PEMFC发电系统中氢气的存储方法分析

文/王海龙 王维俊

随着人类生活水平的不断提高，对电能的需求不断增加。增加火电的供应量，一方面会加剧煤这种不可再生资源的枯竭，另一方面又会增加碳排放和污染环境。这与目前正在倡导的低碳生活和环境保护与可持续发展战略大相径庭。因此，开发并利用新的绿色能源就越来越受到世人的关注。

氢能清洁、高效、安全，被视为21世纪最具发展潜力的能源。氢能的开发利用对世界能源结构的变革举足轻重。氢能利用的一个重要方面就是燃料电池，它将氢和大气中的氧反应转换为电能，其最大特点是反应产物为纯净水，而且噪声也很小，对环境没有污染。因此燃料电池供电系统的研究对减少环境污染和减小温室效应具有重要的意义。

目前，在中小功率场合应用较多的是质子交换膜燃料电池（PEMFC）。PEMFC发电系统要连续并能长时间工作就需要有足够的氢气储量和稳定的供应环节。对于中大功率的固定PEMFC发电系统可以配套固定的氢气产生、供应装置。但对于小功率可移动的或便携式的PEMFC发电系统就需要配套相应的氢气存储和供应装置，其存储装置的容量和稳定性就直接关系到整个发电系统的电能供应量和输出功率的稳定性。

1.氢气储存方法

目前氢气储存技术主要有6种，物理方法包括：压缩储氢技术、深冷储氢技术、碳质吸附储氢技术、玻璃微球储氢技术；化学方法包括：金属氢化物储氢技术、有机化合物储氢技术。本文将逐一介绍上述常用氢储存技术的特点，并分析各种储氢技术的优缺点和发展趋势。

1.1 压缩储氢技术

压缩储氢是最常用的氢气储存方式。这种方式是将氢气进行高压压缩后以气体形式储存在气缸里。为使得气缸耐高压而一般选用钢材，储氢罐的自重大，氢气的重量百分比较小，同时还具有一定的危险性。如果在小功率PEMFC发电系统中采用此种储能方式会增加自重量，不利于便携，故多用于中大功率场合。由于氢的密度很小，压缩储氢的效率随着压力的增大而减小，所以这种技术需要消耗的能量更多。但是总体而言在目前的技术水平条件下其经济性较好，目前Ballard和Daimler-Benz两大公司已经将压缩氢气罐用于他们的燃料电池车上。为进一步拓宽这项储氢技术使用范围，就必须发展质量更轻、不和氢发生反应并且不会导致氢扩散的新材料作为储氢气缸。

1.2 深冷储氢技术

深冷储氢技术是将氢气液化后储存在真空瓶里。氢气先通过高压压缩机进行压缩，再经过换热器进行冷却，低温高压的氢气最后经过节流阀进行膨胀和进一步地冷却，生成液态氢，储存于液化罐中。这个过程消耗的能量较大，有大约30%的能量消耗在液化过程中。

图1 储氢供应装置在PEMFC发电系统中关系框图

该方式的优点是氢的体积能量很高，体积较小，但氢气的液化成本很高，存储器难以绝热，使得液氢的气化率高，小的储存罐中甚至可以达到每天2%～3%，因而应用范围受到了很大的限制。这种方法在航天领域应用较广。但对PEMFC发电系统的热管理子系统要求较高，因此应用较少。

1.3 碳质吸附储氢技术

碳质吸附储氢技术是根据吸附理论将氢气吸附在碳质上。常用的碳质主要包括活性碳、碳纳米管和碳纳米纤维等具有高比表面积的材料。碳质吸附储氢的优点是储存效率高、储存容器自重轻、解吸快、安全可靠、可重复使用和压力适中等，但储氢介质成本很高。尽管如此，碳质吸附储氢技术有望成为未来燃料电池系统中储氢的有效方法。

1.4 玻璃微球储氢技术

玻璃微球储氢技术是利用空心玻璃微球在较高温度(300℃～400℃)下具有多孔性的特点，在高压条件下将加热至200℃～300℃的氢气扩散进入空心玻璃球内，然后等压冷却使氢有效地储存于空心微球中。这种储氢技术具有很好的重复利用性。虽然玻璃微球成本较低，但是制备高强度的空心微球并非易事。在使用时需要选择最佳的加热方式，才可将氢气最大限量地释放出来。燃料电池发电系统中的热管理本来就是一个难题，加热300℃～400℃的高温会严重影响燃料电池堆的反应性能。故目前应用较少。

1.5 金属氢化物储氢技术

这项储氢技术是使氢原子进入金属价键结构，形成金属氢化物。金属氢化物在低压下具有较高的储氢能力，但由于金属密度很大，导致氢的质量百分比很小，只有2%～7%。用作金属氢化物的金属或金属化合物的热性能都要比较稳定，能够进行频繁地充放循环，并且不易被二氧化碳、二氧化硫、水蒸气腐蚀。金属氢化物储氢的优势是氢气的容积率较高、易于反复充放、使用也比较安全，但质量效率较低、成本非常高、具有氢不可逆损伤、释放氢气时需要加热等弱点。不适于大规模储存和运输。除非开发出更轻、更便宜的金属材料，这种储氢方式将很难成为燃料电池车的主要储存方式。

1.6 有机化合物储氢技术

这种新型储氢技术是利用可循环液体化学氢载体储氢。其优点是储氢密度高、安全和储运方便，缺点是储氢及释氢均涉及化学反应，需要具备一定条件并消耗一定能量，另外产生的氢因含有杂质气体常常还需要净化。因此不像压缩储氢技术那样简便易行。因此，该技术的商业化大规模使用还有很远的距离。

2.PEMFC发电系统储氢方式选择条件

中小功率或可便携的PEMFC发电系统一般包括电池堆、水管理装置、热管理装置、输出电力调节装置、燃料供应（储存）装置和综合控制系统几部分。其中最核心的就是燃料电池堆，其反应特性决定了整个系统的工作性能，因此各个子系统的设计和选择都必须满足电池堆的反应条件。图1给出了储氢供应系统在PEMFC系统中与其它子系统的关系。PEM电池堆的最佳工作温度一般在60℃～80℃。燃料（氢气和氧气）的供应速度、湿度、压力以及纯度会直接影响电堆的反应速度，氢气的储存量直接关系到整个系统的工作时间和输出功率。因此在选择PEMFC发电系统的氢气储存方式时应当考虑一下几个方面：（1）氢气的储存量应该尽可能大，以保证PEMFC发电系统长时间（或满负荷）工作；（2）氢气的纯度应该尽量高，以免造成电池堆化学反应中毒，降低电堆的工作性能；（3）氢气的压力、速度、湿度要易于检测和控制；（4）具有较高的安全性；（5）储存器的体积和重量要尽可能小，便于移动和提高发电系统的功率密度；（6）释放氢气的条件如加热等不能影响电池堆的反应特性；（7）经济成本低，易于批量生产和推广。

3.结语

通过以上分析，可以看到目前的几种储存氢气技术都存在自身的优缺点。由于材料和技术的限制，大部分储氢技术的实用化还有较长的路要走。压缩储氢的效率高、经济性较好，但重量大；液化储氢能量高，但成本昂贵；金属氢化物储氢体积密度最高，但质量比较大，成本也高；碳质吸附储氢有一定的优越性，但还处于初期的发展阶段。因此，目前还没有一种技术在轻便性、氢气质量、工作温度、可逆循环性和安全性等方面同时满足PEMFC发电系统的要求。比较而言，目前采用压缩储氢的方式相对可行，尽管重量较大，储氢量也不是最大，但在车载PEMFC发电系统中可以通过装氢气重整装置来弥补。

氢的储存技术是制约PEMFC发展和广泛应用的关键性技术之一，如何有效地储氢并在使用时能够方便地释氢，将是该项技术研究的焦点。