在未來(lái)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(lái)越重要的地位。作為儲(chǔ)能領(lǐng)域的重要技術(shù)之一，儲(chǔ)氫是氫能應(yīng)用必須攻克的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。專(zhuān)家預(yù)言，儲(chǔ)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(dòng)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(qiáng)有力的支持。

    氫能利用關(guān)鍵在儲(chǔ)氫

    2006年11月13日，國(guó)際氫能界的主要科學(xué)家向八國(guó)集團(tuán)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(jì)初葉人類(lèi)正面臨氣候變化和傳統(tǒng)石化能源日益緊張的兩大危機(jī)，解決上述危機(jī)的方案中，氫能利用最優(yōu)。但氫能的應(yīng)用必須攻克儲(chǔ)氫這一關(guān)。

    清華大學(xué)教授、國(guó)內(nèi)著名氫能專(zhuān)家毛宗強(qiáng)認(rèn)為，石化時(shí)代之后，氫只能來(lái)自于水，而離解水的一次能源則非可再生能源莫屬。太陽(yáng)能發(fā)電、電解水制氫將是未來(lái)最可靠的氫氣來(lái)源，但是由于儲(chǔ)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(dòng)態(tài)激發(fā)及其能級(jí)遷躍等，情況較為復(fù)雜。

    以氫燃料汽車(chē)為例，一輛5人座氫燃料電池驅(qū)動(dòng)的轎車(chē)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(chǔ)氫密度必須達(dá)到6７~80千克/立方米。美國(guó)能源署曾提出單位質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度達(dá)6.5%、單位體積儲(chǔ)氫密度達(dá)62千克/立方米的最低儲(chǔ)氫要求。但目前常用的儲(chǔ)氫方法幾乎沒(méi)有一種儲(chǔ)氫系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足美國(guó)能源署這一最低要求。

    因此，儲(chǔ)氫技術(shù)是氫能應(yīng)用的關(guān)鍵。一旦儲(chǔ)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(chē)、新型燃料電池等領(lǐng)域?qū)⒋笥凶鳛椤?/p>

    儲(chǔ)氫材料與技術(shù)正在探索

    毛宗強(qiáng)介紹，高壓儲(chǔ)氫是目前最廣泛的儲(chǔ)氫方式，它的優(yōu)點(diǎn)很明顯，能在瞬間提供足夠的氫氣保證氫燃料汽車(chē)高速行駛，也能在瞬間關(guān)閉閥門(mén)，停止供氣。高壓儲(chǔ)氫一般要用到氣體高壓儲(chǔ)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(shù)脂的高強(qiáng)度碳纖維。

    金屬儲(chǔ)氫的原理則是化學(xué)儲(chǔ)氫。毛宗強(qiáng)表示，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下，能夠大量“吸收”氫氣，反應(yīng)生成金屬氫化物，同時(shí)放出熱量。其后，將這些金屬氫化物加熱，他們又會(huì)分解，將儲(chǔ)存在其中的氫釋放出來(lái)。這些會(huì)“吸收”氫氣的金屬，稱(chēng)為儲(chǔ)氫合金。常用的儲(chǔ)氫合金有稀土系、鈦系、鋯系、鎂系四大系列。

    “由于金屬儲(chǔ)氫需要高溫工作狀態(tài)等因素制約，目前金屬儲(chǔ)氫還停留在實(shí)驗(yàn)室階段。”毛宗強(qiáng)介紹說(shuō)，金屬儲(chǔ)氫技術(shù)一旦成熟，勢(shì)必會(huì)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(jī)物儲(chǔ)氫也是一種有希望的儲(chǔ)氫方法。據(jù)毛宗強(qiáng)介紹，有機(jī)液體化合物儲(chǔ)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(yùn)輸簡(jiǎn)單易行，通過(guò)催化脫氫反應(yīng)產(chǎn)生氫以供使用。該貯氫技術(shù)具有儲(chǔ)氫量大、能量密度高、儲(chǔ)存設(shè)備簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，已成為一項(xiàng)有發(fā)展前景的儲(chǔ)氫技術(shù)。

    另外，碳質(zhì)儲(chǔ)氫材料也一直為人們所關(guān)注。碳質(zhì)儲(chǔ)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(guò)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?jī)?chǔ)氫密度可達(dá)5.3%~7.4%。目前已報(bào)道的儲(chǔ)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(chǔ)氫方法，例如玻璃微球儲(chǔ)氫、高壓及液氫復(fù)合技術(shù)、儲(chǔ)氫合金與高壓復(fù)合技術(shù)以及地下巖洞儲(chǔ)氫等。

    在眾多儲(chǔ)氫方法中，有望近期工業(yè)化的儲(chǔ)氫方法之一是無(wú)機(jī)物儲(chǔ)氫。毛宗強(qiáng)介紹說(shuō)，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?jī)?chǔ)氫密度分別高達(dá)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(wèn)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(kāi)發(fā)熱點(diǎn)。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(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化將引發(fā)石化行業(yè)原料來(lái)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(chǎng)關(guān)于“甲醇經(jīng)濟(jì)”的廣泛探討。諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主、著名有機(jī)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(duì)油氣時(shí)代過(guò)后能源緊缺問(wèn)題的一條途徑。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者卡羅·盧比亞也多次公開(kāi)建議采用二氧化碳制甲醇的方式取代現(xiàn)在風(fēng)行的碳捕捉和封存，實(shí)現(xiàn)減排的同時(shí)為工業(yè)提供原料。而氫氣制備過(guò)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(jiàn)的氨氣也是一種有效的氫載體。毛宗強(qiáng)說(shuō)，氨氣經(jīng)分解和重整后可獲得大量氫氣，未來(lái)有望成為一種重要的儲(chǔ)氫方式。一旦這種儲(chǔ)氫技術(shù)開(kāi)發(fā)成功，將改變氫氣的制備過(guò)程，并能大大降低成本。屆時(shí)，二氧化碳制甲醇路線將具備更大的優(yōu)勢(shì)。