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本帖最后由 晨枫 于 2019-5-3 11:34 编辑 4 @5 F. Q( B! O) w; v$ U- Z$ N
$ U. `2 G( i3 z4 f据说坊间有不少人对中央为什么对氢能源热衷起来很是不解，甚至把这与有人访日归来联系起来。恰好湖北氢阳能源宣称已经开始液态有机储氢的中试，这就是说在向工业化过渡了。这可能是更大的动力。- e6 a7 j; `. m" o7 W; D R+ l
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氢能源是好东西。这不像石油、煤是一次能源，开采出来就能用，而是像电力一样的二次能源，需要外能源首先提取氢，然后像普通碳氢燃料一样使用。在常温常压下，氢是气态的。因此，常规内燃机用氢作为燃料一点压力都没有。另外，氢燃料电池的能源转化率更高，而且产物是水，没有污染，还不像内燃机会产生氮氧化物，更加环保。氢的制备也不难，电解水就可以制氢，从煤或者天然气里也可以制氢。难点在储运。- ?$ _' z/ k+ ]* d9 `4 [
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常规的氢储运有高压气态和低温液态。要达到一定的储氢密度，气态储氢的压力很高，国内的典型压力是35MPa，欧美则是更高的70MPa。很多人对这压力可能没有多少概念。1MPa相当于100米水柱。也就是说，35MPa的压力如果储水的话，顶上开一个洞，可以朝天打出3500米高的水柱，70MPa当然就是7000米高的水柱。实际上，水柱有发散问题，打不到那么高，但意思在那里。如果人在附近的话，这水柱把人拦腰斩断那叫干净利索没商量，连俞鸿图那样连写7个惨字都没机会。
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( L& G7 p+ E1 o: B: Z6 s+ B% t6 J丰田Mirai采用高压气态方法，有一大堆专利确保氢容器的气密和碰撞安全，但推广了好多年，到现在依然买账的人不多，还在试运行。9 ~# G, h4 N% W5 f5 a
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高压气态的加注也是问题。这可不是加油枪那样朝加油口里一插就完事了，而是需要可靠的闭锁和气密。Mirai的加氢压力是多少不知道，但肯定高于容器内压力。这和轮胎打气要打到32PSI但压缩机的压力可以达到至少60PSI一样，没点压力差气根本打不进去。加氢的气密挑战比容器本身更大。而且作用汽车上的使用，这要所有人都能安全可靠地使用才行，而不是只有受过专业训练的人才能用。
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但氢又是特别易燃易爆的，而且燃烧起来看不见火苗，几乎是透明的。在化工厂里，有可能遇到氢明火的地方，进入现场需要带红外装置，否则等感到热度了可能已经晚了。1 W8 }* X0 x; C! P% x: q
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在元素周期表里，只有氦分子比氢分子更小。小小的氢分子无孔不入，密封十分困难。金属遇到氢分子尤其头痛，有缺陷的晶格被氢分子钻进去，容易发生结构缺陷，造成氢脆。在聚合反应中，氢的作用是打断聚合链。因此与氢长期接触后，塑料、橡胶等也容易老化脆裂。这意味着长期使用后氢泄露是个很现实的挑战。在开放环境里，泄露的氢气可能很快发散，不至于聚集成气团。但要是在通风不良的地下车库泄露，火灾甚至爆炸的危险不容低估。2 _6 @3 R( ^! c- @0 g2 L
x) o. ]3 Y5 W1 H' }% G! B8 C' C低温液态的压力低了，但温度更低。在常压下，需要-253度。低温的挑战至少不低于高压。好处是储氢密度高，达到70g/L，而高压气态只有39g/L。$ ?. ]: @, C3 t6 C0 _2 ^) D: y
' Z9 m |; B2 Y$ c6 f4 X液态有机储氢是另一条技术路线，这也是现在大力鼓吹的，被宣传成与汽油、柴油一样方便。
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液态有机储氢不是通过把氢溶解于有机溶剂内。氢的溶解度不高，要溶解足够的氢，压力和温度都低不了，没有优越性。液态有机储氢是通过可逆的化学反应，在环状碳氢化合物的单键和双键之间变戏法。# ~' Y, K# W5 a/ {
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苯是最常见的双键环状碳氢化合物。说双键，其实不精确，那是三个单键、三个双键，但六个碳手拉手，形成一个“乌龟壳”：
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环乙烷则是常见的单键环状碳氢化合物，因为单键，每个碳“拉”着两个氢：
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4 ^, C1 ?" G4 p4 d+ K" V在苯和环乙烷之间，加氢就从苯变成环乙烷，从环乙烷脱氢就变成苯，这就是液态有机储氢的技术路线之一。这反应当然没那么简单直接，需要催化剂，还有温度（>270C）、压力要求。湖南氢阳用的是乙基咔唑，路线更加复杂一点：! } G& e: g3 D
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1 U* @4 b5 G) A; u与环乙烷相比，加氢温度130-150C，脱氢温度150C，工艺条件更为友好。乙基咔唑可从煤焦油提取，成本不高，来源有保证。储氢密度达到58g/L，不如液氢，但比高压气态更高。常见的液态储氢介质还有：
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1 [# v: H9 T5 h/ W+ ?5 M( O+ N3 Y氢阳已经启动中试装置的建设，年产1000吨乙基咔唑，并于扬子江汽车合作推出基于液态有机储氢的氢燃料电池客车和物流车，行程达到400公里。与汽油、柴油相比，“氢油”的储运安全性良好：
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但作为车用，这或许并不是最好的选择。加氢是在化工厂里完成，工艺条件可控，问题不大。但脱氢是在汽车上进行，相当于要随车带一个微型化工厂。虽然温度、压力条件或许并不苛刻，但催化剂的老化和更新是一个问题，杂质毒化又是问题，更大的问题还是苯，这是致癌物质。还有一个宣传里不大提到的问题是：液态有机储氢的储氢密度可能达到58g/L，但这与气态或者液态可以完全释放为可燃气体不一样，可逆反应注定是不可能100%转化的，在车上的微型化工厂里，这58g/L里有多少可以转化为可燃氢是一个问题，产率受催化剂老化的影响也是问题。脱氢是从单键转化为双键，有可能是吸热反应，那样部分释放的氢能源还要用于维持反应温度，真正的可燃氢就更少了。 q' a3 h. \. k2 Q
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对加氢脱氢反应的细节还不清楚，但脱氢反应的温度条件对车用也是一个坎，每次建立反应时需要首先加温到反应温度，车用可能用电加热，然后才能脱氢。这对公交和物流车这样发动机一开就是一天的用途问题不大，但私家车一会儿开，一会儿停，每次都要等反应温度上来了才能上路，这就不实用了。; N2 R( X1 [% V2 P/ q' B
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另一方面，中国在风电、光电方面大力发展，但遇到储能和输能的瓶颈。输能瓶颈正在解决，储能还没有太好的办法。但储能问题不解决，风电、光电的调峰问题就没法解决。液态有机储氢可能更加适于“西能东输”之类的远程大量输送，或者在产地，或者在目的地，采用工业化脱氢，然后用于调峰发电，为光电、风电、潮汐电等削峰填谷。这是很大的能源需求，也可能是氢能源的真正重点所在。 |
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发表于 2019-5-3 22:49:00
