充满氢的碳纳米管

有一天,碳纳米材料将会引起氢储存技术的一场革命。几年前,人们就发现大量的氢能够被储存在极微小的石墨结构的成型管中。与此同时,世界各地的许多研究组正在做储存技术的研究工作,到目前为止,对碳纳米管储氢能力的研究报告差别很大。不过,已有几个研究组证实:原则上这种储存方法有效,并拥有很大的潜力。我们期待科学与技术的进步最终会带给人类更先进的氢储存方法。