程寒松：氢储运技术及其应用

5月19日至21日，“第八届中国国际储能大会”在深圳隆重召开， 来自中国、美国、德国、英国、加拿大、西班牙、日本、韩国、澳大利亚等国和地区1500余位政府机构、科研院所、行业组织、电力公司、新能源项目单位、系统集成商等代表出席本次大会。

中国氢能产业技术创新与应用联盟理事长程寒松在氢能与燃料电池专场，以“氢储运技术及其应用”为题，发表了精彩演讲。

演讲内容如下：

程寒松：氢能经济有四个主要的挑战，现在大家都很清楚，一是要有足够的氢。二是要非常有效的把氢进行储存和运输。三是需要廉价、高效、长寿命的燃料电池。四是有相应的基础设施。想把这个东西做长，这四者缺一不可。过去的一二十年里，特别是过去十年里，中国在氢能方面有特别大的发展。从今天的情况来看，丰富的氢的来源不再是一个问题，同时大量的燃料电池现在也在市场上，价格越来越低。我知道中国现在燃料电池公司的数量远高于其他国家燃料电池的总和都有可能，非常多的燃料电池公司，这是个好事也是个坏事。这两个挑战基本上可以应对。真正的挑战是氢的储存和运输，还有相应的基础设施，我们知道基础设施相当昂贵。我们可以看到储氢和运氢是制约产氢和用氢的瓶颈。瓶颈的解决方式，目前国际上的主流方式，以欧美和丰田为代表，700个大气压的高压储存罐放在车里面，你的加氢站的压力900个大气压，在中国目前的标准是加氢站450个大气压，在车上350个大气压。这里面除了成本以外，还有安全性的问题。目前大家都是比较了解的。同时对它的大规模推广是很大的制约。还有两种其他的方式，深冷液化和吸附技术，如果把氢不是用高压，而是冷冻到负的253度变成液体，是一种方式。还有找吸附材料，用吸附技术把氢有效的吸附起来，海绵吸水式的吸附起来，也可以把氢进行储存和运输。

下面我想关于这些技术做一些简单的介绍，首先我想谈谈压缩气体的储存和运输，氢的来源可以是从传统的化石能源，也可以用再生能源电解水产生。你将这些氢纯化以后压缩到20MPa，放到长管里面，放到长管里面还是有些挑战的。我和德国林德气体公司做了仔细的讨论，林德说用这种方式很难得把它量化，因为每个罐子要罐7、8个小时，量大了，每个罐子很贵。我曾经想租一个长罐，一天一千元。所以它是很难得大量做，这也是非常有挑战性的问题。放到长罐车里，用卡车拉到加氢站，进行增压，增压到45MPa或者70MPa，目前是这样的过程。这是目前相对比较成熟的技术。

另外是用深冷液化的方式，气的来源是一样的，可以用化石能源和可再生能源，纯化以后进行压缩和液化，压缩液化以后要把液体用槽车拉到加氢站，槽车拉的氢的量是5倍于20MPa压缩空气的容量，所以它很大，对储存很好。但是它有一个问题，这个储存的氢气也要保持在这么低的温度下，长时间很难做到，它也有一定的困难。但是总的来说，这个技术是很成熟的，到加氢站，用液气泵压缩，也可以储存，但是储存时间不能太长。这个相对高压氢还是大一些。这个技术也是相对成熟，有些商业化的应用。

我今天主要是想以氢的吸附的方式来把氢进行储存和运输，你要有一个材料，这个材料能够把氢有很好的表面积和很高的孔径把氢进行吸附。可以选择性的把氢吸附上去，吸附以后压力小了，温度可以接近常温，这是吸附最大的好处。吸附的方式可以通过变压吸附或者变温吸附，可以进行吸附、脱附，这是很成熟的技术。关键就是材料，有相应的材料做吸附剂。绝大部分情况下，低温的时候可以吸附量很高，但是温度高了以后吸附量就变低。尤其物理吸附，有些物理吸附的量很低，有两种吸附，一是物理吸附，二是化学吸。通常物理吸附是相对比较弱，化学吸附就太强。弱吸附的直接后果是吸附量太小，强吸附是吸附上去脱不下来，这都是非常重要的问题。

我们希望找到一些材料，这些材料是非常强的物理吸附或者非常弱的化学吸附，这是材料科学里面在过去一二十年里面非常活跃的领域。今天我想大致介绍一下这些储氢材料有哪些类。

储氢材料要什么特征?一是化学性稳定，不能老变，老变不能多次用，整个成本上去。二是容量要高，高到可以跟高压氢或者深冷液化比。三是高度可逆，不可逆，用一次，那整个再生的过程就挺麻烦，经济性都是有一定的问题。所以我今天主要是讲可逆吸附的问题。四是长寿命。五是成本低，方便使用。六是安全。这几个性质都是非常重要的。

物理吸附，在过去20来年里，人们找到成千上万的材料，比如最多的金属有机骨架的结构，目前已经有几百种不同的材料，全世界很多的研究机构都在做这类的材料，我们可以看到这些材料有很大的孔径，有非常高的表面积，这样也许可以让氢能够吸附上去。除了这个以外，还有其他的高分子材料、碳的材料，比方说我们看到石墨烯、石墨，这是大家都讨论过的，包括碳纳米管这样的碳材料。所有这些材料都有一个共同的特点，它在液氮的温度下，比如77K，有的吸附量很高，可以高于百分之十几，远远超过美国能源部规定的技术指标。但是一旦到了常温下，吸附量都是远低于1%。原因是吸附太弱，非常弱的物理吸附。这些材料是高度可逆，长寿命，非常安全，但是弱物理吸附导致常温的吸附量小于1，所以对很多应用来说没有实际意义。

比如金属氢化物，包括氢化镁、氯化镁，现在在座的有些企业家就是做这类材料的。这类材料从文献上可以看到大量这类材料，可以成吨、成吨的做，这些材料可以变成氢化物。变成氢化物的过程有的很复杂，对于氢化镁我非常熟悉的，很复杂，制造工艺上来说成本很高。对同样量的氢，如果用20MPa，你要用很大的桶。如果把深冷液化小一点，如果用金属合金，比如说镍类合金，可以看到它比液态氢密度还要高，还有一些化学氢化物的密度更高了。对于金属来说，在把氢加上去的过程中是放热过程，有些放热非常高。在脱氢的过程是吸热过程，这就导致了脱放氢过程中变得很复杂，比如氢化镁，如果真的要脱氢要450度以上才可以真正脱氢，所以还是非常困难的。

总结，对这类材料储氢量高的时候可逆性差，储氢量低的时候可逆性比较好。我们知道今天有一类合金，比如钛铁合金是非常可逆的，它可用的储氢量是1.4左右，相对来说是很低的，而且这个材料目前还是比较贵。这是对于金属氢化物合金的情况。

有些化学氢化物的密度远高于各种各样的技术要求，但是可逆性就很差，只有部分氢可以释放出来。甲醇重整，这是非常成熟的化学过程，甲醇和水在高温下进行反应，产生3个氢加二氧化碳，里面可能还有一氧化碳产生，一氧化碳的产生会导致催化剂中毒，所以在甲醇的重整，尽管也有应用，但是这个应用从今天来看，用于氢燃料电池还是有相当大的困难。还有一些金属、氮氢体系，比如锂氮氢(音)也有很高的储蓄量。锂氮氢也有这种问题，但是这种材料比较怕水。所有这些材料都有自己的优缺点，但是这类材料有一个很大的弱点，就是可逆性比较差。通常是一次性使用，它就要再生非常困难。

我今天主要想讲有机液体储氢，这是我本人做得最多的体系。我们知道有机液体储氢是比较简单的过程，我们知道日本Chiyoda公司用甲苯和氢气反应，变成甲基环己烷，这是非常经典的化工过程，但是这个材料有很大的缺点。氢放上去很容易，而且是液体，我们知道甲苯和甲基环己烷常温情况都是液体，氢放上去，这个过程是放热的过程，但是是很强的化学吸附。导致氢脱附很困难，一般脱附要400多度。这两个分子在100度左右开始气化，所以里面气体就非常不纯。Chiyoda公司用这样的方式把澳洲、非洲的氢用液化的方式运回日本，他拿回去发电，不在乎氢的纯度。

还有德国的一个公司，这个材料是一个有机芳香的化合物，和氢气发生反应，从烯烃变成环烷烃的结构，这个过程也是可逆的。这个分子也有一个问题，它的化学吸附是很强的，导致了它的温度要到320度，还要用铂做催化剂。这个公司已经把它来用氢的储存和运输。

氢阳能源有限公司想做的，起源最先是我在美国公司期间做的，回国以后我们做了大量新的研究和新的材料的设计和制备，我们找到一类材料，这类材料就把它称之为储油。这个材料是不饱和芳香轴化合物(音)，和氢气反应，变成另外一类新的化合物，常温常压下这两个都是液体，它的好处是脱附温度是200度，比较低，是弱化学吸附。常温常压下是液体，高度的稳定。你把这些材料暴露在空气中两个月，基本不挥发。同时点火烧，烧不着，但是燃点150度，远高于柴油和汽油，非常安全。高度可逆，产生的氢气纯度99.99以上，吸附量也很高，5.5-6，我们知道一般的合金可用的大概就是1.2-1.4。

我们知道用高压氢，在700MPa，每升大概含39克氢，你如果是冷冻到负的253度，每升含70克氢，这个常温常压含60克氢，密度很高。这个有很大的优势，液体有机储氢材料有很大的优势，因为它跟现在的基础设施完全匹配，我们可能知道现在有没有石油，我们就有一个制造储油的基地来专门制造材料，我们有炼油厂，就可以把石油拿到炼油厂里面变成汽油，用氢就可以把储油拉到化工厂里面变成氢油，在炼油厂里面炼好的汽油用槽车拉到加油站，用同样的槽车把练好的氢油拉到加氢站，把氢释放出来的储油又用同样的槽车拉回化工厂，重新变成氢油，用这样的方式可以做到完全的循环，和现有基础设施完全匹配。这个技术最大的优势和现有技术完全匹配，基本上不需要建新的加氢站，成本就会比较低。它的安全性能非常好，远好于高压性和液体性。适合长期储存和运输，你可以把这些材料放几年，作为储存也没有问题。这是它很大的优点。

在储能上做比较，1万度电，10MWH的储能，你可以用高山蓄水的方式储，你要33000立方米的水抽到100米以上才可以，压缩空气要20Bar 5500立方米的空气。锂电池是40吨以上，如果用液体有机，常温常压要4吨多的液体就可以，跟深冷液化得到的液氢密度差不多，所以它的能量密度是相当高的。这就是非常好的储能手段，可以把不能上网的可再生能源用这种方式，用氢油的方式储存起来，运到需要的地方去。事实上我们目前的氢阳能源公司已经开始做一些中等规模的示范，跟南方电网、中船重工，我们和他们合作，把不能上网的电，南方电网是水电，我们把它变成氢油，在车上用起来，通过电解水产生氢气，通过这套装置，这套装置在昆明，一个电解水的装置再加上做氢油的装置。装置大概看上去就是这样子，把储油和氢气在罐子上混合好以后下来就是氢油，非常简单的化学过程。

用这种方式可以来制氢，这是我们给中船重工做的做氢油的装置。做好以后把储能变成氢油，用塑料桶或者铁桶来运氢，这样运输成本会大大降低。也可以用槽车来做，一般说来30吨的槽车所含的氢量大于4个这样的长管车含的氢量，从运输成本来说可以大大降低，用管道输送。电解水的装置是为南方电网正在做的，我们现在正在做比这个大一百倍的做氢油的装置，有效把不能上网的水电变成氢油。加氢站，这里大概是10立方米，它能够含600公斤氢气，我们可以看到整个泵和普通的加油站差不多，有两个泵，一个泵是往车里面加氢油，另外一个泵是往车里面把放完氢的储油再抽出来的。所以有两个泵，跟目前的加油站唯一不一样的地方。整个加氢站的成本不到30万人民币，只是高压氢的零头，成本上来说很有优势，它非常安全，跟加汽油一样的加法。通过这样的方式做了几辆车，大家的体验还是不错的。欢迎各位方便的时候到武汉试乘一下这个车。

总结，我们从各种各样的储氢方式可以做一个比较。这是我从文献下载的PPT。金属储氢或者合金储氢，可逆的储氢，一般说不会高于3%，它的储氢量不会高于3%，用35和70MPa，在红的范围，它的体积密度和重量密度相对高一点。液氢在蓝色的部分更高一点，有机液体储氢比这个都要高，从这个意义来说是很有发展前途的一个方向。我们现在正和林德公司合作，发现现在正在推广的有三类储运方式，第一类储运方式是完全可逆的，液氢模式，这个量可以稍微大一点，但是储存时间不能太长。二是气体储氢，压缩空气储氢，他认为目前的量不能太大。如果说你的运输半径高于50公里，就有成本问题。三是有机液体储氢，我们正在和林德公司合作，希望在宁波做一个示范项目来做这个事。

最后我想谈谈氢阳能源最近的发展项目。我们正在做环评、安评在湖北的宜都，建年产一百万吨储油的工厂。同时也在湖北宜都做年产万吨的催化剂。在湖北枝江年产2万吨氢油。目前我们和中国化工部第四设计院结成战略联盟，很多工艺工程由他们帮我们做。同时，我们也承接一些中型的储运项目，这个项目目前正在和林德公司讨论，每天将5-10吨氢气运送至20家工业用户。在武汉建MW级的热电联供系统，现在正在筹备。我们和湖北三环专汽有生产100台燃料电池轻卡的项目。我们目前想把这个技术推广到船和火车上，轨道交通里面，这是前不久和维京邮轮交流，一个是内河邮轮，一个是海运邮轮，海运邮轮装20MW的燃料电池、电堆，内河的邮轮是6MW的燃料电池、电堆，现在用1MW的示范系统作为商业考察的模型，希望把它复制到大型的用电装置上去。

感谢各位的聆听。谢谢!