氫能體系主要包括氫的生產(chǎn)、儲存和運(yùn)輸、應(yīng)用三個環(huán)節(jié)。而氫能的儲存是關(guān)鍵，也是目前氫能應(yīng)用的主要技術(shù)障礙。大家知道，所有元素中氫的重量最輕，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，它的密度為0.0899g/L，為水的密度的萬分之一。在-252.7℃時，可以為液體，密度70g/L，僅為水的十五分之一。所以氫氣可以儲存，但是很難高密度的儲存。
液氫和液化天然氣在大的儲罐中儲存時都存在熱分層問題。即儲罐底部液體承受來自上部的壓力而使沸點(diǎn)略高于上部，上部液氫由于少量揮發(fā)而始終保持極低溫度。靜置后，液體下“熱”上“冷”的兩層。上層因冷而密度大，蒸氣壓較低；反之底層因熱而密度小，蒸氣壓較高。顯然這是一個不穩(wěn)定狀態(tài)，稍有擾動，上下兩層就會翻動，如果略熱而蒸汽壓較高的底層翻到上部，就會發(fā)生液氫爆沸，產(chǎn)生大體積氫氣，使儲罐爆破。為防止事故的發(fā)生，大的儲罐都備有緩慢的攪拌裝置以阻止熱分層。如果在液氫中加入膠凝劑，進(jìn)一步降溫就會生成液氫和固體氫的混合物（即膠氫），含有50%固體氫的膠氫的溫度為13.8K，密度為81.5kg/m3。我國已經(jīng)可以自行生產(chǎn)液氫，并成功的用于航天航空事業(yè)。
液氫方式儲運(yùn)的最大優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量儲氫密度高（按目前的技術(shù)可以大于5%），存在的問題是液氫蒸發(fā)損失和成本問題。
一 固體氫儲存
研究發(fā)現(xiàn)，某些金屬具有很強(qiáng)的捕捉氫的能力，在一定的溫度和壓力條件下，這些金屬能夠大量“吸收”氫氣，反應(yīng)生成金屬氫化物，同時放出熱量。其后，將這些金屬氫化物加熱，它們又會分解，將儲存在其中的氫釋放出來。這些會“吸收”氫氣的金屬，成為儲氫合金。常用的儲氫合金有：稀土系（AB5型）、鈦系（AB型）、鋯系（AB2型）、鎂系（A2B型）四大系列。自20世紀(jì)70年代起，儲氫合金就受到重視。為改善合金的儲氫性能和降低成本，科技工作者們合金成分、制備工藝等方面進(jìn)行不懈的探索。
儲氫合金的優(yōu)點(diǎn)是有較大的儲氫容量，單位體積儲氫密度是相同溫度、壓力條件下氣態(tài)氫的1000倍，也即相當(dāng)于儲存了1000個大氣壓的高壓氫氣，其單位體積儲氫密度可高達(dá)40~50kg/m3。儲氫合金安全性也很好，即使遇槍擊也不爆炸。
該方法的缺點(diǎn)是質(zhì)量儲氫密度低，多數(shù)儲氫金屬的質(zhì)量密度僅為1.5~3%，在車上使用會增加很大的負(fù)載。另外，儲氫合金易粉化。儲氫時金屬氫化物的體積膨脹，而解離釋氫過程又會發(fā)生體積收縮。經(jīng)多次循環(huán)后，儲氫金屬便破碎粉化，氫化和釋氫變得越來越困難。例如具有優(yōu)良儲氫和釋氫性能的LaNi5，經(jīng)10次循環(huán)后，其粒度由20目降至400目。如此細(xì)微的粉末，在釋氫是就可能混雜在氫氣中堵塞管路和閥門。儲氫合金的低溫特性不好，要是儲氫合金釋放氫，必須向合金供應(yīng)熱量，AB5型合金需加熱溫度最低，為40~50℃，而鎂基合金則需加熱到300℃左右。實(shí)際應(yīng)用中還裝設(shè)熱交換設(shè)備，進(jìn)一步增加了儲氫裝置的體積和重量。同時車上的熱源也不穩(wěn)定，因此儲氫合金難以在汽車上應(yīng)用。
二 儲氫新方法
無機(jī)物儲氫是有希望近期工業(yè)化的儲氫方法之一。不少離子型氫化物，如絡(luò)合金屬氫化物NH3BH4、NaBH4等加熱可分解放出氫氣，其理論質(zhì)量儲氫密度分別高達(dá)19.6%和10.7%，引起了科學(xué)家的注意。其實(shí)，這些可以算是較早的儲氫材料，我國在20世紀(jì)50年代就開始了這類氫化物合成和應(yīng)用的研究。近年來國內(nèi)外的研究更注重實(shí)用化，主要聚焦在釋放氫用催化劑、吸放氫速度控制、氫化物復(fù)用等方面。這類儲氫系統(tǒng)用于氫燃料汽車的主要問題是系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，另外，化合物的高昂價格也是大問題。除上述的氫化物外，我們常見的氨(NH3)也是一種有效的氫載體，經(jīng)分解和重整后可從中獲得大量氫氣。
有機(jī)物儲氫也是一種有希望儲氫方法。有機(jī)液體化合物儲氫劑主要是苯和甲苯，其原理是苯（或甲苯）與氫反應(yīng)生成環(huán)乙烷（或甲基環(huán)已烷），此載體在0.1MPa、室溫下呈液體狀態(tài)，其貯存和運(yùn)輸簡單易行，通過催化脫氫反應(yīng)產(chǎn)生氫以供使用，該貯氫技術(shù)具有儲氫量大（環(huán)乙烷和甲基環(huán)已烷的理論貯氫量分別為7.19%和6.18%）、能量密度高、儲存設(shè)備簡單等特點(diǎn)，已成為一項(xiàng)有發(fā)展前景的儲氫技術(shù)。
有機(jī)液體氫化物作為氫載體的貯氫技術(shù)是在20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的。美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室（BNL）首先成功的將Lani5等粉末加入到3%左右的十一烷或異辛烷中，制成了可流動的漿狀儲氫材料。近年來，浙江大學(xué)在國家氫能973項(xiàng)目的支持下，系統(tǒng)研究了高溫型稀土-鎂基儲氫合金及其氫化物在漿液中催化液相苯加氫反應(yīng)的催化活性，對合金相結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)形貌、表面狀態(tài)及吸放氫性能的影響及其相關(guān)機(jī)制，提出了合金表面與有機(jī)物中碳原子發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移的新機(jī)制。
但該體系的缺點(diǎn)也很突出，加氫時放熱量大、脫氫時能耗高，脫放氫時的溫度在1000℃左右，也正是氫循環(huán)時的高溫限制了它的應(yīng)用。該系統(tǒng)能否應(yīng)用的關(guān)鍵性問題是要開發(fā)低溫高效、長壽命的脫氧催化劑。
碳質(zhì)儲氫材料一直為人們所關(guān)注。碳質(zhì)儲氫材料主要是高比表面活性炭、石墨納米纖維和碳納米管。特殊加工后的高比表面積活性炭，在2~4MPa和超低溫（77K為液氮的溫度）下，質(zhì)量儲氫密度可達(dá)5.3~7.4%，但低溫條件限制了它的廣泛應(yīng)用。
納米碳材料是20世紀(jì)90年代才發(fā)展起來的儲氫材料。已報道的儲氫碳材料包括納米碳纖維、納米碳管等高碳原子簇材料。1995年，有科學(xué)家報道納米碳纖維的吸附特性與常規(guī)活性炭的吸附特性正好相反，表明納米碳纖維有可能對小分子氫顯示超強(qiáng)吸附。1997年，美國人A.C.Dillon等曾報道單壁納米碳管對氫的吸附量比活性炭大的多，其吸附熱約為活性炭的5倍。最令人心動的結(jié)果是1998年，美國東北大學(xué)羅格里德斯教授（Rodrigues）等報道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，她們得到納米石墨纖維在12MPa下的儲氫容量高達(dá)23.33L/g納米石墨纖維的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，比現(xiàn)有的各種儲氫技術(shù)的儲氫容量高出1~2個數(shù)量級，引起了世人的矚目。按照她的結(jié)果推算，按現(xiàn)有汽車的油箱大小的體積，裝上納米碳儲氫，一次儲氫足夠燃料電池汽車行駛8000公里。此外，1999年7月2日的《科學(xué)》雜志介紹了新加坡國立大學(xué)的科學(xué)家在碳納米管中嵌入鉀離子和鋰離子之后，在200~400℃時吸放氫的數(shù)據(jù)相當(dāng)高。一時，納米碳儲氫成為炙手可熱的題目，世界上許多科學(xué)家都參與研究開發(fā)納米碳儲氫。經(jīng)過幾年努力，發(fā)現(xiàn)納米碳的儲氫容量也就在1%左右，并不像原先期望的那樣高。先期的數(shù)據(jù)嚴(yán)重偏高的原因在于當(dāng)時對納米碳儲氫機(jī)理認(rèn)識不足，試驗(yàn)設(shè)計有錯誤。目前，還有人研究納米碳儲氫，但總的看來研究處于低潮。
另外還有一些復(fù)合儲氫方法，如同時使用高壓和儲氫合金、同時使用高壓和液氫等，希望提高儲氫容量，改善儲氫系統(tǒng)特性。
三 攀登無止境
儲氫技術(shù)是氫能應(yīng)用的必須克服的難關(guān)。儲氫材料吸放氫的過程就是儲氫材料與氫的可逆循環(huán)反應(yīng)，涉及材料多孔界面微區(qū)的傳熱、傳質(zhì)，氫分子、氫原子的動態(tài)激發(fā)及其能級遷躍，情況較復(fù)雜，由于受測試儀器精度的限制，許多過程機(jī)理尚不清楚。為了提高儲氫材料的性能，使之早日實(shí)用化，目前有必要抓緊基礎(chǔ)理論的研究，開拓全新的儲氫方法，走向“柳暗花明又一村”的新境界。
在能源過渡的戰(zhàn)略決策中，隨著現(xiàn)代化高新技術(shù)的發(fā)展，人類肯定會有所創(chuàng)新，有所前進(jìn)，最終走出困境。新能源在國家能源結(jié)構(gòu)中所占的比重將會不斷增加，以氫為能源載體、儲氫材料為載能材料的技術(shù)突破，將進(jìn)一步為可持續(xù)利用的能源資源開辟全新的道路。
（轉(zhuǎn)載自：中國氫能源網(wǎng)，來源：《太陽能》）
