氫能是大規模儲存可再生能源的重要途徑。氫適合各種規模的儲能，在儲存過(guò)程中無(wú)能量損失，可跨季度儲存。例如，可以在風(fēng)電資源豐富的時(shí)候，將剩余風(fēng)電轉化為氫儲存起來(lái)，等到枯風(fēng)期使用，這樣可以實(shí)現全年的可再生能源供電。風(fēng)電轉變?yōu)闅浜?，還有另外一個(gè)優(yōu)勢，就是終端利用靈活，氫既可以作為化工原料和工業(yè)氣體，還可用于分布式發(fā)電和燃料電池汽車(chē)的氫源，還可直接摻入天然氣管網(wǎng)作為居民燃氣等。從這個(gè)角度說(shuō)，氫能作為二次能源，可以成為連接化石能源和可再生能源的橋梁，將熱力網(wǎng)、電力網(wǎng)和燃料供應網(wǎng)連于一體，使化石能源應用更清潔，使可再生能源應用更高效。
制氫方法
目前，比較成熟的制氫方法有堿性電解水、水煤氣和重整制氫等方法。與此同時(shí)，新型電解水制氫方法正在研發(fā)當中，如固體聚合物電解質(zhì)電解水制氫技術(shù)(簡(jiǎn)稱(chēng)SPE)和固體氧化物電解水制氫技術(shù)(簡(jiǎn)稱(chēng)SOEC)。SPE技術(shù)可以實(shí)現純水的電解，其功率波動(dòng)適應范圍廣，能效比堿性電解水高。但電解水制氫首先需將其他能源轉換為電能，然后再制氫，多了一次能量轉換環(huán)節，因而其總的能量轉換效率偏低。理想的方法是直接從太陽(yáng)能出發(fā)，直接熱分解水制氫，或直接光分解水制氫，其總效能會(huì )更高。從生物質(zhì)出發(fā)，發(fā)展生物質(zhì)氣化制氫、微生物制氫也是比較有前途的制氫方法。
直接熱分解水制氫，須達3000℃的高溫，溫度太高，因而目前一般采用熱化學(xué)制氫，降低對溫度的要求。碘硫法熱化學(xué)制氫是一種新型的制氫方法，它可以與適當熱源耦合，制取氫氣。例如，清華大學(xué)利用高溫氣冷堆的副產(chǎn)品熱能直接制氫，目前的制氫能力達到1m³/h。同樣，這樣的熱源也可以來(lái)自聚焦的太陽(yáng)能。但是這項技術(shù)最大的難點(diǎn)在于反應過(guò)程的穩定控制，同時(shí)硫酸和碘具有強腐蝕性，對容器、管道和閥件材料的耐蝕性要求非常高。
光催化分解水制氫是利用光對催化劑的作用，將電子從價(jià)帶躍遷到導帶，產(chǎn)生電子空穴對，水在這種電子空穴對的作用下發(fā)生電離，氫氧根成為氧氣的來(lái)源，氫離子得到電子，還原成氫，實(shí)現了氫氣的制備。但電子和空穴對在遷移過(guò)程中會(huì )部分復合，同時(shí)氫和氧也會(huì )在催化劑表面部分復合，從而降低制氫的效率。我們目前的技術(shù)就是在增加光的吸收，減少電子和空穴對復合及氫氧的復合上取得進(jìn)展，獲得了整體效率的提高。目前，這項技術(shù)的光-氫轉化效率可以達到6%，按照美國能源部轉化率達到10%即具有工業(yè)價(jià)值的說(shuō)法，這項技術(shù)還是很有發(fā)展前景的。
儲氫
氫能系統包含制氫、儲氫和氫能應用三個(gè)環(huán)節，其中儲氫技術(shù)依然是目前整個(gè)氫能發(fā)展中的瓶頸。例如，滿(mǎn)足一個(gè)中型燃料電池轎車(chē)500公里的運行需求，約需6公斤氫作為燃料，在標準狀態(tài)下，這些氫氣的體積與車(chē)身的體積相當。由于體積過(guò)大，不能滿(mǎn)足應用，因此需提高氫的儲存密度。理想的儲氫方式不僅要求高儲氫密度，而且要求快速吸/放氫，在3~5分鐘內完成車(chē)載充氫。同時(shí)還要求使用壽命長(cháng)、安全性能好、價(jià)格成本低。
儲氫有三種方式：高壓儲氫、液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫。目前，70兆帕下的高壓儲氫技術(shù)已經(jīng)在燃料電池汽車(chē)中廣泛使用，但這只是氫能商業(yè)化進(jìn)程中的一個(gè)過(guò)渡性技術(shù)。液氫已在航天技術(shù)中成功使用，它可以同時(shí)滿(mǎn)足重量和體積儲氫密度的要求，但問(wèn)題在于氫液化過(guò)程約耗費氫自身攜帶能量的30%，同時(shí)存在液氫蒸發(fā)的安全隱患。固態(tài)儲氫的體積儲氫密度最高，約合150㎏/m³，但目前其重量?jì)涿芏绕?、儲罐過(guò)重給直接上車(chē)帶來(lái)困難。目前高壓車(chē)載儲氫技術(shù)已能滿(mǎn)足燃料電池汽車(chē)行駛500公里的要求，但仍需降低成本，提高儲氫密度。
我國儲氫技術(shù)發(fā)展
從整體來(lái)看，我國儲氫技術(shù)的發(fā)展還有很長(cháng)的路要走。輕質(zhì)是車(chē)載移動(dòng)儲氫的前提，我國目前以鋰鎂氮氫氨基化合物為儲氫材料，開(kāi)發(fā)出輕質(zhì)且高容量的儲氫罐，與國際同類(lèi)型儲氫罐相比，具有一定優(yōu)勢。作為固定式應用，加氫站對儲氫罐重量的要求相對較低，固態(tài)儲氫用于此處較為適宜。從美國加氫站的情況來(lái)看，采用高壓式加氫技術(shù)，壓縮機的故障率最高。為此，我們研制出一種新型加氫站用固態(tài)高壓混合儲氫罐，集靜態(tài)壓縮和高密度儲氫于一身，通過(guò)低品位熱源的作用，可使其持續保持45MPa的高壓，為35MPa氫罐充氫，從而減少壓縮機的開(kāi)啟頻率，降低壓縮機的故障率;當室溫儲存時(shí)，罐內氫壓降低從而提高了儲罐的安全性;此外，罐內儲氫密度比同等體積的高壓罐高一倍，因而可以減少加氫站的占地面積，縮短加氫站的安全距離。固態(tài)儲氫在燃料電池分布式發(fā)電、備用電源用儲氫裝置、非穩定風(fēng)/氫轉化用儲氫和太陽(yáng)能集熱/氫化物儲熱中均有一定應用。
燃料電池是氫能應用的一種重要方式
來(lái)自環(huán)境污染和能源緊缺的壓力，倒逼兩個(gè)轉變：一是汽車(chē)產(chǎn)業(yè)由燃油動(dòng)力向氫動(dòng)力的轉變;二是供能模式由集中式向分布式供能的轉變。在這種形勢下，燃料電池技術(shù)的顯著(zhù)進(jìn)步，推動(dòng)了燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)和分布式電站產(chǎn)業(yè)的興起。從全球來(lái)看，燃料電池市場(chǎng)快速成長(cháng)，一部分市場(chǎng)來(lái)自汽車(chē)，另一部分來(lái)自分布式發(fā)電。燃料電池汽車(chē)只排放水，不會(huì )帶來(lái)環(huán)境污染，目前世界各大汽車(chē)公司都在開(kāi)展燃料電池汽車(chē)的研發(fā)。除此之外，燃料電池還可以應用在潛艇、深?？臻g站和無(wú)人機等方面。
為燃料電池汽車(chē)配套的加氫站也在迅速發(fā)展中。目前，全球在運行的加氫站有274個(gè)，其中日本有92個(gè)，占據總量的1/3，在西歐、北美、日本等發(fā)達國家和地區，已經(jīng)初步形成加氫站網(wǎng)絡(luò )。
氫能研發(fā)已經(jīng)得到世界各國的重視。我國近年來(lái)通過(guò)三個(gè)五年計劃的支持，已經(jīng)形成以大學(xué)和研究所為主的研發(fā)體系，包括制氫、儲氫、輸氫及安全、燃料電池、標準等研發(fā)。目前，我國已經(jīng)具備良好的制氫和儲氫工業(yè)基礎，煤制氫及變壓吸附純化等技術(shù)處于國際先進(jìn)水平，燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)初具雛形。
但是從整體講，我國氫能還是處于世界第二方陣，與國外先進(jìn)水平相比還有差距。我國燃料電池的關(guān)鍵材料、氫氣循環(huán)泵等設備還依賴(lài)進(jìn)口，燃料電池可靠性亟待提高，在氫氣泄露和爆炸等安全研究方面還有很多空白。
為此，對我國氫能發(fā)展提出一些建議：以應用為導向，以系統集成為主線(xiàn)，盡快形成可靠的終端產(chǎn)品，再逐次解決材料和部件全部自供問(wèn)題;以企業(yè)為主導，以產(chǎn)品為目標，以資本為紐帶，集中國內優(yōu)勢單位，建立協(xié)同創(chuàng )新聯(lián)盟，上下游密切結合，資源共享，快速研發(fā);燃料電池汽車(chē)和分布式電站應同步發(fā)展，汽車(chē)先商用車(chē)后乘用車(chē)，分布式發(fā)電與可再生能源微網(wǎng)應密切結合，先供偏遠地區后供城市;加氫站應首先定位于“可自我持續運行”上，在初期示范車(chē)輛不足情況下，宜建混合站，以油養氫，以氣養氫;開(kāi)展棄風(fēng)(光)制氫、天然氣管網(wǎng)摻氫輸氫技術(shù)可行性和標準預先研究。
