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氢气储存、运输、供应难题的解决方案

燃料电池作为一种清洁高效的能源利用技术，广泛应用于汽车、船舶、飞机等领域。然而，燃料电池技术中燃料氢气的储存、运输和供应这一难题严重影响了这项技术的商业化进程。下面将从氢气的储存、运输和供应三方面分别提出解决方案。

一、氢气的储存

储氢技术是燃料电池利用氢能的基础。储氢技术按照储存原理分为物理储氢和化学储氢两大类。物理储氢技术主要有高压气态储氢、低温液态储氢和高压液态储氢。化学储氢有固态储氢（金属氢化物储氢）和有机液体储氢。

高压气态储氢技术是最常见的一种储氢技术，通过将氢气高压压缩的方式，以高密度气态形式，储存在大体积、质量重的气瓶中，具有简便易行、能耗低、成本较低、充放氢速度快等特点，在常温下就可以进行放氢，零下几十度低温环境也能正常工作，是发展最成熟的储氢技术。

目前高压气态储氢容器主要分为Ⅰ型纯钢制金属瓶、Ⅱ型钢制内胆纤维缠绕瓶、Ⅲ型铝内胆纤维缠绕瓶和Ⅳ型铝合金内胆纤维缠绕瓶四类。Ⅲ型和Ⅳ型瓶由内胆碳纤维强化树脂层及玻璃纤维强化树脂层组成，重量明显减轻，提高了质量储氢密度，几乎无氢脆问题。70MPa高压储氢罐的质量储氢密度可以达到5.7%，已经用于商业燃料电池汽车。高压气态储氢是目前较为成熟的车载储氢技术，但是其体积储氢密度很小。

液态储氢技术是利用氢气被液化后，体积密度为气态时845倍的这一特点，将纯氢冷却到20K，使之液化后装到“低温储罐”中储存，从而高效运输氢气。为了减少蒸发损失，储罐做成真空绝热的双层不锈钢容器，两层壁之间除保持真空外，还放置薄铝箔以防辐射。

该技术储氢密度大，对用于移动的燃料电池而言，具有很好的应用前景。由于氢液化困难，导致液化成本较高。液氢通常被使用在航天飞机上，近几年也在研发相关技术，向工业方面发展，目前低温液态储氢已经用于车载系统。在商业化低温液态储氢上还需解决的问题是低温液态储氢既需要保证保温性能，又需要具备轻量化与高储氢密度特点的合适容器。

氢气以固态形式储存的技术称之为固态储氢技术。固态储氢材料在同等体积下可储存的氢气是液态储氢的两倍以上，而且储存压力低，安全性好，是一种理想的储氢介质。

近年来，国际上在固态储氢应用和新型储氢材料的研发方面取得了诸多进展。成熟的储氢材料已在热电联供、储能、摩托车载燃料电池等多个领域得到应用。该技术目前面临的问题有成熟体系的储氢材料重量储氢率偏低和储氢材料成本偏高。

有机液体储氢是利用不饱和有机液体的加氢和脱氢反应来实现储氢。常用储氢的有机液体包括苯、甲苯、吡啶等，具有储氢密度大、储存和远程运输安全、设备保养容易、成本低、可循环多次使用的优点，且反应高度可逆。

目前有机液体储氢技术的理论质量储氢密度已接近7.5%。然而，有机液体储氢需要继续解决以下问题:开发相应的加氢、脱氢装置，降低成本;设计低熔点高沸点和低脱氢温度的储氢介质;选择低能耗、高活性、高选择性和稳定性好的脱氢催化剂；提高低温下有机液体储氢介质的脱氢速率与效率。

二、氢气的运输

目前常见的氢气运输方式有气态长管拖车运输、液氢槽车运输和管道运输这三种。

气态长管拖车储运氢气是目前最常见且技术最为成熟的运输方式，但气态运输也决定了其运输量少、不适宜长距离运输的缺点。

液氢槽车运输一般用于氢气运输量较大、运输距离较远的情况，可以减少车辆运输的频次，提高加氢站的供应能力。但液氢槽车运输成本较高，且对储氢容器的绝热要求很高，在运输过程还可能发生液氢蒸发以及超低温液氢泄漏，对人体造成伤害，对环境造成破坏。

管道运输氢气在大规模、长距离条件下具有长管拖车运输、液氢槽车运输无法比拟的经济性，是解决氢能规模化低成本运输难题的首要选择。氢气的运输管道应尽量使用含碳量低的材料来制造，并加强维护，减少因氢脆现象导致的氢气损失。

三、氢气的供应

燃料电池的燃料供应系统主要有三种，分别是直排流通模式、死端模式和再循环模式。

直排流通模式是最简单的氢气供应系统模式。氢气持续地从电堆阳极流入，一部分氢气参与化学反应被消耗，而另一部分氢气从阳极出口直接排入外界环境。直排流通模式没有循环组件，系统简单、成本低，但是未完全反应的氢气直接排放存在安全隐患且电池效率较低，且电池效率较低，且需要额外的加湿系统来保持膜水分平衡，防止出现干膜现象。

死端模式是一种典型的氢气供应系统模式。通过在阳极出口设置常闭吹扫电磁阀，延长氢气停留时间，从而提高氢气利用效率。在死端模式下，空气中的氮气等杂质气体和反应生成的液态水通过质子交换膜扩散到阳极，造成杂质气体和液态水在阳极积聚，堵塞气体通道，导致氢气不能有效与催化剂层接触，从而造成电池电压下降。因此，需要定期进行吹扫，将杂质气体和液态水及时排出，来提高电池性能。

氢燃料电池运行时，为了提高电池性能通常向阳极供应过量的氢气，氢气实际流量约为理论流量的1.1