论氢的存储方法
作者：曾学韬武汉理工大学理学院物理系
摘要：
本文就如何储存氢气展开讨论，探讨了氢的三种储存方法，并着重对介质储氢展开分析，最后简略讨论了各种储氢方法的优劣和适用范围。

正文：
当今世界，能源短缺所造成的能源危机已成为人类面临的主要问题之一。

石油资源将会在一代人的时间内枯竭。

它的蕴藏量不是无限的，容易开采和利用的储量已经不多，剩余储量的开发难度越来越大，到一定限度就会失去继续开采的价值。

在世界能源消费以石油为主导的条件下，如果能源消费结构不改变，就会发生能源危机。

煤炭资源虽比石油多，但也不是取之不尽的。

代替石油的其他能源资源，除了煤炭之外，能够大规模利用的还很少。

太阳能虽然用之不竭，但代价太高，并且在一代人的时间里不可能迅速发展和广泛使用。

因此，人类必须估计到，非再生矿物能源资源枯竭可能带来的危机，从而将注意力转移到新的能源结构上，尽早探索、研究开发利用新能源。

否则，就可能因为向大自然索取过多而造成严重的后果，以至使人类自身的生存受到威胁。

氢能源作为一种众所周知的新能源，具有燃烧清洁，能量密度高，制取方式多等诸多优势，在新能源里属于极具开发潜力的一种能源。

目前，氢的制取技术正在快速发展之中，人们正在努力寻找高效率的催化剂，使得能够通过利用太阳光分解水来制取氢气。

因此，在可预见的未来，氢气必将能够被大规模生产，运输和利用。

但与此同时，我们将会面临一个新的问题，那就是如何大规模，高密度，长时间，安全地存储这些氢气。

目前，技术上最成熟，使用范围最广，也是最简单的存储氢气的方式有两种，一种是压缩气方式，另一种则是液化方式。

压缩方式是指将氢气以气态的形式压入钢瓶中实现存储。

这种方法的优点是技术要求低，无存储时间限制，对氢气的纯度也没有要求，相比于液化方式存储，压缩气方式可以实现常温存储。

压缩方式存储氢，存储密度由存储压力直接决定。

目前用于压缩氢气存储的钢瓶已经可以承受最高800倍大气压，在这个压力下，氢气的存储密度可达33kg/m3。

但是，这种方法有其不可避免的缺陷，那就是氢脆现象。

由于氢分子的分子量极小，因此在极高的气压下，氢气会溶解于钢中，并形成氢分子，造成应力集中，超过刚的强度极限，在钢的内部形成细小裂纹，又称白点。

氢脆现象只能预防，一旦发生就不可消除，这使得储氢罐的安全性大为降低。

而且，由实际气体的特性可知，同等体积下，当气压较高时，气体的摩尔体积比将偏离理想气体定律而出现明显下降，氢气的存储密度将很难再提高。

因此，压缩气方式只适合短时间，小规模地存储氢气。

液化方式储氢则很好地解决了压缩气方式存储密度低，存储压力高的缺点。

在低于-253℃的临界温度下，氢气可以在常压下液化为白色液体，其密度将高达71kg/m3，其同时具备了低存储压力和高存储密度的
特点，很适合大规模储氢。

但是该方法对温度要求较高，存储温度必须低于-253℃，否则无
论多大的气压也无法使氢气液化。

而且，液态的氢在存储过程中，必须始终保持低温。

一旦温度高于临界温度，氢就会迅速汽化，在瞬间对容器产生极大的压力，极易发生爆炸。

因此，液化方式储氢虽然适合大规模储氢，但是要想长时间存储，在制冷方面所付出的成本是非常高的。

前面谈到的两种储氢方法，虽然技术难度较低，普及面广，但是都有其难以逾越的缺点，无法同时满足未来大规模，高密度，长时间且安全的储氢要求。

因此，人们迫切需要一种新的方法储存氢气。

于是，以固体或液体吸附氢气的介质储氢法应运而生。

我认为，这种方式
可以同时满足未来储氢所提出的所有要求，将成为未来储氢的主流方式。

所谓介质法储氢，是指通过某种方式，使氢分子或者氢原子吸附在其它介质表面，或容纳在其它介质的分子空隙中(这个过程称作氢的固化)以实现储存氢的方法。

这种方法的思路是：通过其他介质原子对氢的吸引力(吸附式)或阻隔作用(容纳式)，将氢原子固定，同时减小氢分子间的距离，以实现稳定，高密度地储氢。

这种方法若要实现，则必须能寻找到吸附能力或容纳能力强的介质，以及使用合适的方法使氢最大化地被吸收。

下面我将依据这两点展开讨论。

氢的吸收方法上，大体分为物理方法和化学方法两种。

物理方法即以高压将氢压入介质表面或介质内部。

这种方法所用到的介质主要为碳纳米管，因为它具有较大的表面积和独特的空腔结构，无论是吸附性还是容纳性都很不错。

有实验表明，将氢气和碳纳米管置于500托尔（约合6.5个大气压）和常温之中，碳纳米管中氢的质量分数可以达到6.5%。

典型状态下，其氢的质量分数为5%，存储密度为132.4kg/m3。

可以看到，该存储密度已达到液态氢的两倍，因此此种储氢方法可以大为缩小储存体积。

事实上，碳纳米管的吸附能力还有很大的改进空间。

将金属有机骨架材料作为参杂物质加入碳纳米管中，可以有效改进碳纳米管的吸附能力。

例如，将MOF5与单壁碳纳米管SWNT混合，其在77K低温常压下，单个分子所吸收的氢分子数可以从7个增长到平均203.26个，存储密度可以大为提高。

此外，采用碳纳米管储氢还具有储存和释放速度快的优势，很适合需要快速存取且存量大的氢气存储场合。

化学方法即使氢气与存储介质发生化学反应，使氢气以氢化物的形式被存储。

其中，存储介质可以是金属或非金属，也可以是复杂的络合物。

这里，我将以发展最为成熟的金属介质储氢为例来探讨化学方法储氢。

要想用于储存氢气，这种介质对应的氢化物必须至少能反复形成和分解，且反应条件不能过于苛刻。

从元素周期表上来看，这种氢化物种类非常多，比如MgH2，LiH2，LiAlH4等等。

但综合考虑稳定性，反应条件及存储密度后，最合适的氢化物却不多。

这里面有比较复杂的Mg2FeH6，LiBH4，也有简单的MgH2，它们的储氢密度均比碳纳米管储氢密度高。

以Mg2FeH6为例，其氢的质量分数约为5%，存储密度可达150kg/m3。

谈了这么多储存氢气的方法，我们来实际地做一个计算。

若要存储4kg氢气，用压缩气方式，在200倍大气压的存储压力下，存储体积约为110升，将氢液化，其体积减少至57升。

以碳纳米管为介质将氢气吸收后，存储体积进一步降至30升，而采用镁和铁为介质，将氢转化为Mg2FeH6后，存储体积仅剩26升。

可见，介质法储氢可以有效降低氢的存储体积。

而且，氢以分子或原子形式存在于其他介质中，其稳定性也更高。

所以，除了存取速度比前两种方式慢以外，其余方面介质法储氢都具有很大的优势。

通过对三种氢气的存储方式进行探讨后，我们可以得出结论。

压缩气方式适合小规模，短时间的储氢，例如小型的氢动力汽车，氢气焊等，这种方法技术难度低，存储成本小，存取速度最快；液化方式储氢适合中规模，短时间，对存取速度有一定要求的储氢场合，例如远洋运输氢气，这种方法的存储压力小，存取速度较快，但是其对低温的要求使得存储成本和技术难度较高。

最后一种方法，即介质法储氢，适合大规模，长时间，对存取速度要求不高的储氢场合，例如氢气生产基地，氢气存储站等。

这种方法的最大优势就是高存储密度和高稳定性，且技术难度也较低。

氢的存储技术在氢能源利用中占据着重要的地位，而且氢的化学属性决定了它的存储是有一定难度的。

不过，我们可以看到，人们对氢的存储方法的研究已经开展地非常深入，无论是物理学家还是化学家都在想尽办法提高氢的存储密度和安全性。

因此，我们有理由相信，在可预见的未来，氢的存储一定能实现规模化，多元化以及高安全性，到时候氢能源将因此成为一种能用于各种场合的清洁能源。

附：
参考文献：
The Hydrogen Economy [OL]
Hydrogen Storage [OL]
Prof. Andreas Züttel. Hydrogen storage materials [R] University of Fribourg. Switzerland ,16 December 2004
聂跃光.实际气体状态方程的讨论[J]川北教育学院院刊
钟旭峰.碳纳米管掺入MOF-5储氢性能的研究[D]北京化工大学，2009年。