你知不知道氫氣是怎么儲存、運輸和轉(zhuǎn)化的？

　　通過之前的文章我們已經(jīng)了解到氫能的制取和各類應(yīng)用場景,現(xiàn)在我們一同來了解下氫的存儲、運輸和轉(zhuǎn)化。

　　氫氣的存儲

　　通常制得的氫氣，有三種儲存途徑。

　　·一種是將制得的通過壓縮機壓縮，存儲在中低壓壓力等級的儲氫罐，

　　·當制得的氫氣量足夠大時，可以利用現(xiàn)有的地下洞穴或天然氣氣穴存儲，地下儲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，通過低溫液化，儲存到低溫液態(tài)儲氫罐，其儲氫量相比壓縮儲氫要大很多，同等空間的情況下，若壓縮儲氫提供氫儲量100千瓦時（kWh），低溫液態(tài)存儲儲氫量可以達100GWh。

　　對于壓縮氫氣儲氫，壓縮機是儲氫的關(guān)鍵技術(shù)。美國國家可再生能源實驗室（NREL）最近的一項研究表明，因為高壓（如FCEV車載存儲所需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間內(nèi)保持要求的壓強水平。

　　加壓和低溫氫存儲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35MPa）。這使得低溫壓縮儲氫能夠儲存更長的時間。

　　在未來，將氫存儲在金屬氫化物或碳納米結(jié)構(gòu)中是實現(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。

　　氫氣的運輸

　　氫氣的運輸通常根據(jù)儲氫狀態(tài)的不同和運輸量的不同而不同，下圖展示了氫氣的各種運輸方式。

　　氣態(tài)壓縮氫氣

　　通常氣態(tài)氫由卡車(長管拖車)運輸，通常運輸壓力為20-50Mpa。

　　液態(tài)氫

　　由于液態(tài)氫的能量密度高于氣態(tài)氫的能量密度，因此值得在長距離輸送大量氫氣，然而液化過程耗能較多，需要消耗運輸?shù)臍涞哪芰康?0%，相當于每運輸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，因此對所用材料和絕緣有很高的要求。通常，液態(tài)氫運輸適用距離應(yīng)該超過400-1000km，并且運輸溫度應(yīng)該保持在-253°C左右。

　　管道運輸

　　管道運輸可以長距離運輸大量氫氣，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質(zhì)量流量和運輸距離的依賴性。可以看出，每天的運輸量為70噸時，管道運輸是最便宜的運輸方式。液態(tài)氫的運輸?shù)玫交貓?，每日運輸量為10噸，運輸距離超過200公里時，液態(tài)氫的運輸最具優(yōu)勢。每天銷售量低于10噸，拖車運輸氣態(tài)氫是最便宜的。

氫輸送成本與質(zhì)量流量和運輸距離的關(guān)系圖

　　目前，氫氣作為燃料與天然氣相比還沒有足夠規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施。關(guān)鍵問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，需要運輸和配送基礎(chǔ)設(shè)施，將氫氣生產(chǎn)場地與用戶連接起來。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輸就足夠了。在大規(guī)模應(yīng)用的情況下，通過管道基礎(chǔ)設(shè)施進行運輸將是一個繞不開的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因為長期大規(guī)模使用基礎(chǔ)設(shè)備，會帶來很高的成本優(yōu)勢等。

　　除了集中制氫外，如果運輸價格昂對，對于偏遠地區(qū)，可以選擇就地小規(guī)模制氫，避免運輸費用。目前，德國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50bar（通常為1-30bar）。

　　氫氣的轉(zhuǎn)化

　　氫氣作為燃料，主要還是通過氫燃料電池，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程(例如燃氣輪機)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行權(quán)衡。低負載時效率最高，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?？梢酝ㄟ^它們的膜類型和操作溫度來區(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、壓縮機等參數(shù)圖：

　　據(jù)美國能源署（DOE）2013燃料電池技術(shù)市場報告，全球燃料電池市場在2008年至2013年間增長了近400％，僅2013年就增加了170兆瓦的燃料電池容量（圖10）。目前，超過80％的燃料電池用于熱電聯(lián)產(chǎn)，備用電源和遠程電力系統(tǒng)等。

　　盡管燃料電池在過去十年中取得了顯著的發(fā)展，但高投資成本和相對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，并且成本可以通過大規(guī)模生產(chǎn)顯著降低。根據(jù)美國能源部（USDOE，2012；與美國能源部的個人聯(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)計會下降得更慢，這主要是由于注重更高的效率和更長的使用壽命。對于中型燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)，美國能源部在2020年內(nèi)設(shè)定的目標成本為每千瓦1500美元至2000美元。