發展固態儲氫材料 讓氫能利用叫好又叫座

　　江蘇集萃先進能源材料與應用技術研究所開發的固態儲氫係統已用於驅動自行車受訪者供圖

　　固態儲氫相對於高壓氣態和液態儲氫

，具有體積儲氫密度高
、工作壓力低
、安全性能好等優勢。固態儲氫是未來高密度儲存和氫能安全利用的發展方向。

　　——周少雄 江蘇省產業技術研究院集萃先進能源材料與應用技術研究所所長

　　聚焦新材料③

　　裝上2個小巧的氫氣罐，電動自行車就可以行駛120公裏;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
，罐子裏倒出來的全是合金粉末……

　　這可不是什麼科幻片裏的場景，而是江蘇某企業在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電係統的樣車。

　　近幾年來，以固態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。雖然隻是試驗示範項目，但還是在氫能源圈內引發了極大的關注。

　　固態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“小家夥”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。”zhoushaoxionggaosujizhe，qingziyuanfengfu，keyiyoushuizhiqu，qinggonggeiranliaodianchidechanwuhaishishui，bujinshishijieshangzuiganjingdenengyuan，hainengshixiannengyuanwuzhixunhuanliyong、可持續發展。

　　當前，我國正麵臨著能源安全和碳排放兩大挑戰
，在碳中和
、碳tan達da峰feng的de目mu標biao下xia，必bi須xu調tiao整zheng當dang前qian過guo度du依yi賴lai化hua石shi能neng源yuan的de能neng源yuan結jie構gou，而er將jiang氫qing能neng納na入ru整zheng個ge能neng源yuan體ti係xi中zhong，有you助zhu於yu改gai善shan我wo國guo的de高gao碳tan能neng源yuan結jie構gou
，保bao障zhang能neng源yuan安an全quan。

　　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，涉及製氫
、儲運、應用3個環節
，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、液態和固態3種方式。

　　qitaichuqingjiaoweichangjian
，kefenweidiyahegaoyaliangzhong。guoqu，jietouxiangweimaiqiqiudexiaofan，huizaizheyigedagangping，zhejiushidiyachuqingguan。ergaoyaqitaichuqingzuigaoqiyakeda70兆帕，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製造，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，會以液態形式存在。因此
，可以將氫氣壓縮
、冷卻實現液態儲存。常溫
、常壓下液氫的密度為氣態氫的845bei

，dandiwenyetaichuqingbujingji。qingqiyehuayaoxiaohaojiaodadelengquenengliang

，erqiebixushiyongchaodiwenyongdeteshurongqi，muqianjinzaichucunkongjianyouxiandechangheshiyong
，ruhuojianfadongjideng。

　　yuhuashinengyuanhuodianlidengqitafeihuashinengyuanxiangbi，qingnengyouyushangweihenhaodijiejuechuyunwenti，suoyiyizhichuzaijiaohaobujiaozuodegangajingdi。yinci，kaifaxinxinggaoxiaodechuqingcailiao
、安全的儲氫技術對氫能的開發利用至關重要。

　　含鎂固態儲氫係統成本接近鋰電池

　　“固態儲氫相對於高壓氣態和液態儲氫
，具有體積儲氫密度高
、工作壓力低、安全性能好等優勢。”周少雄介紹
，固態儲氫是未來高密度儲存和安全氫能利用的發展方向。

　　固態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chu氫qing合he金jin一yi般ban由you兩liang部bu分fen組zu成cheng，一yi部bu分fen為wei吸xi氫qing元yuan素su或huo與yu氫qing有you很hen強qiang親qin和he力li的de元yuan素su，它ta控kong製zhi著zhe儲chu氫qing量liang的de多duo少shao，是shi組zu成cheng儲chu氫qing合he金jin的de關guan鍵jian元yuan素su，主zhu要yao包bao括kuo鈦tai、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(zhe)些(xie)合(he)金(jin)材(cai)料(liao)與(yu)氫(qing)氣(qi)在(zai)低(di)溫(wen)的(de)條(tiao)件(jian)下(xia)發(fa)生(sheng)化(hua)學(xue)反(fan)應(ying)
，氫(qing)氣(qi)在(zai)其(qi)表(biao)麵(mian)分(fen)解(jie)為(wei)氫(qing)原(yuan)子(zi)。合(he)金(jin)材(cai)料(liao)內(nei)部(bu)有(you)大(da)量(liang)細(xi)微(wei)的(de)晶(jing)格(ge)，氫(qing)原(yuan)子(zi)擴(kuo)散(san)進(jin)入(ru)到(dao)晶(jing)格(ge)內(nei)部(bu)空(kong)隙(xi)中(zhong)，形(xing)成(cheng)金(jin)屬(shu)氫(qing)化(hua)物(wu)。

　　想要把氫原子“釋放”出來也很簡單，隻需施加一定熱量
，儲氫材料就可以析出氫氣。

　　zhoushaoxionggaosujizhe
，muqiantamenkaifadediwengutaichuqingcailiaokeyicunchuqitijishangbaibeideqingqi，yinerqichuqingmidubiyeqinghaigao。zhexiehejincailiaoxingnengfeichangwending，buhuiranshaobaozha
，kenixinghao，zhongfushiyongbudiyu5000次。

　　“以我們開發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，世界各國在固態儲氫應用和新型儲氫材料的研發上取得了諸多進展，成熟的儲氫材料已在熱電聯供、儲能、車載燃料電池氫源係統等多個領域得到應用，德國一家公司甚至將固態儲氫係統用於燃料電池潛艇中。

　　據周少雄介紹，他們最新研製的含鎂儲氫材料，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”，但是製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、動力學和循環壽命性能
，希望可以早日實現商用。

　　氫氣變身“固態油箱”或改變未來能源格局

　　日本豐田
、韓國現代等企業投入巨資

、耗時數十年研發氫能源汽車，但受製於加氫站建設的瓶頸，市場推廣並不順利。

　　“由於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、示範運行的階段。”周少雄說，當固態儲氫材料得到發展後，氫能利用將會有極大地改變。

　　比(bi)如(ru)
，將(jiang)固(gu)態(tai)儲(chu)氫(qing)裝(zhuang)置(zhi)與(yu)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)一(yi)體(ti)化(hua)集(ji)成(cheng)

，可(ke)充(chong)分(fen)利(li)用(yong)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)餘(yu)熱(re)，吸(xi)熱(re)放(fang)氫(qing)，降(jiang)低(di)係(xi)統(tong)熱(re)能(neng)消(xiao)耗(hao)
，使(shi)得(de)整(zheng)個(ge)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)動(dong)力(li)係(xi)統(tong)的(de)能(neng)源(yuan)效(xiao)率(lv)得(de)以(yi)提(ti)高(gao)。

　　“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，並與九號公司、永安行等企業開展合作
，推出固態儲氫動力係統的摩托車、電動自行車等。”周少雄告訴記者，低溫固態儲氫材料技術成熟，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化應用。

　　周少雄介紹
，他們開發的以固態儲氫為氫源的百瓦級氫燃料電池發電係統，隻需55克氫氣就能驅動自行車行駛80公裏
，而這55克氫氣就儲存在一個普通礦泉水瓶大小的罐子裏
，儲氫壓力僅相當於普通氣球。

　　周少雄大膽預言：“固(gu)態(tai)儲(chu)氫(qing)罐(guan)可(ke)以(yi)做(zuo)成(cheng)像(xiang)幹(gan)電(dian)池(chi)一(yi)樣(yang)的(de)產(chan)品(pin)，未(wei)來(lai)可(ke)在(zai)便(bian)利(li)店(dian)或(huo)超(chao)市(shi)隨(sui)處(chu)購(gou)買(mai)，也(ye)可(ke)以(yi)將(jiang)使(shi)用(yong)完(wan)的(de)氫(qing)能(neng)源(yuan)空(kong)瓶(ping)放(fang)置(zhi)存(cun)儲(chu)箱(xiang)
，由(you)快(kuai)遞(di)員(yuan)每(mei)日(ri)更(geng)換(huan)。”

　　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，還包括氫能發電、工業應用及建築應用等，不僅可以作為建築熱電聯供電源、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，讓以固態儲氫為氫源的氫燃料電池動力係統在無人駕駛、軍用單兵
、深海裝備等諸多領域發揮重要作用。 科技日報 　 作者： 張曄