一种新型储氢容器
一、前言
随着社会的发展，环境保护问题已经越来越为人们所重视。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经济高速发展的需求，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。
氢可以地球上近于无限的水为原料来制备，其燃烧产物也是水，具有零污染的优点，有望在石油
时代末期成为一种主要的二次能源。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、输技术的应用需求已越来越迫切。
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，价格低月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℃条件下才能释放氢，而且吸收氢十分缓慢；（4）钒、铌、铅等多元素系，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。该储氢方式存在的问题为在大规模应用中如
何提高储氢材料的储氢量和降低材料成本，节约贵重金属。国际能源机构确定的未来新型储素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℃时氢气即可液化。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，
导致液体贮存箱非常庞大。
2.3吸附储氢
C.CarPetis和W.Peschka是首先提出在低温条件下氢气能够在活性炭中吸附储存的两位学者。他们提出可以考虑将低温吸附刘运用到大型氢气储存中，并研究得到了在温度为-195℃和-208℃，压力为0－4．15MPa时，氢在多种活性炭上的吸附等温线：压力为4．2MPa时，氢气在活性炭上的吸附容量分别可以达到6．8wt％和8．2wt％在果等温膨胀到0．2MPa，则吸附容量为4．2wt％和5．2wt％。
在一个最近的研究中，Hynek在27℃和-83℃条件下测试了一系列吸附剂，如活性炭、碳黑、碳气凝胶
以及碳分子筛等。测试结果为：在0－20MPa压力范围内，随着压力的增大，吸附剂的储氢量只有少
量的增加。
目前吸附储氢材料研究的热点是碳纳米材料。由于碳纳米材料中独特的晶格排列结构，其储氢数量大大的高过了传统的吸附储氢材料。碳纳米管产生一些带有斜口形状的层板，层间距为0．337um，而分子氢气的动力学直径为0．289um，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：在常温下，碳纳米管吸氢速度很快，可在3－4个小时内完成，放氢可以在0．5－1小时内就可完成，储氢能力达到了9．9Wt%。但是碳纳米管用作商业储氢材料还有一段距离，批量生产碳纳米管的技术尚不成熟，且价格昂贵，还需在储氢机理、结构控制和化学改性方面做更深人的研究。
2.4压缩储氢
压缩储氢方式是将氢气以气态形式压缩储存于高压容器中，可在常温下使用。目前压缩储氢方式所采用的压力一般不超过35MPa，但”氢动3号”氢燃料电池动力轿车上所安装的储氢罐储氢压力高达70MPa。
三、压缩路方式的优、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，与采用吸附氢气的方式相比，总重量减轻2/3，氢气燃料的充气时间只需7－8分钟。
压缩储氢方式的缺点为能量密度低，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爆破等不安全因素。
为汽车提供动力是氢能的一个重要应用领域。假定（1）轿车的油耗为5升/100公里，续驶里程为
400公里，则需消耗汽油15Kg；（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1所示：
美国能源部制订的储氢材料标准是65Kg/m3（包括储氢淑）和6．5wt％，由表1数据可以看出，压缩储氢方式两项指标均未达到标准。按国内外现有气瓶性能计算，采用北京科泰克科技有限责任公司的CFPIII404－200－20C型铝胆复合气瓶。气瓶质量为64．5Kg，容积为200L，储气压力 《一种新型储氢容器》
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随着社会的发展，环境保护问题已经越来越为人们所重视。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经济高速发展的需求，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。
氢可以地球上近于无限的水为原料来制备，其燃烧产物也是水，具有零污染的优点，有望在石油
时代末期成为一种主要的二次能源。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、输技术的应用需求已越来越迫切。
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，价格低月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℃条件下才能释放氢，而且吸收氢十分缓慢；（4）钒、铌、铅等多元素系，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。该储氢方式存在的问题为在大规模应用中如
何提高储氢材料的储氢量和降低材料成本，节约贵重金属。国际能源机构确定的未来新型储素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℃时氢气即可液化。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，
导致液体贮存箱非常庞大。
2.3吸附储氢
C.CarPetis和W.Peschka是首先提出在低温条件下氢气能够在活性炭中吸附储存的两位学者。他们提出可以考虑将低温吸附刘运用到大型氢气储存中，并研究得到了在温度为-195℃和-208℃，压力为0－4．15MPa时，氢在多种活性炭上的吸附等温线：压力为4．2MPa时，氢气在活性炭上的吸附容量分别可以达到6．8wt％和8．2wt％在果等温膨胀到0．2MPa，则吸附容量为4．2wt％和5．2wt％。
在一个最近的研究中，Hynek在27℃和-83℃条件下测试了一系列吸附剂，如活性炭、碳黑、碳气凝胶
以及碳分子筛等。测试结果为：在0－20MPa压力范围内，随着压力的增大，吸附剂的储氢量只有少
量的增加。
目前吸附储氢材料研究的热点是碳纳米材料。由于碳纳米材料中独特的晶格排列结构，其储氢数量大大的高过了传统的吸附储氢材料。碳纳米管产生一些带有斜口形状的层板，层间距为0．337um，而分子氢气的动力学直径为0．289um，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：在常温下，碳纳米管吸氢速度很快，可在3－4个小时内完成，放氢可以在0．5－1小时内就可完成，储氢能力达到了9．9Wt%。但是碳纳米管用作商业储氢材料还有一段距离，批量生产碳纳米管的技术尚不成熟，且价格昂贵，还需在储氢机理、结构控制和化学改性方面做更深人的研究。
2.4压缩储氢
压缩储氢方式是将氢气以气态形式压缩储存于高压容器中，可在常温下使用。目前压缩储氢方式所采用的压力一般不超过35MPa，但”氢动3号”氢燃料电池动力轿车上所安装的储氢罐储氢压力高达70MPa。
三、压缩路方式的优、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，与采用吸附氢气的方式相比，总重量减轻2/3，氢气燃料的充气时间只需7－8分钟。
压缩储氢方式的缺点为能量密度低，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爆破等不安全因素。
为汽车提供动力是氢能的一个重要应用领域。假定（1）轿车的油耗为5升/100公里，续驶里程为
400公里，则需消耗汽油15Kg；（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1所示：
美国能源部制订的储氢材料标准是65Kg/m3（包括储氢淑）和6．5wt％，由表1数据可以看出，压缩储氢方式两项指标均未达到标准。按国内外现有气瓶性能计算，采用北京科泰克科技有限责任公司的CFPIII404－200－20C型铝胆复合气瓶。气瓶质量为64．5Kg，容积为200L，储气压力 《一种新型储氢容器》
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