淺談不同儲(chǔ)氫方式的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)

胡永康

摘 要 本文綜述了高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫和固態(tài)材料儲(chǔ)氫等三種儲(chǔ)氫方式的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)未來(lái)儲(chǔ)氫材料的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞 儲(chǔ)氫材料 儲(chǔ)氫方式 儲(chǔ)氫材料發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ116.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0前言

氫氣作為清潔能源已在電子、冶金、食品加工、化工、航空航天等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，其儲(chǔ)存方式成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。氫單質(zhì)有三種存在形式，在零下262癈下為固態(tài)，當(dāng)溫度在零上為氣態(tài)，當(dāng)溫度與壓強(qiáng)處于三相點(diǎn)和臨界點(diǎn)之間的小區(qū)域?yàn)橐簯B(tài)。根據(jù)氫的三種不同狀態(tài)，可將儲(chǔ)氫方式分為高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫和固態(tài)材料儲(chǔ)氫三類(lèi)。下面對(duì)三種儲(chǔ)氫方式進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

1高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫

由氣體狀態(tài)方程可知，當(dāng)氣體物質(zhì)的量不變時(shí)，升高壓強(qiáng)會(huì)減小氣體體積，從而提高氣體的密度。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫具有簡(jiǎn)單易行、成本低、相對(duì)成熟、充放氣速度快和使用溫度低等優(yōu)點(diǎn)，是一種較為成熟的儲(chǔ)氫方式。但是它儲(chǔ)量小、耗能大，需要耐壓容器壁，存在氫氣泄露與容器爆破等不安全因素。故尋找輕質(zhì)、耐高壓的儲(chǔ)氫罐成為了高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫的關(guān)鍵。

2低溫液態(tài)儲(chǔ)氫

與高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫相比，低溫液態(tài)儲(chǔ)氫具有體積密度高和儲(chǔ)氫量大等優(yōu)點(diǎn)。在常溫常壓下，液態(tài)氫的密度是氣態(tài)的845倍，故其儲(chǔ)氫量大幅度提高。就質(zhì)量與體積而言，液態(tài)儲(chǔ)氫是一種理想的儲(chǔ)氫方式。但是液態(tài)儲(chǔ)氫有兩個(gè)損耗環(huán)節(jié)：液化氫氣與儲(chǔ)存氫氣。液化氫氣需要消耗較大的冷卻能量且損耗的能量約為儲(chǔ)存氫氣熱值的一半，從而提高了儲(chǔ)氫與放氫的成本。另外，液態(tài)儲(chǔ)氫需要儲(chǔ)存容器能耐低溫且具有良好的絕熱性能，以避免氫氣的揮發(fā)。故降低液化與放氫的成本、研制耐低溫且高度絕熱的容器是低溫液態(tài)儲(chǔ)氫的待解決問(wèn)題。

3固態(tài)材料儲(chǔ)氫

固態(tài)儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫是通過(guò)物理吸附作用或化學(xué)反應(yīng)將氫氣儲(chǔ)存于固態(tài)材料中。與高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫相比，固態(tài)材料儲(chǔ)氫具有體積儲(chǔ)氫密度高、不需要高壓容器和隔熱容器、安全性好、無(wú)爆炸危險(xiǎn)、可獲得高純度氫、操作方便等特點(diǎn)。根據(jù)儲(chǔ)氫的原理，固態(tài)材料儲(chǔ)氫可分為物理吸附儲(chǔ)氫和化學(xué)吸附儲(chǔ)氫。

3.1物理吸附儲(chǔ)氫

物理吸附儲(chǔ)氫主要是利用多孔材料與氫單質(zhì)通過(guò)范德華力相互作用而儲(chǔ)存氫氣。在吸附過(guò)程中，氫以分子形式存在，一般不會(huì)解離成氫原子。而且，氫與材料以范德華力結(jié)合，這種結(jié)合力比較弱，僅在較低溫度下儲(chǔ)氫效果才明顯。另外，這種材料儲(chǔ)氫時(shí)，氫分子一般會(huì)吸附在多孔材料的孔道的表面。因此，材料的比表面積越大，其儲(chǔ)氫量也越大。目前根據(jù)物理吸附作用而研制的材料有碳基材料、沸石分子篩、金屬有機(jī)框架材料以及高分子聚合物等多孔材料。物理吸附儲(chǔ)氫方式的缺點(diǎn)很明顯，在常溫常壓下儲(chǔ)氫材料與氫分子之間的范德華力很弱，致使氫氣很容易逃離儲(chǔ)氫材料而造成儲(chǔ)氫量降低。

3.2化學(xué)吸附儲(chǔ)氫

化學(xué)吸附儲(chǔ)氫的原理是氫原子與儲(chǔ)氫材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成穩(wěn)定氫化物來(lái)實(shí)現(xiàn)氫氣的存儲(chǔ)?；瘜W(xué)氫化物可以分為金屬氫化物、輕質(zhì)金屬配位氫化物以及有機(jī)儲(chǔ)氫等幾種。與之前提到的幾種儲(chǔ)氫方式相比，化學(xué)吸附儲(chǔ)氫具有質(zhì)量密度和體積密度高等優(yōu)點(diǎn)，是目前最有希望的儲(chǔ)氫方式。但是化學(xué)儲(chǔ)氫存在吸氫溫度高、動(dòng)力學(xué)差、可逆性差等缺點(diǎn)。

4未來(lái)儲(chǔ)氫方式的發(fā)展趨勢(shì)

綜上所述，高壓儲(chǔ)氫對(duì)儲(chǔ)存容器壁要求較高且具有危險(xiǎn)性，低溫液態(tài)儲(chǔ)氫的成本較高，物理吸附儲(chǔ)氫不牢固，無(wú)疑化學(xué)吸附儲(chǔ)氫成為了未來(lái)最具有前景的儲(chǔ)氫方式。在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，科研工作者的研究重心無(wú)疑會(huì)放在化學(xué)儲(chǔ)氫的吸氫溫度、動(dòng)力學(xué)與可逆性等問(wèn)題上。

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