一种新型储氢容器

编号：qnlt060

一种新型储氢容器

摘 要：由于传统能源消耗量的迅速增加和环境污染的日趋严重，许多国家开展了新能源的

研究工作，其中的热点之一是氢能。制约氢能大规模应用的一个关键为：寻找一种

安全、经济、高效的储氢介质，解决氢的储、运问题。压缩储氢方式作为目前较为

实用的储氢方式，需要一种安全可靠、储氢容量大的容器。本文提出一种结合压缩

储氢方式和吸附储氢方式的复合容器，能够满足对储氢容量的要求，同时解决在高

压下氢气的渗漏问题。

关键字：复合容器；氢能；压缩储氢；吸附储氢；夹层壳

一、前言

随着社会的发展，环境保护问题已经越来越位人们所重视。酸雨、温室效应、城市热岛

效应等等或初露倪端，或已对人类造成巨大的危害，这些环保问题的产生在很大程度上与人类大量使用化石能源有关。同时，由于能源消耗量的迅猛增加，化石能源将不能满足当前经济高速发展的需要，需要开发新的能源。在我国开发清洁的新能源体系更具有重要意义。

氢是以地球上近于无限的水为原料，其燃烧产物也是水，不会造成环境污染，有望在石

油时代末期成为一种主要的二次能源[1]。氢能技术的发展，已在航天技术中得到了成功的应用。

氢是一种危险，易燃易爆的气体，在使用中必须保证安全，因此，一种安全、高能量密

度（包括体积能量密度和重量能量密度）、低成本、使用寿命长的氢储、输技术就很迫切。

二、目前主要的储氢方式

近年来研究较多的储氢方式有：（1）金属氢化物储氢；（2）液化储氢；（3）吸附储氢；

（4）压缩储氢。

2.1 金属氢化物储氢

氢和氢化金属之间可以进行可逆反应，当外界有热量加给氢化物时，它就分解为氢化

金属并释放出氢气。用来储氢的金属大多是由多种元素构成的合金，目前世界上研究成功的合金大致分为：（1）稀土镧镍，每公斤镧镍合金可储氢153L ；（2）铁钛合金，储氢量大，价格低，可在常温常压下释放氢；（3）镁系合金，是吸氢量最大的元素，但需要在287℃下 才能释放氢，而且吸收氢十分缓慢；（4）钒、铌、锆等多元素系，这些金属本身是稀贵金属，因此只适用于某些特殊场合。

与其它储氢方式相比，金属氢化物储氢具有压力平稳，充氢简单、方便、安全等优点，

单位体积贮氢的密度，是相同温度、压力条件下气态氢的1000倍。储氢合金大规模应用中存在地问题为如何提高储氢材料的储氢量和降低材料成本，节约贵重金属资源。国际能源机构确定的未来新型储氢材料的标准为储氢量应大于5wt%，并且能在温和条件下吸放氢。根据这一标准，目前的储氢合金大多尚不能满足这一性能要求。

2.2 液化储氢

将氢气冷却到－253℃即可液化。液氢储存方式的质量能量密度最大，是一种轻巧紧凑的方式。但氢气液化成本高，能量损失大（氢液化所需能量为液化氢燃烧产热额的30％），且存在蒸发损失。液氢贮存工艺首先用于宇航中，但液体贮存箱非常庞大，需要极好的绝热装置来隔热，才能防止液态氢不会沸腾汽化。

2.3 活性炭吸附储氢

C. Carpetis 和W. Peschka是首先提出氢气能够在低温条件下在活性炭中吸附储存的两位学者，提出可以考虑将低温吸附剂运用到大型氢气储存中，并提出氢气在活性炭中吸附储存的体积密度能够达到液氢的体积密度，得到了在温度为78K 和65K ，压力为0～41.5atm 时，氢在多种活性炭上的吸附等温线。在温度为78K 和65K ，压力为42bar 条件下，氢气在活性炭上的吸附容量分别可以达到68g/Kg和82g/Kg，如果等温膨胀到2bar ，则可分别得到氢气42g/Kg和52g/Kg。在一个最近的研究中，Hynek et al.测试了一系列类似如活性炭、碳黑、碳气凝胶以及碳分子筛等碳吸附剂，测试结果为：在0～200bar 压力范围内，十种测试吸附剂中只有一种能增大储存容量，并且在190K 和300K 时只有少量的增加[2]。

2.4 碳纳米材料储氢

由于纳米碳中独特晶格排列结构，其储氢数量大大的高过了传统的储氢系统。碳纳米管产生一些带有斜口形状的层板，层间距为0.337nm ，而分子氢气的动力学直径为0.289nm ，所以碳纳米管能用来吸附氢气。另外，由于这些层板之间的氢的结合是不牢固的，压力降低时能够通过膨胀来释放氢气。

1998年，清华大学开始了储氢材料领域的研究，试验发现[3]：在常温下，碳纳米管吸氢速度很快，可在3－4个小时内完成， 碳纳米管的放氢速度也很快，在0.5－1小时内就可完成，储氢能力可到9.9wt%。但是碳纳米管离商业化还有一段距离，碳纳米管吸氢机理还不明确，需要继续开发和研究。

2.5 压缩储氢

压缩储氢方式为将氢气以气态形式压缩储存于高压容器中。

三、压缩储氢方式的优、缺点

与金属化合物储氢、液化储氢和吸附储氢方式相比，压缩储氢是一种应用广泛、简便易

行的储氢方式，而且压缩储氢方式成本低，充放气速度快，充放气在常温下就可进行。

丰田FCHV-4型燃料电池车采用4个高压储罐，每个高压储罐的容积为34L ，压力为

25MPa ，重量100Kg 左右，与采用吸藏氢气的方式相比，总重量减轻2/3，氢气燃料的充气时间只需7－8分钟。

但压缩储氢方式的能量密度低。当提高容器内氢气压力时，需要消耗较多的压缩功，而

且存在氢气易泄漏和容器易爆等不安全因素。

假定车用储氢的标准为[3][4]：（1）轿车的油耗为5升/100公里，续驶里程为400公里；

（2）质子交换膜燃料电池的氢气利用率为100％，行驶400公里需要3.54Kg 氢气。采用金属化合物储氢方式，合金的储氢能力为2wt%；吸附储氢方式，碳纳米管的储氢能力按8wt%，碳纳米管的填装比重为0.85；压缩储氢方式，氢气压力为30MPa 。各种储氢方式数据对比

如表一所示：

表一 各种储氢方式的质量、体积比较 常规汽油 液氢 金属储氢合金碳纳米管储氢

压缩储氢 燃料质量（Kg ）氢载体质量储罐质量燃料体积质量密度体积密度(Kg/m343.2 48.6 * 未计算重整系统的质量

** 未计算重整系统的体积

采用CFP Ⅲ404-200-20C 型铝胆复合气瓶，容积为200L ，氢气压力20MPa ，气瓶质量为

64.5Kg ，则质量密度为5.2wt%，体积密度为17.4 Kg/m3。

美国能源部制定的储氢材料标准是65Kg/ m3（包括这个储氢系统）和6.5wt%。这两种

压缩储氢方式均未达到标准，因此需要改变复合容器的结构来提高氢气压力，使其能量密度达到要求。

四、改进型储氢容器

缠绕层夹层壳密封层

图1 改进型复合容器

常规的复合容器为在一个内胆上缠绕纤维制成，内胆主要起密封作用，纤维缠绕层承受绝大部分载荷。当提高氢气压力时，存在氢气渗漏和腐蚀等问题。

夹层板重量轻、刚性好、强度高，如果复合容器的内胆采用夹层板来制造，并在夹层板的芯板中充填进吸附材料，因为氢气被压缩到吸附材料的微孔中，由气态变为固态，就可以大大降低夹层板外表板处的氢气压力，防止氢气泄漏的发生。同时因为复合材料的高耐腐蚀能力和疲劳寿命，大大提高了复合容器的使用寿命。

碳凝胶是一种类似泡沫塑料的物质，特点是具有超细孔，大表面积，并且有一个固态的

基体。这种材料具有纳米晶体结构，试验结果表明，在8.3MPa 的条件下，其储氢量可达

3.7wt%[5]。在夹层板中充填进碳凝胶，结合压缩储氢方式和吸附储氢方式的优点，就可以满足对储氢材料的要求，得到安全、高能量密度的储氢系统。

以表一中数据为例，若要满足体积能量密度大于65Kg/ m3，则压缩氢气的体积须小于50L ，氢气压力高达79MPa 。

经计算，50L 的复合容器，工作压力为80MPa 时，容器质量为50Kg 。质量密度和体积

密度分别为：6.6wt%和65.6Kg/ m3（计算未包括碳凝胶吸附氢的质量），均满足美国能源部对储氢材料的标准。

五、结论

金属化合物储氢和吸附储氢存在充放气速度慢、储氢容量小的缺点，液化储氢需要一套庞大的冷确系统和极好的绝热材料，压缩储氢方式是目前较为可行的储氢方法。通过改进复合容器的结构，提高氢气的压力，就能达到：（1）防止氢气渗漏；（2）提高容器的使用寿命；

（3）提高系统的储氢量，使其能够满足实际使用的要求。

参考文献：

[1] J. F. Stampfer, C. E. Holly, J.F. Shuttle; J. Am. Chem. Soc, 82, 3504(1960).

[2] 马捷，苏秋利. 目前主要的储氢方式及其可行性. 氢气简讯. 2003，2

[3] 毛宗强，徐才录，阎军，魏庚庆，刘凌云，梁吉，万春荣，吴德海. 清华大学超级吸氢

材料－碳纳米管的研究进展

[4] H. Klos, W. Schutz. Technical and Economical Practicability of Carbon Nanostructures

Hydrogen Storage Systems. Hydrogen Energy Progress XII, Proceedings of the 12th world Hydrogen Energy Conference, Buenos Aires, Argentina, 21-26 June, 1998, pp893-898

[5] 詹锋，杜军，蒋利军，黄倬. 储氢技术的研究与开发.