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氫氣的存儲(chǔ)
通常制得的氫氣，有三種儲(chǔ)存途徑。
●一種是將制得的通過(guò)壓縮機(jī)壓縮，存儲(chǔ)在中低壓壓力等級(jí)的儲(chǔ)氫罐。
●當(dāng)制得的氫氣量足夠大時(shí)，可以利用現(xiàn)有的地下洞穴或天然氣氣穴存儲(chǔ)，地下儲(chǔ)存的氫氣壓力水平范圍為2MPa至18MPa；
●若設(shè)備允許，可將制得的氫氣，通過(guò)低溫液化，儲(chǔ)存到低溫液態(tài)儲(chǔ)氫罐，其儲(chǔ)氫量相比壓縮儲(chǔ)氫要大很多，同等空間的情況下，若壓縮儲(chǔ)氫提供氫儲(chǔ)量100千瓦時(shí)(kWh)，低溫液態(tài)存儲(chǔ)儲(chǔ)氫量可以達(dá)100GWh。
對(duì)于壓縮氫氣儲(chǔ)氫，壓縮機(jī)是儲(chǔ)氫的關(guān)鍵技術(shù)。美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)最近的一項(xiàng)研究表明，因?yàn)楦邏?如FCEV車載存儲(chǔ)所需70MPa)的設(shè)備需求量比較少產(chǎn)量少，所以壓縮技術(shù)的數(shù)據(jù)非常稀少，壓縮所需的能量需求在不同技術(shù)中相差十倍。
壓縮儲(chǔ)氫由于其有限的能量密度而具有高成本；低溫罐由于蒸發(fā)損失只能在有限的時(shí)間內(nèi)保持要求的壓強(qiáng)水平。
加壓和低溫氫存儲(chǔ)之間的中間解決方案是低溫壓縮氫。在這種情況下，液化氫被填充到罐中，與普通低溫儲(chǔ)存(約2至4MPa)相比，低溫壓縮氫所需的氫氣燃燒壓力條件要高得多(高達(dá)35MPa)。這使得低溫壓縮儲(chǔ)氫能夠儲(chǔ)存更長(zhǎng)的時(shí)間。
在未來(lái)，將氫存儲(chǔ)在金屬氫化物或碳納米結(jié)構(gòu)中是實(shí)現(xiàn)高能量密度的有前途的技術(shù)選擇。雖然金屬氫化物已經(jīng)處于示范階段，但仍需要進(jìn)行基礎(chǔ)研究以更好地了解碳納米結(jié)構(gòu)的潛力。
氫氣的運(yùn)輸
氫氣的運(yùn)輸通常根據(jù)儲(chǔ)氫狀態(tài)的不同和運(yùn)輸量的不同而不同，下圖展示了氫氣的各種運(yùn)輸方式。
通常氣態(tài)氫由卡車(長(zhǎng)管拖車)運(yùn)輸，通常運(yùn)輸壓力為20-50Mpa。
由于液態(tài)氫的能量密度高于氣態(tài)氫的能量密度，因此值得在長(zhǎng)距離輸送大量氫氣，然而液化過(guò)程耗能較多，需要消耗運(yùn)輸?shù)臍涞哪芰康?0%，相當(dāng)于每運(yùn)輸1kg氫氣消耗7-10kWh能量。由于冷氫與環(huán)境溫度之間存在較大的溫差，因此對(duì)所用材料和絕緣有很高的要求。通常，液態(tài)氫運(yùn)輸適用距離應(yīng)該超過(guò)400-1000km，并且運(yùn)輸溫度應(yīng)該保持在-253°C左右。
管道運(yùn)輸可以長(zhǎng)距離運(yùn)輸大量氫氣，在工業(yè)領(lǐng)域特別有利。但建設(shè)管道網(wǎng)絡(luò)的成本昂貴，尤其是在城市區(qū)域搭建網(wǎng)管需要考慮的因素太多。若是氫氣輸送的需求網(wǎng)絡(luò)密集，則建設(shè)氫管道網(wǎng)絡(luò)非常有利。
下圖描述了氫輸送成本對(duì)質(zhì)量流量和運(yùn)輸距離的依賴性。可以看出，每天的運(yùn)輸量為70噸時(shí)，管道運(yùn)輸是最便宜的運(yùn)輸方式。液態(tài)氫的運(yùn)輸?shù)玫交貓?bào)，每日運(yùn)輸量為10噸，運(yùn)輸距離超過(guò)200公里時(shí)，液態(tài)氫的運(yùn)輸最具優(yōu)勢(shì)。每天銷售量低于10噸，拖車運(yùn)輸氣態(tài)氫是最便宜的。
氫輸送成本與質(zhì)量流量和運(yùn)輸距離的關(guān)系圖
[G表示氣態(tài)氫運(yùn)輸,L表示液態(tài)氫運(yùn)輸,P表示管道運(yùn)輸氣態(tài)氫]
目前，氫氣作為燃料與天然氣相比還沒(méi)有足夠規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施。關(guān)鍵問(wèn)題是氫氣是否需要這種規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施，以及在何種程度上利用已經(jīng)存在的基礎(chǔ)設(shè)施。
大規(guī)模使用氫氣，需要運(yùn)輸和配送基礎(chǔ)設(shè)施，將氫氣生產(chǎn)場(chǎng)地與用戶連接起來(lái)。如果從小規(guī)模應(yīng)用逐步發(fā)展，在早期階段用卡車或輪船運(yùn)輸就足夠了。在大規(guī)模應(yīng)用的情況下，通過(guò)管道基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行運(yùn)輸將是一個(gè)繞不開(kāi)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因?yàn)殚L(zhǎng)期大規(guī)模使用基礎(chǔ)設(shè)備，會(huì)帶來(lái)很高的成本優(yōu)勢(shì)等。
除了集中制氫外，如果運(yùn)輸價(jià)格昂對(duì)，對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)，可以選擇就地小規(guī)模制氫，避免運(yùn)輸費(fèi)用。目前，德國(guó)的加氫站采用了兩種生產(chǎn)工藝：電解和蒸汽重整。在這兩種方法中，產(chǎn)生的氫氣的壓力高達(dá)50bar(通常為1-30bar)。
氫氣的轉(zhuǎn)化
氫氣作為燃料，主要還是通過(guò)氫燃料電池，將氫能轉(zhuǎn)化為電能。燃料電池可以使富氫燃料氧化，轉(zhuǎn)化為有用的能量而不會(huì)在明火中燃燒。與將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的其他單階段過(guò)程(例如燃?xì)廨啓C(jī))相比，燃料電池的電效率更高(32％至70%)。
與電解裝置類似，燃料電池在效率和功率輸出之間進(jìn)行權(quán)衡。低負(fù)載時(shí)效率最高，而功率輸出增加則效率降低。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，燃料電池可以在瞬態(tài)循環(huán)中實(shí)現(xiàn)最高效率。
按照不同的電解質(zhì)可以分為不同類型的燃料電池，其通常可以通過(guò)它們的膜類型和操作溫度來(lái)區(qū)分：
燃料電池可分為：
1)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC);
2)堿性燃料電池(AFC);
3)磷酸燃料電池(PAFC);
4)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC);
5)固體氧化物燃料電池(SOFC)。
雖然質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)和堿性燃料電池(AFC)的工作溫度低至80°C，但固氧化物燃料電池(SOFC)的工作溫度高達(dá)600°C(SOFC)，更適合熱電聯(lián)產(chǎn)應(yīng)用。在其他參數(shù)相同的情況下，溫度越高，效率越高。目前質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMF)是燃料電池汽車(FCEV)最合適的選擇。
下面一張圖總結(jié)了上文中提到的各種類型的燃料電池、壓縮機(jī)等參數(shù)圖：
據(jù)美國(guó)能源署(DOE)2013燃料電池技術(shù)市場(chǎng)報(bào)告，全球燃料電池市場(chǎng)在2008年至2013年間增長(zhǎng)了近400％，僅2013年就增加了170兆瓦的燃料電池容量(圖10)。目前，超過(guò)80％的燃料電池用于熱電聯(lián)產(chǎn)，備用電源和遠(yuǎn)程電力系統(tǒng)等。
盡管燃料電池在過(guò)去十年中取得了顯著的發(fā)展，但高投資成本和相對(duì)有限的壽命仍然是燃料電池廣泛應(yīng)用的最大障礙。投資成本在很大程度上取決于制造成本，并且成本可以通過(guò)大規(guī)模生產(chǎn)顯著降低。根據(jù)美國(guó)能源部(USDOE，2012;與美國(guó)能源部的個(gè)人聯(lián)系)，燃料電池汽車的質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMF)系統(tǒng)在高產(chǎn)量的情況下成本降低潛力非常大，目標(biāo)成本為每千瓦30美元左右。
與燃料電池汽車相比，戶用燃料電池系統(tǒng)(非汽車用燃料電池)的投資成本預(yù)計(jì)會(huì)下降得更慢，這主要是由于注重更高的效率和更長(zhǎng)的使用壽命。對(duì)于中型燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)，美國(guó)能源部在2020年內(nèi)設(shè)定的目標(biāo)成本為每千瓦1500美元至2000美元。
作者/張佳琪
