發(fā)展固態(tài)儲氫材料 讓氫能利用叫好又叫座
發(fā)布時間：2021-12-24 10:17:24
裝上2個小巧的氫氣罐，電動自行車就可以行駛120公里；氫氣用完也無須擔心，街頭巷尾的便利店就能購買更換；氫氣罐即使破損也沒有危險，罐子里倒出來的全是合金粉末……
這可不是什么科幻片里的場景，而是江蘇某企業(yè)在2021第二十屆中國北方國際自行車電動車展覽上，展示的兩款采用氫能源作為發(fā)電系統(tǒng)的樣車。
近幾年來，以固態(tài)儲氫為能源供應的大巴車、卡車、冷藏車、備用電源等在我國相繼問世。雖然只是試驗示范項目，但還是在氫能源圈內引發(fā)了極大的關注。
固態(tài)儲氫改變氫氣高密度儲存和安全應用兩個難題，究竟是如何實現的？氫氣的儲運難題一旦獲得解決，氫能源將在哪些領域發(fā)揮作用？帶著這些問題，科技日報記者5月22日采訪了江蘇省產業(yè)技術研究院集萃先進能源材料與應用技術研究所所長周少雄博士。
存儲和運輸問題影響了氫能利用
化學元素氫（H），在元素周期表中位列第一，是所有原子中最小的。
但這個無色無味的“小家伙”卻是宇宙中最常見的元素，氫及其同位素占到了太陽總質量的84%，宇宙質量的75%都是氫。
“我們現在還生活在碳時代，但是在未來，氫能將是舉足輕重的能源。”周少雄告訴記者，氫資源豐富，可以由水制取，氫供給燃料電池的產物還是水，不僅是世界上最干凈的能源，還能實現能源物質循環(huán)利用、可持續(xù)發(fā)展。
當前，我國正面臨著能源安全和碳排放兩大挑戰(zhàn)，在碳中和、碳達峰的目標下，必須調整當前過度依賴化石能源的能源結構，而將氫能納入整個能源體系中，有助于改善我國的高碳能源結構，保障能源安全。
但是，從人類認識到氫氣可以燃燒至今，已經過去200多年，氫能的高效利用仍然進展緩慢。
“氫能的利用，涉及制氫、儲運、應用3個環(huán)節(jié)，其中高密度安全儲運氫是主要的瓶頸問題。”周少雄說，氫在通常條件下以氣態(tài)形式存在, 且易燃、易爆、易擴散，這就給氫的儲存和運輸帶來了很大的困難。
目前，氫氣的儲運主要分為氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)3種方式。
氣態(tài)儲氫較為常見，可分為低壓和高壓兩種。過去，街頭巷尾賣氣球的小販，會載著一個大鋼瓶，這就是低壓儲氫罐。而高壓氣態(tài)儲氫最高氣壓可達70兆帕，目前我國常見的高壓儲氫氣壓也達到35兆帕，這就對壓力容器提出了極高要求，目前高壓儲氫罐采用碳纖維制造，成本極高且要消耗較大的能源進行壓縮。
氫氣在一定的低溫下，會以液態(tài)形式存在。因此，可以將氫氣壓縮、冷卻實現液態(tài)儲存。常溫、常壓下液氫的密度為氣態(tài)氫的845倍，但低溫液態(tài)儲氫不經濟。氫氣液化要消耗較大的冷卻能量，而且必須使用超低溫用的特殊容器，目前僅在儲存空間有限的場合使用，如火箭發(fā)動機等。
與化石能源或電力等其他非化石能源相比，氫能由于尚未很好地解決儲運問題，所以一直處在叫好不叫座的尷尬境地。因此，開發(fā)新型高效的儲氫材料、安全的儲氫技術對氫能的開發(fā)利用至關重要。
含鎂固態(tài)儲氫系統(tǒng)成本接近鋰電池
“固態(tài)儲氫相對于高壓氣態(tài)和液態(tài)儲氫，具有體積儲氫密度高、工作壓力低、安全性能好等優(yōu)勢。”周少雄介紹，固態(tài)儲氫是未來高密度儲存和安全氫能利用的發(fā)展方向。
固態(tài)儲存需要用到儲氫材料，目前技術較為成熟的儲氫材料主要是金屬合金。
儲氫合金一般由兩部分組成，一部分為吸氫元素或與氫有很強親和力的元素，它控制著儲氫量的多少，是組成儲氫合金的關鍵元素，主要包括鈦、鎂等；另一部分是吸氫量小或根本不吸氫的元素，常見的有鐵、鎳等。
這些合金材料與氫氣在低溫的條件下發(fā)生化學反應，氫氣在其表面分解為氫原子。合金材料內部有大量細微的晶格，氫原子擴散進入到晶格內部空隙中，形成金屬氫化物。
想要把氫原子“釋放”出來也很簡單，只需施加一定熱量，儲氫材料就可以析出氫氣。
周少雄告訴記者，目前他們開發(fā)的低溫固態(tài)儲氫材料可以存儲其體積上百倍的氫氣，因而其儲氫密度比液氫還高。這些合金材料性能非常穩(wěn)定，不會燃燒爆炸，可逆性好，重復使用不低于5000次。
“以我們開發(fā)的一種新型儲氫材料為例，主要成分是鎂和稀土元素鑭、鈰等，在爐中熔化冶煉，冷卻成型，再破碎成粉末就可以了。”周少雄說，鎂是自然界普遍存在的一種元素，鑭、鈰在稀土元素中儲量豐富，因此綜合成本已逼近鋰電池。
近年來，世界各國在固態(tài)儲氫應用和新型儲氫材料的研發(fā)上取得了諸多進展，成熟的儲氫材料已在熱電聯供、儲能、車載燃料電池氫源系統(tǒng)等多個領域得到應用，德國一家公司甚至將固態(tài)儲氫系統(tǒng)用于燃料電池潛艇中。
據周少雄介紹，他們最新研制的含鎂儲氫材料，儲存容量可達每立方米110千克，遠超美國能源局提出的儲氫“終極目標”，但是制約其應用的是放氫溫度過高，需要達到250℃以上。目前，科學家正通過各種方法來調控其熱力學、動力學和循環(huán)壽命性能，希望可以早日實現商用。
氫氣變身“固態(tài)油箱”或改變未來能源格局
日本豐田、韓國現代等企業(yè)投入巨資、耗時數十年研發(fā)氫能源汽車，但受制于加氫站建設的瓶頸，市場推廣并不順利。
“由于氫能儲運問題沒有解決，燃料電池成本較高，所以氫能源汽車還處在政府補貼、示范運行的階段。”周少雄說，當固態(tài)儲氫材料得到發(fā)展后，氫能利用將會有極大地改變。
比如，將固態(tài)儲氫裝置與燃料電池一體化集成，可充分利用燃料電池余熱，吸熱放氫，降低系統(tǒng)熱能消耗，使得整個燃料電池動力系統(tǒng)的能源效率得以提高。
“目前，我們已建成國內唯一一條年產800噸儲氫材料的生產線，并與九號公司、永安行等企業(yè)開展合作，推出固態(tài)儲氫動力系統(tǒng)的摩托車、電動自行車等。”周少雄告訴記者，低溫固態(tài)儲氫材料技術成熟，成本可控，整套裝置全部實現國產化，無需政府補貼也可以實現商業(yè)化應用。
周少雄介紹，他們開發(fā)的以固態(tài)儲氫為氫源的百瓦級氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，只需55克氫氣就能驅動自行車行駛80公里，而這55克氫氣就儲存在一個普通礦泉水瓶大小的罐子里，儲氫壓力僅相當于普通氣球。
周少雄大膽預言：“固態(tài)儲氫罐可以做成像干電池一樣的產品，未來可在便利店或超市隨處購買，也可以將使用完的氫能源空瓶放置存儲箱，由快遞員每日更換。”
未來，解決了儲運難題，氫能的應用不僅是備受關注的燃料電池汽車，還包括氫能發(fā)電、工業(yè)應用及建筑應用等，不僅可以作為建筑熱電聯供電源、微網的可靠電源與移動基站的備用電源，還能夠與數字化技術結合，讓以固態(tài)儲氫為氫源的氫燃料電池動力系統(tǒng)在無人駕駛、軍用單兵、深海裝備等諸多領域發(fā)揮重要作用。
這可不是什么科幻片里的場景，而是江蘇某企業(yè)在2021第二十屆中國北方國際自行車電動車展覽上，展示的兩款采用氫能源作為發(fā)電系統(tǒng)的樣車。
近幾年來，以固態(tài)儲氫為能源供應的大巴車、卡車、冷藏車、備用電源等在我國相繼問世。雖然只是試驗示范項目，但還是在氫能源圈內引發(fā)了極大的關注。
固態(tài)儲氫改變氫氣高密度儲存和安全應用兩個難題，究竟是如何實現的？氫氣的儲運難題一旦獲得解決，氫能源將在哪些領域發(fā)揮作用？帶著這些問題，科技日報記者5月22日采訪了江蘇省產業(yè)技術研究院集萃先進能源材料與應用技術研究所所長周少雄博士。
存儲和運輸問題影響了氫能利用
化學元素氫（H），在元素周期表中位列第一，是所有原子中最小的。
但這個無色無味的“小家伙”卻是宇宙中最常見的元素，氫及其同位素占到了太陽總質量的84%，宇宙質量的75%都是氫。
“我們現在還生活在碳時代，但是在未來，氫能將是舉足輕重的能源。”周少雄告訴記者，氫資源豐富，可以由水制取，氫供給燃料電池的產物還是水，不僅是世界上最干凈的能源，還能實現能源物質循環(huán)利用、可持續(xù)發(fā)展。
當前，我國正面臨著能源安全和碳排放兩大挑戰(zhàn)，在碳中和、碳達峰的目標下，必須調整當前過度依賴化石能源的能源結構，而將氫能納入整個能源體系中，有助于改善我國的高碳能源結構，保障能源安全。
但是，從人類認識到氫氣可以燃燒至今，已經過去200多年，氫能的高效利用仍然進展緩慢。
“氫能的利用，涉及制氫、儲運、應用3個環(huán)節(jié)，其中高密度安全儲運氫是主要的瓶頸問題。”周少雄說，氫在通常條件下以氣態(tài)形式存在, 且易燃、易爆、易擴散，這就給氫的儲存和運輸帶來了很大的困難。
目前，氫氣的儲運主要分為氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)3種方式。
氣態(tài)儲氫較為常見，可分為低壓和高壓兩種。過去，街頭巷尾賣氣球的小販，會載著一個大鋼瓶，這就是低壓儲氫罐。而高壓氣態(tài)儲氫最高氣壓可達70兆帕，目前我國常見的高壓儲氫氣壓也達到35兆帕，這就對壓力容器提出了極高要求，目前高壓儲氫罐采用碳纖維制造，成本極高且要消耗較大的能源進行壓縮。
氫氣在一定的低溫下，會以液態(tài)形式存在。因此，可以將氫氣壓縮、冷卻實現液態(tài)儲存。常溫、常壓下液氫的密度為氣態(tài)氫的845倍，但低溫液態(tài)儲氫不經濟。氫氣液化要消耗較大的冷卻能量，而且必須使用超低溫用的特殊容器，目前僅在儲存空間有限的場合使用，如火箭發(fā)動機等。
與化石能源或電力等其他非化石能源相比，氫能由于尚未很好地解決儲運問題，所以一直處在叫好不叫座的尷尬境地。因此，開發(fā)新型高效的儲氫材料、安全的儲氫技術對氫能的開發(fā)利用至關重要。
含鎂固態(tài)儲氫系統(tǒng)成本接近鋰電池
“固態(tài)儲氫相對于高壓氣態(tài)和液態(tài)儲氫，具有體積儲氫密度高、工作壓力低、安全性能好等優(yōu)勢。”周少雄介紹，固態(tài)儲氫是未來高密度儲存和安全氫能利用的發(fā)展方向。
固態(tài)儲存需要用到儲氫材料，目前技術較為成熟的儲氫材料主要是金屬合金。
儲氫合金一般由兩部分組成，一部分為吸氫元素或與氫有很強親和力的元素，它控制著儲氫量的多少，是組成儲氫合金的關鍵元素，主要包括鈦、鎂等；另一部分是吸氫量小或根本不吸氫的元素，常見的有鐵、鎳等。
這些合金材料與氫氣在低溫的條件下發(fā)生化學反應，氫氣在其表面分解為氫原子。合金材料內部有大量細微的晶格，氫原子擴散進入到晶格內部空隙中，形成金屬氫化物。
想要把氫原子“釋放”出來也很簡單，只需施加一定熱量，儲氫材料就可以析出氫氣。
周少雄告訴記者，目前他們開發(fā)的低溫固態(tài)儲氫材料可以存儲其體積上百倍的氫氣，因而其儲氫密度比液氫還高。這些合金材料性能非常穩(wěn)定，不會燃燒爆炸，可逆性好，重復使用不低于5000次。
“以我們開發(fā)的一種新型儲氫材料為例，主要成分是鎂和稀土元素鑭、鈰等，在爐中熔化冶煉，冷卻成型，再破碎成粉末就可以了。”周少雄說，鎂是自然界普遍存在的一種元素，鑭、鈰在稀土元素中儲量豐富，因此綜合成本已逼近鋰電池。
近年來，世界各國在固態(tài)儲氫應用和新型儲氫材料的研發(fā)上取得了諸多進展，成熟的儲氫材料已在熱電聯供、儲能、車載燃料電池氫源系統(tǒng)等多個領域得到應用，德國一家公司甚至將固態(tài)儲氫系統(tǒng)用于燃料電池潛艇中。
據周少雄介紹，他們最新研制的含鎂儲氫材料，儲存容量可達每立方米110千克，遠超美國能源局提出的儲氫“終極目標”，但是制約其應用的是放氫溫度過高，需要達到250℃以上。目前，科學家正通過各種方法來調控其熱力學、動力學和循環(huán)壽命性能，希望可以早日實現商用。
氫氣變身“固態(tài)油箱”或改變未來能源格局
日本豐田、韓國現代等企業(yè)投入巨資、耗時數十年研發(fā)氫能源汽車，但受制于加氫站建設的瓶頸，市場推廣并不順利。
“由于氫能儲運問題沒有解決，燃料電池成本較高，所以氫能源汽車還處在政府補貼、示范運行的階段。”周少雄說，當固態(tài)儲氫材料得到發(fā)展后，氫能利用將會有極大地改變。
比如，將固態(tài)儲氫裝置與燃料電池一體化集成，可充分利用燃料電池余熱，吸熱放氫，降低系統(tǒng)熱能消耗，使得整個燃料電池動力系統(tǒng)的能源效率得以提高。
“目前，我們已建成國內唯一一條年產800噸儲氫材料的生產線，并與九號公司、永安行等企業(yè)開展合作，推出固態(tài)儲氫動力系統(tǒng)的摩托車、電動自行車等。”周少雄告訴記者，低溫固態(tài)儲氫材料技術成熟，成本可控，整套裝置全部實現國產化，無需政府補貼也可以實現商業(yè)化應用。
周少雄介紹，他們開發(fā)的以固態(tài)儲氫為氫源的百瓦級氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，只需55克氫氣就能驅動自行車行駛80公里，而這55克氫氣就儲存在一個普通礦泉水瓶大小的罐子里，儲氫壓力僅相當于普通氣球。
周少雄大膽預言：“固態(tài)儲氫罐可以做成像干電池一樣的產品，未來可在便利店或超市隨處購買，也可以將使用完的氫能源空瓶放置存儲箱，由快遞員每日更換。”
未來，解決了儲運難題，氫能的應用不僅是備受關注的燃料電池汽車，還包括氫能發(fā)電、工業(yè)應用及建筑應用等，不僅可以作為建筑熱電聯供電源、微網的可靠電源與移動基站的備用電源，還能夠與數字化技術結合，讓以固態(tài)儲氫為氫源的氫燃料電池動力系統(tǒng)在無人駕駛、軍用單兵、深海裝備等諸多領域發(fā)揮重要作用。
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