PEMFC發(fā)電系統(tǒng)中氫氣的存儲方法分析

文/王海龍 王維俊

隨著人類生活水平的不斷提高，對電能的需求不斷增加。增加火電的供應量，一方面會加劇煤這種不可再生資源的枯竭，另一方面又會增加碳排放和污染環(huán)境。這與目前正在倡導的低碳生活和環(huán)境保護與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略大相徑庭。因此，開發(fā)并利用新的綠色能源就越來越受到世人的關注。

氫能清潔、高效、安全，被視為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ哪茉?。氫能的開發(fā)利用對世界能源結(jié)構(gòu)的變革舉足輕重。氫能利用的一個重要方面就是燃料電池，它將氫和大氣中的氧反應轉(zhuǎn)換為電能，其最大特點是反應產(chǎn)物為純凈水，而且噪聲也很小，對環(huán)境沒有污染。因此燃料電池供電系統(tǒng)的研究對減少環(huán)境污染和減小溫室效應具有重要的意義。

目前，在中小功率場合應用較多的是質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）。PEMFC發(fā)電系統(tǒng)要連續(xù)并能長時間工作就需要有足夠的氫氣儲量和穩(wěn)定的供應環(huán)節(jié)。對于中大功率的固定PEMFC發(fā)電系統(tǒng)可以配套固定的氫氣產(chǎn)生、供應裝置。但對于小功率可移動的或便攜式的PEMFC發(fā)電系統(tǒng)就需要配套相應的氫氣存儲和供應裝置，其存儲裝置的容量和穩(wěn)定性就直接關系到整個發(fā)電系統(tǒng)的電能供應量和輸出功率的穩(wěn)定性。

1.氫氣儲存方法

目前氫氣儲存技術主要有6種，物理方法包括：壓縮儲氫技術、深冷儲氫技術、碳質(zhì)吸附儲氫技術、玻璃微球儲氫技術；化學方法包括：金屬氫化物儲氫技術、有機化合物儲氫技術。本文將逐一介紹上述常用氫儲存技術的特點，并分析各種儲氫技術的優(yōu)缺點和發(fā)展趨勢。

1.1 壓縮儲氫技術

壓縮儲氫是最常用的氫氣儲存方式。這種方式是將氫氣進行高壓壓縮后以氣體形式儲存在氣缸里。為使得氣缸耐高壓而一般選用鋼材，儲氫罐的自重大，氫氣的重量百分比較小，同時還具有一定的危險性。如果在小功率PEMFC發(fā)電系統(tǒng)中采用此種儲能方式會增加自重量，不利于便攜，故多用于中大功率場合。由于氫的密度很小，壓縮儲氫的效率隨著壓力的增大而減小，所以這種技術需要消耗的能量更多。但是總體而言在目前的技術水平條件下其經(jīng)濟性較好，目前Ballard和Daimler-Benz兩大公司已經(jīng)將壓縮氫氣罐用于他們的燃料電池車上。為進一步拓寬這項儲氫技術使用范圍，就必須發(fā)展質(zhì)量更輕、不和氫發(fā)生反應并且不會導致氫擴散的新材料作為儲氫氣缸。

1.2 深冷儲氫技術

深冷儲氫技術是將氫氣液化后儲存在真空瓶里。氫氣先通過高壓壓縮機進行壓縮，再經(jīng)過換熱器進行冷卻，低溫高壓的氫氣最后經(jīng)過節(jié)流閥進行膨脹和進一步地冷卻，生成液態(tài)氫，儲存于液化罐中。這個過程消耗的能量較大，有大約30%的能量消耗在液化過程中。

圖1 儲氫供應裝置在PEMFC發(fā)電系統(tǒng)中關系框圖

該方式的優(yōu)點是氫的體積能量很高，體積較小，但氫氣的液化成本很高，存儲器難以絕熱，使得液氫的氣化率高，小的儲存罐中甚至可以達到每天2%～3%，因而應用范圍受到了很大的限制。這種方法在航天領域應用較廣。但對PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的熱管理子系統(tǒng)要求較高，因此應用較少。

1.3 碳質(zhì)吸附儲氫技術

碳質(zhì)吸附儲氫技術是根據(jù)吸附理論將氫氣吸附在碳質(zhì)上。常用的碳質(zhì)主要包括活性碳、碳納米管和碳納米纖維等具有高比表面積的材料。碳質(zhì)吸附儲氫的優(yōu)點是儲存效率高、儲存容器自重輕、解吸快、安全可靠、可重復使用和壓力適中等，但儲氫介質(zhì)成本很高。盡管如此，碳質(zhì)吸附儲氫技術有望成為未來燃料電池系統(tǒng)中儲氫的有效方法。

1.4 玻璃微球儲氫技術

玻璃微球儲氫技術是利用空心玻璃微球在較高溫度(300℃～400℃)下具有多孔性的特點，在高壓條件下將加熱至200℃～300℃的氫氣擴散進入空心玻璃球內(nèi)，然后等壓冷卻使氫有效地儲存于空心微球中。這種儲氫技術具有很好的重復利用性。雖然玻璃微球成本較低，但是制備高強度的空心微球并非易事。在使用時需要選擇最佳的加熱方式，才可將氫氣最大限量地釋放出來。燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的熱管理本來就是一個難題，加熱300℃～400℃的高溫會嚴重影響燃料電池堆的反應性能。故目前應用較少。

1.5 金屬氫化物儲氫技術

這項儲氫技術是使氫原子進入金屬價鍵結(jié)構(gòu)，形成金屬氫化物。金屬氫化物在低壓下具有較高的儲氫能力，但由于金屬密度很大，導致氫的質(zhì)量百分比很小，只有2%～7%。用作金屬氫化物的金屬或金屬化合物的熱性能都要比較穩(wěn)定，能夠進行頻繁地充放循環(huán)，并且不易被二氧化碳、二氧化硫、水蒸氣腐蝕。金屬氫化物儲氫的優(yōu)勢是氫氣的容積率較高、易于反復充放、使用也比較安全，但質(zhì)量效率較低、成本非常高、具有氫不可逆損傷、釋放氫氣時需要加熱等弱點。不適于大規(guī)模儲存和運輸。除非開發(fā)出更輕、更便宜的金屬材料，這種儲氫方式將很難成為燃料電池車的主要儲存方式。

1.6 有機化合物儲氫技術

這種新型儲氫技術是利用可循環(huán)液體化學氫載體儲氫。其優(yōu)點是儲氫密度高、安全和儲運方便，缺點是儲氫及釋氫均涉及化學反應，需要具備一定條件并消耗一定能量，另外產(chǎn)生的氫因含有雜質(zhì)氣體常常還需要凈化。因此不像壓縮儲氫技術那樣簡便易行。因此，該技術的商業(yè)化大規(guī)模使用還有很遠的距離。

2.PEMFC發(fā)電系統(tǒng)儲氫方式選擇條件

中小功率或可便攜的PEMFC發(fā)電系統(tǒng)一般包括電池堆、水管理裝置、熱管理裝置、輸出電力調(diào)節(jié)裝置、燃料供應（儲存）裝置和綜合控制系統(tǒng)幾部分。其中最核心的就是燃料電池堆，其反應特性決定了整個系統(tǒng)的工作性能，因此各個子系統(tǒng)的設計和選擇都必須滿足電池堆的反應條件。圖1給出了儲氫供應系統(tǒng)在PEMFC系統(tǒng)中與其它子系統(tǒng)的關系。PEM電池堆的最佳工作溫度一般在60℃～80℃。燃料（氫氣和氧氣）的供應速度、濕度、壓力以及純度會直接影響電堆的反應速度，氫氣的儲存量直接關系到整個系統(tǒng)的工作時間和輸出功率。因此在選擇PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的氫氣儲存方式時應當考慮一下幾個方面：（1）氫氣的儲存量應該盡可能大，以保證PEMFC發(fā)電系統(tǒng)長時間（或滿負荷）工作；（2）氫氣的純度應該盡量高，以免造成電池堆化學反應中毒，降低電堆的工作性能；（3）氫氣的壓力、速度、濕度要易于檢測和控制；（4）具有較高的安全性；（5）儲存器的體積和重量要盡可能小，便于移動和提高發(fā)電系統(tǒng)的功率密度；（6）釋放氫氣的條件如加熱等不能影響電池堆的反應特性；（7）經(jīng)濟成本低，易于批量生產(chǎn)和推廣。

3.結(jié)語

通過以上分析，可以看到目前的幾種儲存氫氣技術都存在自身的優(yōu)缺點。由于材料和技術的限制，大部分儲氫技術的實用化還有較長的路要走。壓縮儲氫的效率高、經(jīng)濟性較好，但重量大；液化儲氫能量高，但成本昂貴；金屬氫化物儲氫體積密度最高，但質(zhì)量比較大，成本也高；碳質(zhì)吸附儲氫有一定的優(yōu)越性，但還處于初期的發(fā)展階段。因此，目前還沒有一種技術在輕便性、氫氣質(zhì)量、工作溫度、可逆循環(huán)性和安全性等方面同時滿足PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的要求。比較而言，目前采用壓縮儲氫的方式相對可行，盡管重量較大，儲氫量也不是最大，但在車載PEMFC發(fā)電系統(tǒng)中可以通過裝氫氣重整裝置來彌補。

氫的儲存技術是制約PEMFC發(fā)展和廣泛應用的關鍵性技術之一，如何有效地儲氫并在使用時能夠方便地釋氫，將是該項技術研究的焦點。