——周少雄 江蘇省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院集萃先進(jìn)能源材料與應(yīng)用技術(shù)研究所所長
裝上2個小巧的氫氣罐缎岗，電動自行車就可以行駛120公里;氫氣用完也無須擔(dān)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白粉，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传泊，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)的樣車鸭巴。
近幾年來眷细，以固態(tài)儲氫為能源供應(yīng)的大巴車拦盹、卡車、冷藏車溪椎、備用電源等在我國相繼問世普舆。雖然只是試驗(yàn)示范項(xiàng)目，但還是在氫能源圈內(nèi)引發(fā)了極大的關(guān)注池磁。
固態(tài)儲氫改變氫氣高密度儲存和安全應(yīng)用兩個難題犀刀，究竟是如何實(shí)現(xiàn)的?氫氣的儲運(yùn)難題一旦獲得解決，氫能源將在哪些領(lǐng)域發(fā)揮作用?帶著這些問題捻尉，科技日報記者5月22日采訪了江蘇省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院集萃先進(jìn)能源材料與應(yīng)用技術(shù)研究所所長周少雄博士。
存儲和運(yùn)輸問題影響了氫能利用
化學(xué)元素氫(H)努示，在元素周期表中位列第一候钟，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盾峭，氫及其同位素占到了太陽總質(zhì)量的84%滤萝，宇宙質(zhì)量的75%都是氫。
“我們現(xiàn)在還生活在碳時代碗履，但是在未來，氫能將是舉足輕重的能源蝗质。”周少雄告訴記者勾萌，氫資源豐富，可以由水制取沈机，氫供給燃料電池的產(chǎn)物還是水仙蛉，不僅是世界上最干凈的能源，還能實(shí)現(xiàn)能源物質(zhì)循環(huán)利用碱蒙、可持續(xù)發(fā)展荠瘪。
當(dāng)前，我國正面臨著能源安全和碳排放兩大挑戰(zhàn)赛惩，在碳中和哀墓、碳達(dá)峰的目標(biāo)下，必須調(diào)整當(dāng)前過度依賴化石能源的能源結(jié)構(gòu)喷兼，而將氫能納入整個能源體系中篮绰，有助于改善我國的高碳能源結(jié)構(gòu)，保障能源安全褒搔。
但是阶牍，從人類認(rèn)識到氫氣可以燃燒至今，已經(jīng)過去200多年星瘾，氫能的高效利用仍然進(jìn)展緩慢走孽。
“氫能的利用惧辈，涉及制氫、儲運(yùn)伶葵、應(yīng)用3個環(huán)節(jié)承蠕，其中高密度安全儲運(yùn)氫是主要的瓶頸問題。”周少雄說蕴续，氫在通常條件下以氣態(tài)形式存在, 且易燃扳啃、易爆、易擴(kuò)散贰宰，這就給氫的儲存和運(yùn)輸帶來了很大的困難危婚。
目前，氫氣的儲運(yùn)主要分為氣態(tài)芍迫、液態(tài)和固態(tài)3種方式峦仲。
氣態(tài)儲氫較為常見，可分為低壓和高壓兩種哪趟。過去质瘸，街頭巷尾賣氣球的小販，會載著一個大鋼瓶纹怨，這就是低壓儲氫罐磨爪。而高壓氣態(tài)儲氫最高氣壓可達(dá)70兆帕，目前我國常見的高壓儲氫氣壓也達(dá)到35兆帕善绎，這就對壓力容器提出了極高要求黔漂，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(jìn)行壓縮涂邀。
氫氣在一定的低溫下瘟仿，會以液態(tài)形式存在。因此比勉，可以將氫氣壓縮劳较、冷卻實(shí)現(xiàn)液態(tài)儲存。常溫浩聋、常壓下液氫的密度為氣態(tài)氫的845倍观蜗，但低溫液態(tài)儲氫不經(jīng)濟(jì)。氫氣液化要消耗較大的冷卻能量衣洁，而且必須使用超低溫用的特殊容器墓捻，目前僅在儲存空間有限的場合使用，如火箭發(fā)動機(jī)等坊夫。
與化石能源或電力等其他非化石能源相比砖第，氫能由于尚未很好地解決儲運(yùn)問題，所以一直處在叫好不叫座的尷尬境地蛾藐。因此瘤希，開發(fā)新型高效的儲氫材料昂贷、安全的儲氫技術(shù)對氫能的開發(fā)利用至關(guān)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)儲氫答艘，具有體積儲氫密度高拆翘、工作壓力低、安全性能好等優(yōu)勢息体。”周少雄介紹囊脉，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狗悔，目前技術(shù)較為成熟的儲氫材料主要是金屬合金屉争。
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(qiáng)親和力的元素削晦，它控制著儲氫量的多少朴轰，是組成儲氫合金的關(guān)鍵元素，主要包括鈦挥昵、鎂等;另一部分是吸氫量小或根本不吸氫的元素，常見的有鐵益涧、鎳等锈锤。
這些合金材料與氫氣在低溫的條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，氫氣在其表面分解為氫原子闲询。合金材料內(nèi)部有大量細(xì)微的晶格久免，氫原子擴(kuò)散進(jìn)入到晶格內(nèi)部空隙中，形成金屬氫化物扭弧。
想要把氫原子“釋放”出來也很簡單阎姥，只需施加一定熱量，儲氫材料就可以析出氫氣鸽捻。
周少雄告訴記者呼巴，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御蒲。這些合金材料性能非常穩(wěn)定衣赶，不會燃燒爆炸，可逆性好厚满，重復(fù)使用不低于5000次府瞄。
“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斤卒、鈰等蹂孽，在爐中熔化冶煉，冷卻成型囚誓，再破碎成粉末就可以了酸穗。”周少雄說见撵，鎂是自然界普遍存在的一種元素，鑭亭结、鈰在稀土元素中儲量豐富舟到，因此綜合成本已逼近鋰電池。
近年來臀嘱，世界各國在固態(tài)儲氫應(yīng)用和新型儲氫材料的研發(fā)上取得了諸多進(jìn)展章理，成熟的儲氫材料已在熱電聯(lián)供、儲能嘴父、車載燃料電池氫源系統(tǒng)等多個領(lǐng)域得到應(yīng)用杂蒙，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(jù)周少雄介紹企悦，他們最新研制的含鎂儲氫材料台腥，儲存容量可達(dá)每立方米110千克，遠(yuǎn)超美國能源局提出的儲氫“終極目標(biāo)”绒北，但是制約其應(yīng)用的是放氫溫度過高黎侈，需要達(dá)到250℃以上。目前闷游，科學(xué)家正通過各種方法來調(diào)控其熱力學(xué)峻汉、動力學(xué)和循環(huán)壽命性能，希望可以早日實(shí)現(xiàn)商用脐往。
氫氣變身“固態(tài)油箱”或改變未來能源格局
日本豐田休吠、韓國現(xiàn)代等企業(yè)投入巨資、耗時數(shù)十年研發(fā)氫能源汽車业簿，但受制于加氫站建設(shè)的瓶頸瘤礁，市場推廣并不順利。
“由于氫能儲運(yùn)問題沒有解決梅尤，燃料電池成本較高柜思，所以氫能源汽車還處在政府補(bǔ)貼、示范運(yùn)行的階段克饶。”周少雄說那辰，當(dāng)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玲侧。
比如绑燃，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符破，吸熱放氫出毁，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。
“目前管剂，我們已建成國內(nèi)唯一一條年產(chǎn)800噸儲氫材料的生產(chǎn)線露龙，并與九號公司、永安行等企業(yè)開展合作崇槽，推出固態(tài)儲氫動力系統(tǒng)的摩托車注辜、電動自行車等。”周少雄告訴記者秆廉，低溫固態(tài)儲氫材料技術(shù)成熟策洒，成本可控，整套裝置全部實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化顽腾，無需政府補(bǔ)貼也可以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用近零。
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)抄肖，只需55克氫氣就能驅(qū)動自行車行駛80公里久信，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(dāng)于普通氣球漓摩。
周少雄大膽預(yù)言：“固態(tài)儲氫罐可以做成像干電池一樣的產(chǎn)品裙士，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管毙，由快遞員每日更換潮售。”
未來，解決了儲運(yùn)難題锅风，氫能的應(yīng)用不僅是備受關(guān)注的燃料電池汽車，還包括氫能發(fā)電鞍泉、工業(yè)應(yīng)用及建筑應(yīng)用等皱埠，不僅可以作為建筑熱電聯(lián)供電源、微網(wǎng)的可靠電源與移動基站的備用電源咖驮，還能夠與數(shù)字化技術(shù)結(jié)合番搅，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、軍用單兵市口、深海裝備等諸多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用瘸拳。
