韩称储氢技术突破 或解储存运输成本问题
发布 : 2024-4-23 来源 : 明报新闻网 用微信扫描二维码，分享至好友和朋友圈 | 加关注  明声网温哥华 微信公众号 |
早前说过，愈来愈多研究显示，在地表之下就自然存在好些氢气，称为「地质氢」。而且，其浓度和蕴藏量看来并不太低，估计其开采成本相当有竞争力，预料「地质氢」将会掀起新一轮的「淘氢热」。
但现时氢气的储存和运输成本，往往比其生产成本更高。即使「地质氢」的开采成本真的比现时的「绿氢」生产成本低得多，还需要在储存技术取得突破，氢能的使用才可以大幅普及。原来韩国科学家近月就真的公布，已在储氢技术上取得重大突破。
其实，储存氢有很多种方法，包括：高压气态储氢、低温液态储氢、液态有机氢莴婩（LOHC）、液态氨储氢、甲醇储氢、金属氢化物、物理吸附型储氢材料等等。但似乎每个方法都有一些缺点。例如，高压气态储氢技术最成熟，但储氢密度却极低，令运输成本大幅拉高。低温液态储氢技术也算成熟，但液化过程非常耗电，且要令容器保持低温，和外间绝缘，也很困难，不适合长时间储存。
液态氨的体积储氢密度也算高，但在常压下要加热至大约摄氏400度，才可以令它分解还原成为氢气和氮气。而且，液态氨具有较强的腐蚀性和毒性，在储存和运输期间对设备、人体、环境具有一些潜在风险。
甲醇储氢是指将一氧化碳和氢气在一定条件下催化反应成为液体甲醇。当需要氢气时，则加水重组，在摄氏200至300度下，就可转化为氢气和二氧化碳。其优点是储氢密度高，1公升甲醇可释出143克的氢气，成本低安全性高。但这方案需要分离二氧化碳，这样重组产生氢气纯度也较低，需进行纯化工序。
金属氢化物和物理吸附型储氢材料的储氢密度较高，两者的前景似乎最被看好，但技术却相对不太成熟，尤其是后者。而这次韩国专家提出的方案，应该就是属于物理吸附型储氢材料。
纳米多孔硼氢化镁 1公升储氢144克
韩国蔚山国家科学技术研究所（UNIST）的化学系副教授Hyunchul Oh月前发表文章，指他带领的团队合成出一种纳米多孔硼氢化镁材料（Mg（BH4）2）。
这种材料的特点是，其结构满布很多直径介乎0.58纳米至0.9纳米的小孔，可以透过物理作用，来自然吸附多种气体分子。若使用这种材料来储氢，每个小孔就可以非常紧凑和稳定地吸附5个氢分子，等于将5个氢分子以极高压力压缩在小孔内。换算下来，体积1公升的纳米多孔硼氢化镁材料，就可以储存到144克的氢分子（144g/L）（144kg/m3）。而那些氢分子乃自然吸附在小孔内，实际毋须在外部施加高压或高温。
密度比液态氢高约1倍
相比之下，氢气在常温常压状态下的密度只是大约0.083g/L（0.083kg/m3）。即使加压至现时氢燃料电池车的高压IV储氢瓶和加氢站使用的最高压力70MPa（相当于700公尺深海底的压力），氢气的密度也只是40g/L（40kg/m3）。至于在常压情形下以液态储存氢，就要将温度大幅下降至摄氏零下252.87度，耗电极高。而这时液氢的密度也只是每公升70.8克（70.8g/L）（70.8kg/m3）而已。
换句话说，纳米多孔硼氢化镁材料的储氢密度，不但远胜高压储氢罐，甚至比液态氢还要高出大约1倍，以及比很多金属氢化物（Metal Hydride）的体积储氢密度也要高一截。以氢化镁（MgH2）为例，其体积储氢密度也只是106g/L（106kg/m3）。
亦因此，Hyunchul Oh的研究于2月6日在《Nature》期刊的网上版发表之后，为业界带来了不少震动和希望。Hyunchul Oh强调这项突破的重要性，他称：「我们的创新材料代表了储氢领域范式转变，为传统方法提供令人信服的替代方案。」这变革性的发展不但提高氢能利用的效率和经济可行性，也解决了公共交通应用大规模储氢的关键挑战。
笔者对于这个方案的看法，就和「地质氢」一样，觉得可以审慎乐观。不过，这始终还像是实验室内的研究项目，还未有提及何时能够商业化。另外，该论文也似乎未有透露某些关键资料。第一，是合成制造纳米多孔硼氢化镁材料的成本。第二，就是需要什么条件，才能令储存了氢分子的纳米多孔硼氢化镁材料重新脱氢（释放出氢分子）。若需要极高温度才能令这种材料脱氢，就会拖低这个方案的成本效益和实用性。
最后，这个方案的重量储氢密度为21.7%，算相当不错，看来足以应用于氢燃料电池汽车和飞机。
但有说航天火箭的液态氢料罐的重量储氢密度可以高达大约30%（应该是同时使用了低温和高压）。若以此看来，这个方案还未足以应用在航天火箭方面。
但现时氢气的储存和运输成本，往往比其生产成本更高。即使「地质氢」的开采成本真的比现时的「绿氢」生产成本低得多，还需要在储存技术取得突破，氢能的使用才可以大幅普及。原来韩国科学家近月就真的公布，已在储氢技术上取得重大突破。
其实，储存氢有很多种方法，包括：高压气态储氢、低温液态储氢、液态有机氢莴婩（LOHC）、液态氨储氢、甲醇储氢、金属氢化物、物理吸附型储氢材料等等。但似乎每个方法都有一些缺点。例如，高压气态储氢技术最成熟，但储氢密度却极低，令运输成本大幅拉高。低温液态储氢技术也算成熟，但液化过程非常耗电，且要令容器保持低温，和外间绝缘，也很困难，不适合长时间储存。
液态氨的体积储氢密度也算高，但在常压下要加热至大约摄氏400度，才可以令它分解还原成为氢气和氮气。而且，液态氨具有较强的腐蚀性和毒性，在储存和运输期间对设备、人体、环境具有一些潜在风险。
甲醇储氢是指将一氧化碳和氢气在一定条件下催化反应成为液体甲醇。当需要氢气时，则加水重组，在摄氏200至300度下，就可转化为氢气和二氧化碳。其优点是储氢密度高，1公升甲醇可释出143克的氢气，成本低安全性高。但这方案需要分离二氧化碳，这样重组产生氢气纯度也较低，需进行纯化工序。
金属氢化物和物理吸附型储氢材料的储氢密度较高，两者的前景似乎最被看好，但技术却相对不太成熟，尤其是后者。而这次韩国专家提出的方案，应该就是属于物理吸附型储氢材料。
纳米多孔硼氢化镁 1公升储氢144克
韩国蔚山国家科学技术研究所（UNIST）的化学系副教授Hyunchul Oh月前发表文章，指他带领的团队合成出一种纳米多孔硼氢化镁材料（Mg（BH4）2）。
这种材料的特点是，其结构满布很多直径介乎0.58纳米至0.9纳米的小孔，可以透过物理作用，来自然吸附多种气体分子。若使用这种材料来储氢，每个小孔就可以非常紧凑和稳定地吸附5个氢分子，等于将5个氢分子以极高压力压缩在小孔内。换算下来，体积1公升的纳米多孔硼氢化镁材料，就可以储存到144克的氢分子（144g/L）（144kg/m3）。而那些氢分子乃自然吸附在小孔内，实际毋须在外部施加高压或高温。
密度比液态氢高约1倍
相比之下，氢气在常温常压状态下的密度只是大约0.083g/L（0.083kg/m3）。即使加压至现时氢燃料电池车的高压IV储氢瓶和加氢站使用的最高压力70MPa（相当于700公尺深海底的压力），氢气的密度也只是40g/L（40kg/m3）。至于在常压情形下以液态储存氢，就要将温度大幅下降至摄氏零下252.87度，耗电极高。而这时液氢的密度也只是每公升70.8克（70.8g/L）（70.8kg/m3）而已。
换句话说，纳米多孔硼氢化镁材料的储氢密度，不但远胜高压储氢罐，甚至比液态氢还要高出大约1倍，以及比很多金属氢化物（Metal Hydride）的体积储氢密度也要高一截。以氢化镁（MgH2）为例，其体积储氢密度也只是106g/L（106kg/m3）。
亦因此，Hyunchul Oh的研究于2月6日在《Nature》期刊的网上版发表之后，为业界带来了不少震动和希望。Hyunchul Oh强调这项突破的重要性，他称：「我们的创新材料代表了储氢领域范式转变，为传统方法提供令人信服的替代方案。」这变革性的发展不但提高氢能利用的效率和经济可行性，也解决了公共交通应用大规模储氢的关键挑战。
笔者对于这个方案的看法，就和「地质氢」一样，觉得可以审慎乐观。不过，这始终还像是实验室内的研究项目，还未有提及何时能够商业化。另外，该论文也似乎未有透露某些关键资料。第一，是合成制造纳米多孔硼氢化镁材料的成本。第二，就是需要什么条件，才能令储存了氢分子的纳米多孔硼氢化镁材料重新脱氢（释放出氢分子）。若需要极高温度才能令这种材料脱氢，就会拖低这个方案的成本效益和实用性。
最后，这个方案的重量储氢密度为21.7%，算相当不错，看来足以应用于氢燃料电池汽车和飞机。
但有说航天火箭的液态氢料罐的重量储氢密度可以高达大约30%（应该是同时使用了低温和高压）。若以此看来，这个方案还未足以应用在航天火箭方面。