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儲氫技術(shù):將敲開氫經(jīng)濟大門

   2011-10-13 中國化工報中國化工報

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    在未來的能源結(jié)構(gòu)中,以氫能為代表的一批新能源將占據(jù)越來越重要的地位。作為儲能領(lǐng)域的重要技術(shù)之一,儲氫是氫能應(yīng)用必須攻克的關(guān)鍵節(jié)點。專家預(yù)言,儲氫技術(shù)一旦成熟,不僅將改變目前的能源結(jié)構(gòu),還將帶動一批新材料產(chǎn)業(yè)的崛起,并為二氧化碳制備甲醇等新型合成路線提供強有力的支持。

    氫能利用關(guān)鍵在儲氫

    2006年11月13日,國際氫能界的主要科學(xué)家向八國集團領(lǐng)導(dǎo)人提交了氫能《百年備忘錄》。在備忘錄中,科學(xué)家們指出,21世紀初葉人類正面臨氣候變化和傳統(tǒng)石化能源日益緊張的兩大危機,解決上述危機的方案中,氫能利用最優(yōu)。但氫能的應(yīng)用必須攻克儲氫這一關(guān)。

    清華大學(xué)教授、國內(nèi)著名氫能專家毛宗強認為,石化時代之后,氫只能來自于水,而離解水的一次能源則非可再生能源莫屬。太陽能發(fā)電、電解水制氫將是未來最可靠的氫氣來源,但是由于儲氫涉及材料多孔界面微區(qū)的傳熱、傳質(zhì),以及氫分子、氫原子的動態(tài)激發(fā)及其能級遷躍等,情況較為復(fù)雜。

    以氫燃料汽車為例,一輛5人座氫燃料電池驅(qū)動的轎車行駛500千米約需4千克氫氣,油箱的體積是50~60升,因此體積儲氫密度必須達到67~80千克/立方米。美國能源署曾提出單位質(zhì)量儲氫密度達6.5%、單位體積儲氫密度達62千克/立方米的最低儲氫要求。但目前常用的儲氫方法幾乎沒有一種儲氫系統(tǒng)能夠滿足美國能源署這一最低要求。

    因此,儲氫技術(shù)是氫能應(yīng)用的關(guān)鍵。一旦儲氫技術(shù)成熟,制約氫能應(yīng)用的桎梏將被打破,氫能在新能源汽車、新型燃料電池等領(lǐng)域?qū)⒋笥凶鳛椤?/p>

    儲氫材料與技術(shù)正在探索

    毛宗強介紹,高壓儲氫是目前最廣泛的儲氫方式,它的優(yōu)點很明顯,能在瞬間提供足夠的氫氣保證氫燃料汽車高速行駛,也能在瞬間關(guān)閉閥門,停止供氣。高壓儲氫一般要用到氣體高壓儲氫容器,這種容器使用新型輕質(zhì)復(fù)合材料制成,氫氣瓶的內(nèi)胎為鋁合金,外繞浸樹脂的高強度碳纖維。

    金屬儲氫的原理則是化學(xué)儲氫。毛宗強表示,某些金屬具有很強的捕捉氫的能力,在一定的溫度和壓力下,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,他們又會分解,將儲存在其中的氫釋放出來。這些會“吸收”氫氣的金屬,稱為儲氫合金。常用的儲氫合金有稀土系、鈦系、鋯系、鎂系四大系列。

    “由于金屬儲氫需要高溫工作狀態(tài)等因素制約,目前金屬儲氫還停留在實驗室階段。”毛宗強介紹說,金屬儲氫技術(shù)一旦成熟,勢必會催生稀土系、鈦系、鋯系和鎂系等一系列合金材料的需求。

    有機物儲氫也是一種有希望的儲氫方法。據(jù)毛宗強介紹,有機液體化合物儲氫劑主要是苯和甲苯,其原理是利用苯或甲苯與氫反應(yīng)生成環(huán)乙烷或甲基環(huán)己烷。此載體在0.1MPa、室溫下呈液體狀態(tài),其貯存和運輸簡單易行,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、能量密度高、儲存設(shè)備簡單等特點,已成為一項有發(fā)展前景的儲氫技術(shù)。

    另外,碳質(zhì)儲氫材料也一直為人們所關(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。經(jīng)過特殊加工后的高比表面積活性炭,在2~4MPa和超低溫下,質(zhì)量儲氫密度可達5.3%~7.4%。目前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。

    除了這些傳統(tǒng)的方法,目前科學(xué)家正在積極探索新的儲氫方法,例如玻璃微球儲氫、高壓及液氫復(fù)合技術(shù)、儲氫合金與高壓復(fù)合技術(shù)以及地下巖洞儲氫等。

    在眾多儲氫方法中,有望近期工業(yè)化的儲氫方法之一是無機物儲氫。毛宗強介紹說,不少離子型氫化物,如絡(luò)合金屬氫化物加熱可分解放出氫氣,其理論質(zhì)量儲氫密度分別高達19.6%和10.7%。目前的研究主要集中在釋放氫用催化劑、吸放氫速度控制、氫化物重復(fù)利用等方面,這些技術(shù)一旦成熟,工業(yè)化不成問題。

    為二氧化碳加氫制甲醇鋪路

    隨著傳統(tǒng)石化資源的日益枯竭和全球二氧化碳減排力度的日益加大,一批能使二氧化碳變廢為寶的綠色合成路線將成為開發(fā)熱點。二氧化碳加氫制甲醇就是這樣一種新路線。二氧化碳制甲醇如果實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化將引發(fā)石化行業(yè)原料來源的變革。據(jù)了解,二氧化碳制甲醇曾經(jīng)一度在全球引發(fā)一場關(guān)于“甲醇經(jīng)濟”的廣泛探討。諾貝爾化學(xué)獎得主、著名有機化學(xué)家喬治A·奧拉曾提出,以可再生能源制氫,再利用二氧化碳加氫合成甲醇的循環(huán)模式可作為應(yīng)對油氣時代過后能源緊缺問題的一條途徑。諾貝爾物理學(xué)獎獲得者卡羅·盧比亞也多次公開建議采用二氧化碳制甲醇的方式取代現(xiàn)在風行的碳捕捉和封存,實現(xiàn)減排的同時為工業(yè)提供原料。而氫氣制備過程和成本控制是目前二氧化碳制甲醇技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。

    我們常見的氨氣也是一種有效的氫載體。毛宗強說,氨氣經(jīng)分解和重整后可獲得大量氫氣,未來有望成為一種重要的儲氫方式。一旦這種儲氫技術(shù)開發(fā)成功,將改變氫氣的制備過程,并能大大降低成本。屆時,二氧化碳制甲醇路線將具備更大的優(yōu)勢。

 

 
 
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