在當今社會，氫的化學特性使其廣泛應用於很多工業領域。氫的運用也有廣闊的發展潛力，包括成為裝卸裝置和燃料電池車的能量載體，以及再生能源的儲存。但如何儲存高度壓縮的氫是影響該市場發展的主要因素。Hydrexia公司基於鎂合金可以吸收氫的性質，開發了可以在常溫下安全儲存大量固態氫的系統。Hydrexia已成功製造與測試了商業規模的原型系統，公司開始商業化推廣這些系統。相較於氣體輸送（時下最主要的氫輸送渠道），該技術可以用於更大規模的儲存和運輸氫，成本更低，且安全性要更好。
簡介:
氫在當今的工業應用非常廣泛。它是製造化學品的原料，比如氨和過氧化氫；它是很多反應的還原劑，比如鍊鋼和浮法玻璃製備；它可以提供渦輪機的冷卻，甚至可用於食物比如氫化蔬菜油。石油化工對低硫燃料的需求也成為氫的一個巨大消耗渠道。市場對氫的需求隨著這些工業的增長不斷提高，尤其在高增長的經濟體中更為顯著。
此外，把氫用於能量載體是一個新興市場。能量電池工具如剷車和巴士都已運作了很多年。現在歐洲，日本和韓國正建造充氫的基礎設施，以供應氫氣燃料電池乘用車使用。世界很多主流汽車生產商正準備在2015至2017年間商業化生產燃料電池乘用車。
這些不斷髮展的市場，是改進氫儲存和輸送的方式的推動力。現在氫主要以15-20兆帕下的氣態形式透過鋼瓶或大型管束車儲存和運輸。然而壓縮氣體的儲存有幾個缺點。氫壓縮需要額外的能量，此外，氫的密度很小，通常只有儲存介質重量的1%。還有諸如此類關係到成本，費用以及安全的問題[1，2，3]。
壓縮氫的安全問題是需要被重視的。一旦容器有任何瑕疵或損壞，極容易產生爆炸。除此之外，氫的洩漏也會有引燃的可能，形成長形的火柱。即使是很少量的洩漏也會形成可燃性區域。可燃性區域周圍需要嚴格禁火，有時候禁火區可能要幾米開外的空地，導致儲存空間的開銷龐大。
此外，有些區域，比如在北美和日本，擁有液態氫的供應。液態氫比氣體輸送擁有更高的儲存密度，但是-253攝氏度的低溫液化過程和液化裝置都非常地昂貴[1]。由於液態氫的儲存量比壓縮氫更大，如果容器受到損壞，洩漏風險更高於氣態氫的儲存。洩漏的液氫蒸發引燃後，會引發蒸汽雲爆炸[4]。液氫還有一個不便之處就是運輸過程中和周圍熱交換造成的蒸發。
基於這些缺點，新的儲存和運輸方法有待開發。車載壓縮氫儲存的目標是以碳纖維複合材料容器取代鋼瓶，裝載70兆帕的壓縮氣體。這相對於20兆帕，儲存密度更高，但對大量的氫氣運輸來說成本更高，危險也更大。因此很多研究人員試圖透過化學或物理結合使氫完成固態儲存。比如金屬氫化物，複合氫化物和多孔碳材料[5，6]。
研究發現以上材料很多都有其侷限性。有的有毒性，有的需要高壓或者低溫。有些只能一次性使用，有的材料或工藝成本高昂。而鎂，是一個特別具有潛質的材料。最近，昆士蘭大學發現了低成本製造高效能氫化鎂的方法。2006年，Hydrexia公司成為私營企業，依據這一發現開發氫氣儲存系統。
Hydrexia的氫化鎂:
鎂的氫儲存功用已經為大家熟識幾十年了。然而透過反應儲存氫化（吸收氫）和脫氫（排出氫）過程非常慢。1968年有一個突破，人們發現新增催化劑鎳，可提高反應速率[5]。球磨法的研發更進一步提高了反應速率。球磨法將金屬研磨成奈米顆粒，併除去氧化層。即增加了表面積，又提高了催化劑的接觸率，並引入晶格應變來改進材料的透過性，最終反應速率足以達到商業需求。然而，球磨法過於昂貴，侷限於耗能過高，生產率低，和易燃的奈米材料的安全處理。然而如今，不需要球磨法即能達到商業反應速率的鎂鎳合金解決了這些問題[7]。
鎂是非常適合儲氫的材料，原因如下。氫化鎂可帶有最大理論值7.6wt%的氫，比AB5，AB2， 和TiFe合金小於2wt%的含量高許多，且鎂相對廉價。若使用這些組族的金屬，儲存每克氫的原料成本為美金0.3-2.5[8，9]。相比之下，Hydrexia的合金成本要低得多，儲存每克氫的合金成本為0.04-0.06美金。鎂無毒，氫化、脫氫反應在250攝氏度以上才可發生，這防止了意外的洩漏。
圖 1 Hydrexia的鎂合金。
Hydrexia合金的另一個優勢是不需要球磨過程。它使用傳統的鑄造工藝鑄成鎂板，然後將鎂板研磨成十幾微米厚的鱗狀薄片，如圖1所示。形態級大於奈米顆粒。這些薄片在空氣中穩定，不像奈米顆粒那樣有易燃的危險。
Hydrexia的合金獨特之處在於一小部分附加的精練材料可以縮小亞共晶Mg-Mg2Ni共融合金系統的中層間隔。如圖2，3所示。精煉後的材料的活化過程速率可以得到提升，減少首次氫化反應時間。這和與空氣作用後在材料表面形成的氧化層的分化時間有關[7]。
圖 2 鎂+
圖 3 鎂++
在Hydrexia的系統中，這個活化過程是在最後的系統內完成的，所以系統製造過程完全避免了金屬氫化物的處理。短暫的活化反應時間節約了更多時間和成本。在活化過程中，合金片碎裂成類似於球磨反應中的奈米顆粒的小碎片，見圖4。
圖 4 活化後的氫化鎂。
Hydrexia公司的氫儲存系統:
2006年，Hydrexia設計並建造了第一套儲氫系統，儲存6克氫。之後系統的規模逐步地放大，直到2010年完成12集裝瓶系統，可儲存22千克氫。見圖5。那之後，研發方向著重於系統功能的提升和控制成本的系統設計。
圖 5 儲存22千克氫的系統。
相較於氣體運輸，Hydrexia的系統有幾個成本控制的優勢。系統可在低於1個兆帕的壓力下操作，所以容器壁可比15兆帕的儲氣鋼瓶薄許多。相比儲氣鋼瓶，相等重量的Hydrexia系統可儲存3倍的氫。因此，相比相同氫儲存量的壓縮氣體系統，Hydrexia系統的成本來得更低。此外，由於每個容器質量減輕，同一規格的貨車可以運載更多的系統，減少了運輸成本。此外，Hydrexia的系統可接受低壓的氫氣來源，不需要壓縮器。雖然Hydrexia系統需要一個熱源，以提取氫，經濟分析模型的結果表示多數的案例下，總費用仍低於氣態運輸[10，11]。這吸引了很多生產，銷售，消費氫的工業集團的興趣。
安全:
Hydrexia系統比氣態輸送系統更加地安全。由於低壓力，即使有洩漏，在周圍造成的可燃區域也非常小。系統中的氣態的氫非常少，大多存於金屬氫化物中。因此整個存貯容器損壞也不會導致大量的洩漏。
金屬鎂是可燃的，粉狀的球磨金屬氫化物若曝露於空氣中可能自燃。Hydrexia的材料在其合金形態下在空氣中是穩定的。即使是活化過後，不論含氫與否，也相對穩定。材料曝露於空氣和水中的反應，是經過日本易燃材料管理測驗的。圖6示出金屬氫化物粉末透過濾紙曝露於水，點燃。實驗證實了當材料吸取了氫後，從空氣中釋放氫難於在氫氣環境或稀有氣體環境[12]。
圖 6 金屬氫化物可燃性測驗。
先前提過，Hydrexia的鎂合金是處理成肉眼可見的薄片。和易燃的粉末相比，風險相對較低。在系統內，薄片碎裂成更小的顆粒，但這些顆粒會燒結成結實的多孔滲透結構，於是即使容器破損，隨著氣體噴出系統外的粉末也不多。
挑戰:
Hydrexia接下來的挑戰在於系統規模放大、擴容和控制成本方面。合金材料可以透過傳統工藝製造，但合金、鑄造、研磨等工藝仍有最佳化的空間。如果能放寬對合金成分的要求或可減少鎳的使用，降低成本。材料的效能與生產引數相關，能影響材料成本。與此同時，材料的效能也影響系統的設計。所以這些相互關聯的因素需要整體化地完善，以達到更高效更低價的境界。
總結:
目前氫儲存的方法有多方面的不足。Hydrexia公司的儲存系統提供了一個相對低成本的安全儲存方式。Hydrexia現在準備進一步擴大生產，以達到氫生產商，分銷商，和消費者的需求。
參考文獻:
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