1.5　氢气的储存

能源技术最突出的问题之一是储能技术问题。新能源中，太阳能、风能、潮汐能的供给往往是间歇的，能量的供给与需求往往在时间上不一致。为解决这一矛盾，必须在供能高峰时把多余的能量储存起来。在这里，储氢与储能等效。可见，氢的储存是一个至关重要的技术，储氢问题是制约氢经济的瓶颈之一，储氢问题不解决，氢能的应用则难以推广。

氢是气体，它的输送和储存比固体煤、液体石油更困难。氢能工业对储氢的要求总的来说是储氢系统要安全、容量大、成本低、使用方便。具体因氢能的终端用户不同又有很大的差别。氢能的用户终端可分为两类，一是民用和工业用氢，二是交通工具用氢。前者强调大容量，后者强调大的储氢密度。根据用途的不同，人们研究开发了各种各样的储氢方法，试图满足储氢要求。储氢方法多种多样，根据储氢过程发生的反应可分为物理储氢和化学储氢。根据氢存在形态的不同，归结来说可以分为三类：气态储存、液化储存和固态储存。氢如果以气态储存，需用大量的钢瓶，体积庞大，高压氢气钢瓶储氢的重量也只有钢瓶重量的1%，作为储能手段并不实用。如采用液态储氢，则需要-253℃的低温，不易做到，即使能采用该法，也必须使用保温材料，体积庞大，能耗也相当大。目前，人们关注的是金属氢化物作储氢材料，所用金属有钛、稀土金属、镁和镧铈合金等，相当于钢瓶1/3重量的储氢材料可以吸尽钢瓶中的氢气。纳米碳管作为储氢材料的研究也取得了一定的进展。

1.5.1　气态储存

常温、常压下，氢气的密度只有0.08988g/L。体积能量密度非常低，如储存4kg气态氢需要45m³的容积。为了提高压力容器的储氢密度，往往通过提高压力来缩小储氢罐的容积。因此，氢气通常加压、减小体积，以气体形式储存于特定容器中，一般常为钢制耐压气瓶。根据压力大小的不同，气态储存又可分为低压储存和高压储存。

气态高压储存是最普通和最直接的储存方式，通过减压阀的调节就可以直接将氢气释放出来。采用这种高压储存方法具有压力容器容易制造、制备压缩氢的技术简单、成本较低等优点，但缺点也很突出。首先，高压储氢能耗高，需要消耗别的能量形式来压缩氢气；其次，高压对钢制材料强度要求高，钢瓶壁厚，容器笨重，材料浪费大，造价较高，同时加大运输难度，如果通过加大氢气压力来提高携氢量将有可能导致氢分子从容器壁逸出或产生氢脆现象；最后，高压储氢的单位质量储氢密度，也就是储氢单元内所有储氢质量与整个储氢单元的质量（含容器、储存介质材料、阀及氢气等）之比依然很低。我国使用的容积为40L的钢瓶，在15MPa高压下也只能容纳大约0.5kg氢气，还不到高压钢瓶重量的1%，储氢量小，运输成本太高，而且高压储氢还存在不安全的问题。

高压储氢对容器材料要求高，压力容器材料的好坏决定了压力容器储氢密度的高低。储氢容器先后经历了从钢制、金属内衬纤维缠绕到新材料的发展过程，目前，国际上正积极开发压力更高的轻质储氢压力容器。如通用汽车氢能-3燃料电池汽车的车载氢源采用的是碳纤维增强的复合材料制作的超高压容器［氢气压缩至700bar（1bar=10⁵Pa，余同）］，这种电动汽车在700bar下携带3.1kg的氢，可使汽车运行270km。但值得注意的是：尽管压力和质量储氢密度提高了很多，但体积储氢密度并没有明显增加。

1.5.2　液化储存

液化储存，顾名思义就是将氢气冷却到液化温度以下，以液体形式储存。在一个大气压（即101325Pa）下，氢气冷冻至-253℃以下，氢为液态，此时液氢的密度是气态氢的865倍，因此，低温液态储氢技术相对于高压气态储氢技术具有更大的吸引力。若仅从质量和体积上考虑，液化储存是一种极为理想的储氢方式。液化储氢方式的最大优点是质量储氢密度高，按目前的技术可以大于5%。但使用液化储氢方式，液氢罐需采用双层壁真空绝热结构，并采用安全保护装置和自动控制装置保证减振和抗冲击。这就增大了储氢系统的复杂程度和总体质量，限制了氢气质量分数的提高。

液氢存在生产成本高昂的问题。理论上，氢液化所消耗的能量为28.9kJ/mol，实际过程消耗的能量大约是理论值的2.5倍，可以达到氢气能量的30%～50%。另外，液氢还存在严重的泄漏问题。液氢沸点仅为20.38K。气化潜热小，仅为0.91kJ/mol，因此液氢的温度与外界的温度存在巨大的传热温差，稍有热量从外界渗入容器，即可快速沸腾而致损失。即使用真空绝热储槽，液氢也难长时间储存。目前，液氢的损失率达每天1%～2%，而汽油通常每月只损失1%，所以，液氢不适合用于间歇使用的场合，如汽车。但是，对一些特殊用途，例如宇航的运载火箭等，采用冷液化储氢是有利的。

1.5.3　固态储存

固态储存是利用固体对氢气的物理吸附或化学反应等作用，将氢储存于固体材料中。固态储存一般可以做到安全、高效、高密度，是气态储存和液化储存之后，最有前途的研究发现。固态储存需要用到储氢材料，寻找和研制高性能的储氢材料，成为固态储氢的当务之急，也是未来储氢发展，乃至整个氢能利用的关键。

储氢材料是一类对氢具有良好的吸附性能或可以与氢发生可逆反应，实现氢的储存和释放的材料。储氢材料有很多，它包括储氢合金、碳质储氢材料、无机化合物储氢材料、有机储氢材料等。储氢材料自20世纪60年代末发现以来，就引起了学术界和工业界的广泛兴趣，世界各国科学研究人员纷纷开展相关研究工作并取得了重要的进展，但是，储氢材料的研究大多仍处于实验室的探索阶段，一些储氢材料和技术离氢能的实用化还有较大的距离，在质量和体积储氢密度、工作温度、可逆循环性能以及安全性等方面，还不能同时满足实用化要求。例如，到目前为止，那些在室温下容易释放氢的金属氢化物，其可逆质量储氢密度不超过2%，这对于使用燃料电池的电动车以及一些新的应用显然是不够的。有机化合物储氢材料虽然储氢密度大，但是吸/放氢工艺复杂，还有许多技术问题没解决，碳质储氢材料储氢量大，但价格昂贵、产量低，大规模进入商业应用还有一段路要走。总之，储氢材料只有满足原料来源广、成本低、制造工艺简单、密度小、氢含量高、可逆吸/放氢速率快、效率高、可循环使用、寿命长等条件，才能在更大程度上符合实用要求。