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探索多样的储氢方法、其挑战以及推动可持续能源未来的技术进步。一份全球视角。

理解储氢技术:一份全面的全球指南

在全球向可持续未来转型的过程中,氢能日益被视为一种关键的能源载体。它在交通、工业和发电等多个领域实现脱碳的潜力巨大。然而,氢能的广泛应用取决于高效且具成本效益的储存解决方案的开发。本指南全面概述了不同的储氢方法、其面临的挑战以及推动这一关键领域创新的最新进展。

储氢技术为何至关重要

氢虽然储量丰富,但主要以化合物形式存在,如水(H2O)或碳氢化合物(如甲烷,CH4)。提取纯氢需要能量,而由于其密度低、易燃性高,储存氢也带来了独特的挑战。高效的储存至关重要,原因有几点:

储氢方法

储氢技术大致可分为物理储存和化学储存方法。每种方法在储存容量、能源效率、成本和安全性方面都有其优缺点。

1. 物理储存

物理储存是指在特定的温度和压力条件下,以气体或液体形式储存氢。

a) 压缩气态氢

压缩气态氢储存是指将氢压缩至高压(通常为350-700巴,在某些应用中甚至高达1000巴),并储存在坚固的压力容器中。这是一种技术相对成熟、已有商业化解决方案的技术。

优点:
缺点:
示例:

压缩氢被广泛用于燃料电池电动汽车(FCEV)。例如,现代的NEXO FCEV使用三个高压储氢罐,在700巴压力下储存容量为6.33公斤,可提供超过600公里的续航里程(WLTP标准)。

b) 液态氢

液态氢储存是指将氢冷却至其低温沸点(-253°C),使其凝结成液体。与压缩气体相比,这显著提高了体积能量密度。

优点:
缺点:
示例:

液态氢被用于太空计划(例如,美国宇航局的航天飞机),并正在探索用于长途运输应用,如飞机和船舶。例如,空中客车公司正在开发将利用液态氢储存的氢动力飞机。

2. 化学储存

化学储存是指将氢储存在化合物中,这些化合物在热或催化剂等触发条件下发生反应释放氢气。

a) 金属氢化物

金属氢化物是氢与某些金属或合金反应形成的化合物。氢储存在金属晶格内,可通过加热氢化物来释放。

优点:
缺点:
示例:

储氢研究中的金属氢化物例子包括镍氢化镧(LaNi5H6)和氢化镁(MgH2)。研究重点是通过合金化和纳米结构化来提高其储氢容量和动力学性能。例如,日本的研究人员正在积极研究基于MgH2并用催化剂改性的体系,以提高其性能。

b) 化学氢化物

化学氢化物是与水或其他反应物反应释放氢的化合物。例子包括硼氢化钠(NaBH4)和氨硼烷(NH3BH3)。

优点:
缺点:
示例:

硼氢化钠(NaBH4)已用于某些燃料电池应用。研究重点是开发高效的废硼氢化物再生方法。氨硼烷(NH3BH3)是另一种有前景的化学氢化物,但其再生仍然是一个挑战。德国和美国的研究人员正在探索各种高效再生这些材料的途径。

c) 液态有机储氢载体 (LOHC)

LOHC是可以通过氢化和脱氢反应可逆地结合氢的有机液体。例子包括甲苯/甲基环己烷和二苄基甲苯/全氢二苄基甲苯体系。

优点:
缺点:
示例:

甲苯/甲基环己烷体系是研究最多的LOHC之一。氢被添加到甲苯中形成甲基环己烷,后者可以被运输和储存。然后通过将甲基环己烷脱氢变回甲苯来释放氢。日本和德国的公司正在积极开发和部署基于LOHC的储氢和运输解决方案。日本的千代田化工建设公司已经展示了一条全球氢供应链,利用其基于甲苯/甲基环己烷LOHC体系的SPERA Hydrogen™技术,将氢从文莱运输到日本。

3. 基于材料的储存(吸附)

这种方法利用具有高比表面积的材料,如活性炭、金属有机框架(MOF)和碳纳米管,来吸附氢分子。

优点:
缺点:
示例:

全球研究人员正在积极开发和表征用于储氢的新型MOF和其他纳米多孔材料。例如,美国、欧洲和亚洲的大学和研究机构的科学家们正在合成具有增强储氢性能的MOF,例如增加的比表面积和与氢分子的更强相互作用。寻找能够在接近常温常压下有效储存氢的材料仍然是一个关键焦点。

储氢技术的挑战与未来方向

虽然储氢技术已取得显著进展,但仍存在一些挑战:

未来的研发工作重点是应对这些挑战并开发创新的储氢解决方案。一些关键的重点领域包括:

全球倡议与投资

世界各地的政府和行业正在大力投资于储氢技术的研发。例子包括:

结论

储氢技术是广泛采用氢能的关键赋能技术。尽管挑战依然存在,但持续的研发工作正在推动材料科学、工程和系统设计的创新。随着氢技术的成熟和成本的降低,储氢将在各行各业的脱碳和为世界创造可持续能源未来的过程中发挥越来越重要的作用。释放氢能全部潜力的关键在于持续追求能够满足全球氢经济多样化需求的高效、安全且具成本效益的储存解决方案。国际合作和知识共享对于加速这一重要领域的进展至关重要。

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