改變未來世界的氫能源
改變未來世界的氫能源
文/王葵葵
氫能源
隨著經濟持續發展，科技不斷進步和人口急劇增長，人類對能源的需求量也越來越大。由於煤、石油、天然氣等化石燃料在全球的能源供給體系一直佔據主導地位，因此能源在為人類社會的發展作出了巨大貢獻的同時，也對全球氣候和生態環境造成了嚴重的負面影響，如大量排放溫室氣體CO2導致全球變暖、海平面上升、極端災害天氣頻發等。從2013年以來，我國大部分地區大量出現嚴重霧霾天氣，根源也是由於工業和汽車中大量使用煤、石油等化石燃料。並且，化石燃料在短時間內不可再生，也面臨著日益枯竭的問題。因此，人類開始尋找新型替代能源。太陽能、風能、潮汐能、氫能等都是清潔的、可再生的新型能源，但太陽能、風能和潮汐能等都具有時空分布的不均勻性和不穩定性。
安全存儲：氫能源利用的「瓶頸」
氫能的原料——氫氣在地球上的儲量很大，氫的發熱值為141790千焦/千克，是汽油發熱值的3倍，高於除核能外的所有化石、化工和生物燃料。而且，氫氣轉化成電能（或熱能）過程的產物是水，不會產生任何的溫室氣體。另外，氫氣的使用具有可循環性，這些顯著的優點使得氫能的開發和應用引起世界各國的極大興趣。
氫能的開發和應用包括氫氣的製備、存儲/運輸和應用三個技術環節。其中，氫氣的儲存和運輸是最關鍵的環節。由於氫氣具有密度低、易燃易爆、易擴散等特點，因此氫能能否得到規模化商業應用的「瓶頸」環節是如何安全、高效地儲存和運輸氫氣。車載儲氫系統必須滿足以下條件：儲氫密度高、操作溫度/壓力適中、吸放氫速率快、氫氣純度高、循環性能好、安全性好。
傳統儲氫方法有兩種：一種方法是利用高壓鋼瓶（氫氣瓶）來儲存氫氣，這是目前技術最成熟、價格最低廉的儲氫方式，也是應用最廣泛的。但鋼瓶儲存氫氣的容積小，即使加壓到150個大氣壓，所裝氫氣的質量也不到氫氣瓶質量的1%。目前，部分商用的高壓儲氫容器其工作壓力可達350bar，但在如此高的壓力下儲存5千克的氫氣，仍然需要佔用至少220升的空間，這將極大地擠占汽車的乘客或行李空間。此外，壓力過高對於車載應用來說也存在很大的安全隱患，隨時都有爆炸的危險。1966年，通用汽車推出自己的首款氫燃料電池汽車，其車廂後部配置了鋼製氣罐儲存氫氣和氧氣。這款車型充氣一次後至少可以行駛241千米，但據了解至少發生過一次爆炸，非常危險。
另一種方法是儲存液態氫，也是一種比較成熟的儲氫技術，即降溫到-253oC將氫氣變為液體進行儲存。該過程需要消耗所儲氫氣所含能量的30%，因此這種技術存在的最大問題是能耗高。另外，液體氫儲存箱體積龐大，需要極好的絕熱裝置來隔熱，但液態氫沸騰汽化不可避免，因此也存在潛在的安全隱患。比如，將車置於密閉的環境中幾天，空氣中的含氫量可能達到爆炸極限。
儲氫合金，安全理想的儲氫方法
利用儲氫材料儲存氫氣是一種新型簡便的儲氫方法。研究證明，某些金屬具有很強的捕捉氫的能力，在一定的溫度和壓力條件下，這些金屬能夠大量「吸收」氫氣，反應生成金屬氫化物。若將這些金屬氫化物加熱，它們又會分解，將儲存在其中的氫釋放出來。這些會「吸收」氫氣的金屬，稱為儲氫合金。
由於儲氫合金都是固體，既不用儲存高壓氫氣所需的大而笨重的鋼瓶，又不需存放液態氫那樣極低的溫度條件。需要儲氫時，使合金與氫反應生成金屬氫化物並放出熱量；需要用氫時，通過加熱或減壓使儲存於其中的氫釋放出來。因此，儲氫合金是一種極其簡便易行的理想儲氫方法。
儲氫合金的發展最早從金屬鎂開始，金屬鎂具有儲氫性能，儲氫重量達7.6%。1968年，美國布魯克海文國家實驗室Reilly和Wisqull合成了Mg2Ni儲氫合金，其儲氫量為3.6wt%，這是歷史上最早的儲氫合金。但常壓下250oC才能析出氫，這對於實際應用來說，釋放氫的溫度仍然太高。
同樣在1968年，荷蘭菲利浦實驗室Zijlstra和Wester-drop等在研究永磁材料SmCo5時，意外發現了稀土儲氫合金。用酸洗SmCo5合金時，由於吸入大量的氫其磁性減弱，氫壓降低時又釋放出來。進一步研究發現，LaNi5具有理想的儲氫性能。1970年，Reilly等人發現金屬釩能夠在室溫下可吸收大量的氫氣，但是只有一半的氫氣能夠釋放出來，而且吸氫動力學性能較差，活化比較困難。20世紀80年代，眾多研究發現，對LaNi5進行元素取代，製成的儲氫合金具有優異的電化學性能，如用富鈰混合稀土或富鑭混合稀土取代La，用Co、Mn、Al部分取代Ni，以上元素替代的儲氫合金使鎳氫電池得到了迅猛發展。目前研究發展中的儲氫合金，主要有鈦系儲氫合金、鋯系儲氫合金、鐵系儲氫合金及稀土系儲氫合金。儲氫合金不光有儲氫的本領，而且還有將儲氫過程中的化學能轉換成機械能或熱能的能量轉換功能。儲氫合金在吸氫時放熱，在放氫時吸熱，利用這种放熱－吸熱循環，可進行熱的儲存和傳輸，製造製冷或採暖設備。
儲氫合金還可以用於提純和回收氫氣，它可將氫氣提純到很高的純度。例如，採用儲氫合金，可用很低的成本獲得純度高於99.9999%的超純氫。
儲氫技術不斷突破
經過數十年的發展，儲氫材料所涉及體系也從儲氫合金開始一直在不斷拓展。尤其是近年來，儲氫材料的研究呈現多材料體系、多儲氫模式並行發展的格局。現有的儲氫材料體系可分為物理吸附類儲氫材料和化學鍵合類儲氫材料。
物理吸附類儲氫材料是指通過物理吸附氫氣分子儲存氫氣，物理吸附類儲氫材料的研究均集中在具有高比表面積的材料，如碳基材料（碳納米管、納米多孔炭等）、有機金屬框架結構（MOFs）等。物理吸附類儲氫材料對氫氣分子的束縛能較低，其儲氫量的測量一般都在低溫條件下（77K，液氮溫度）進行，因此難以滿足近室溫條件下的應用需求。
化學鍵合類儲氫材料主要是氫原子與材料形成化學鍵儲氫。化學鍵合類儲氫材料可分為可逆儲氫材料和非可逆儲氫材料，可逆儲氫材料主要包括放氫過程吸熱的傳統金屬/合金氫化物（如LaNi5H6、MgH2等）、氨基化合物和配位金屬氫化物（如金屬鋁氫化物、金屬氮氫化物及金屬硼氫化物等）；非可逆儲氫材料主要包括放氫過程放熱的化學氫化物（如NaBH4水解體系、水合肼、NH3BH3等），這類材料的放氫一般可在較溫和條件下進行。如果能使其放氫產物實現經濟高效的化學再生，將極具商業應用前景。
氫能源將大展拳腳
目前大量使用的鎳鎘電池中，含有重金屬鎘，其處理過程複雜，若處理不當極易引起環境污染，利用儲氫合金製造鎳氫電池可避免重金屬的污染問題，因此發展儲氫合金製造的鎳氫電池，是未來儲氫材料應用的另一個重要領域。
氫氣的應用非常廣泛，既可作為燃料直接在內燃機中燃燒提供能量，也可通過在氫燃料電池中發生電化學反應將氫能轉化成可以利用的能量，燃料電池被認為是氫能的最佳利用方式。與傳統汽車相比，氫燃料電池汽車具有能效高、幾乎零排放、運行穩定、安靜等優點。發展氫燃料電池汽車也引起了各國政府和汽車公司的極大興趣。
只要將現有的內燃機做適當的改動，就可使用氫來代替汽油作燃料，儲氫材料有望在燃料電池中應用，對於長期佔據霸主地位的內燃機來說是一個巨大的挑戰。近年來，世界四大汽車公司：美國的福特、德國的戴姆勒－賓士、美國的通用和日本的豐田，都在加快研製氫能汽車。過去的三年里，本田、豐田和現代汽車已在美國市場租賃出數百輛氫燃料電池汽車。最近，通用汽車向美國軍方提供了氫燃料電池皮卡車。而通用和本田也在合作研發燃料電池系統，計划到2020年時推出新的氫燃料電池系統。現代汽車也計劃於2018年推出一款具有長續航里程的氫燃料電池SUV車型。
除汽車領域之外，無人駕駛飛行器、深海車輛和家庭備用供電系統等，也將使用燃料電池作為其主要或輔助能源。據報道，2020年的東京奧運會和殘奧會聖火擬採用氫能源，將計劃在奧運車輛中引進氫燃料電池車，使奧運村成為實現氫能源社會的樣板。
隨著科技的不斷進步，氫能這一種新型清潔能源的利用也將越來越廣泛和便捷。
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