燃料电池储氢材料及未来发展趋势

燃料电池储氢材料及未来发展趋势

李延凤

广东泰极动力科技有限公司 广东佛山 528000

摘要：科技的进步，促进人们对能源需求的增多。近年来能源消费逐渐增加，化石能源储量减少，随之带来一系列的环境问题，寻找一种安全可靠的绿色清洁能源是必然趋势。氢能的储量丰富，对环境无影响且生产能力大、质量轻、能量密度低，在很多潜在的能源中被认为是一个最佳选择。使用氢能能够降低对石油资源的依赖，逐渐替代石化燃料，实现在热能和电能之间灵活转化。本文就燃料电池储氢材料及未来发展趋势展开探讨。

关键词：金属氢化物；高压气态存储；纳米化；燃料电池汽车

引言

氢能是一种理想的二次能源，以氢气作为燃料，能量转化效率高，且反应产物只有水，可有效解决尾气排放造成的环境问题。它既能以气、液相形式存储在高压罐中，也能以固相形式储存在储氢材料中。然而，氢气储存安全性、工作温度、储氢密度和可逆循环性能技术要求都是制约氢燃料电池大规模商用的难题，距氢能产业化还有较大距离。

1我国氢能产业现状

我国氢气资源丰富，发展氢能源具有先天优势。目前国内氢气产量已经位居世界第一位，而且我国煤炭资源丰富，已经开始发展煤制氢产业，还有丰富的风电、光电、水电资源，未来都可以用来进行水电解制氢。但是，我国氢能源产业相关技术，尤其是燃料电池技术与发达国家差距很大，相关政策法规还不够完善，加氢站基础设施建设滞后，还需要进一步在国家和省级层面进行统筹规划，推进我国氢能源产业发展。目前，国内氢能产业加速规划布局。国家高度重视氢能产业发展，《国家创新驱动发展战略纲要》《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》《交通强国建设纲要》等文件均鼓励引导氢能产业发展。国内氢能产业呈现迅猛发展态势，上海、浙江、江苏、河北等省（市）陆续出台文件或规划，加快布局氢能产业，推进燃料电池汽车示范应用，目前国内已形成六个主要的氢能产业集群。2019年，中国氢能联盟发布了《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》，到2050年，氢能将在中国终端能源体系中占比达到10%（约5亿吨标煤，折合1.1亿吨氢气），与电力协同互补，共同成为中国终端能源体系的消费主体之一。届时，可实现二氧化碳减排约7亿吨/年，累计拉动33万亿元经济产值。而“绿氢”可再生能源制氢将是未来的主要氢气来源，到2050年，可再生能源制氢超过80%。这个亿吨级氢能的目标，将改变中国的能源结构并推动中国进入氢能社会，中国具有广阔的西部荒漠和良好的光照条件，可开发的“绿氢”资源超过3亿吨。完全能够满足我国可持续发展的自给自足的无碳氢能，将从根本上改变我国能源战略安全。但我国西部储量丰富的绿氢资源，远离中东部的能源负荷中心，需要远距离的输送。因此如何达到开发规模，建立“产、储、输、分销、应用”完整的低成本氢能供应链，就需要进行氢能储运模式的构建并进行技术经济分析。

2氢能的存储方式

2.1高压气态储氢

高压气态储氢是指在高压下将氢气压缩，存储到耐高压的容器中。目前高压气态储氢应用广泛，是最常见也是相对成熟的储氢方式，其具有简便易行、充放速度快的优点。然而高压气态储氢选用的容器要对高压有耐受性，这对储罐的材质提出了要求。钢制氢瓶是成本较低的技术，然而存在体积比容量低的问题。碳纤维钢瓶有较高的压力耐受性，但费用昂贵，不是理想的选择此外，高压气态储氢也存在着氢气泄露和容器爆破等安全隐患。

2.2活性炭吸附储氢

通过活性炭吸附储氢，是因其具有较高比表面积、丰富表面管能团和发达孔隙结构。这些孔隙由石墨微晶之间交联作用形成，对氢气分子有强烈色散力作用，从而使其具有优良吸附性能。活性炭吸附储氢的研究是在较低温度和中高压的条件下测试活性炭储氢性能，活性炭纤维储氢属于物理吸附储氢，结合力较弱，故吸脱附速度快，再生性能好。

2.3固态储氢

固态储氢将氢气通过物理吸附或者化学反应存储于固体材料中，是有潜力的储氢方式之一，具有安全性高、成本低、运输方便、储氢体积密度大等优势，具有广阔的发展前景。经过多年的探索，固体储氢材料得到迅速发展，主要包括物理吸附储氢（如多孔有机材料、碳基材料、金属有机框架等）和化学氢化物储氢两种方式。物理吸附储氢是利用微孔材料物理吸附氢分子，依靠氢气分子与储氢材料间较弱的范德华力进行储氢的一种方式。其在特定条件下对氢气具有良好的、可逆的热力学吸附、脱附性能。这类储氢方式所使用的储氢材料具有高比表面积、低温储氢性能好等优势；但常温或高温储氢性能差的缺点也制约了物理吸附储氢的发展。化学氢化物储氢技术是氢气以原子的状态在合金中储存的手段，其在输运过程中由于热效应和分子运动速度的约束，安全性更高、储氢量更大。然而，化学氢化物储氢反应过程要在高温条件下进行，温度要求较高，限制了其实际应用。

2.4水合物储氢

水合物法储氢方式，是指氢气在低温、高压条件下，通过生成固体水合物进行储存的方式。因水合物在常温、常压下即可分解，故该方法脱氢速度快、能耗低，同时，其储存介质仅为水,具有成本低、安全性高的特点。在不同温度、压力和不同添加剂条件下，可生成4种类型水合物：Ⅰ型水合物、Ⅱ型水合物、H型水合物和半笼型水合物。

2.5碳质储氢材料

碳质储氢材料属于物理储氢的方法，其原理是利用碳质材料对氢气的吸附作用来达到储存氢气的目的。由于氢气与碳质材料的相互作用较弱，扩大比表面积和提高氢在材料表面的吸附能力是改善材料储氢性能的关键因素。碳质储氢材料主要有活性炭(AC)、碳纳米纤维(CNF)、石墨纳米纤维(GNF)和碳纳米管(CNT)4种。该类材料仍处于基础研究阶段，离实际应用还有很大差距。活性炭具有成本低、储氢量高、使用寿命长的优点，是一种极具潜力的储氢材料。但由于其储氢过程需要在低温的氛围下进行，因此想要实现规模化应用的关键在于能否解决储氢温度的问题。碳纳米纤维具有分子级的细孔，比表面积大，可以吸附大量的氢气，因此具有很高的储氢容量。采用催化浮动法制备的碳纳米纤维，在室温、11MPa环境下的储氢量为12wt%。但是碳纳米纤维制备工艺还处于实验室阶段，生产成本高，并且碳纳米纤维的循环寿命较短。

结语

我国未来一段时间对能源的需求还在增长，“绿氢”在实现我国能源战略的转型中占有重要地位。为实现氢能的广泛应用，开发具有较高存储容量、具有经济价值的新型储氢材料是非常重要的。金属络合氢化物储氢材料、碳纳米管储氢材料、沸石以及新型沸石类材料、有机液态储氢材料的制备、应用方面积累了大量的成果，未来氢能的开发与利用具有极大的发展前景。

参考文献

[1]林才顺，魏浩杰.氢能利用与制氢储氢技术研究现状[J].节能与环保,2019(02):42-43.

[2]周超，王辉，欧阳柳章，等.高压复合储氢罐用储氢材料的研究进展[J].材料导报2019（01）:7-126.

[3]高惠民.解析丰田燃料电池轿车Mirai高压储氢系统（上）[J].汽车维修与保养，2021(03)：59-62.

[4]李璐伶,樊栓狮,陈秋雄,等.储氢技术研究现状及展望[J].储能科学与技术,2019,7(4):586-594.

[5]贾志华,魏立军,殷平,等.硫化物电化学储氢材料的性能研究[J].化工时刊,2019,33(1):9-11.

[6]邹勇进，向翠丽，邱树君，等.纳米限域的储氢材料[J].化学进展,2019,25(01):115-121.