氢气变身“固态油箱”或改变未来能源格局

装上2个小巧的氢气罐,电动自行车就可以行驶120公里;氢气用完也无须担心,街头巷尾的便利店就能购买更换;氢气罐即使破损也没有危险,罐子里倒出来的全是合金粉末……

这可不是什么科幻片里的场景,而是江苏某企业在2021第二十届中国北方国际自行车电动车展览上,展示的两款采用氢能源作为发电系统的样车。

近几年来,以固态储氢为能源供应的大巴车、卡车、冷藏车、备用电源等在我国相继问世。虽然只是试验示范项目,但还是在氢能源圈内引发了极大的关注。

固态储氢改变氢气高密度储存和安全应用两个难题,究竟是如何实现的?氢气的储运难题一旦获得解决,氢能源将在哪些领域发挥作用?带着这些问题,记者前采访了江苏省产业技术研究院集萃先进能源材料与应用技术研究所所长周少雄博士。

存储和运输问题影响了氢能利用

化学元素氢(H),在元素周期表中位列第一,是所有原子中最小的。

但这个无色无味的“小家伙”却是宇宙中最常见的元素,氢及其同位素占到了太阳总质量的84%,宇宙质量的75%都是氢。

“我们现在还生活在碳时代,但是在未来,氢能将是举足轻重的能源。”周少雄告诉记者,氢资源丰富,可以由水制取,氢供给燃料电池的产物还是水,不仅是世界上最干净的能源,还能实现能源物质循环利用、可持续发展。

当前,我国正面临着能源安全和碳排放两大挑战,在碳中和、碳达峰的目标下,必须调整当前过度依赖化石能源的能源结构,而将氢能纳入整个能源体系中,有助于改善我国的高碳能源结构,保障能源安全。

但是,从人类认识到氢气可以燃烧至今,已经过去200多年,氢能的高效利用仍然进展缓慢。

“氢能的利用,涉及制氢、储运、应用3个环节,其中高密度安全储运氢是主要的瓶颈问题。”周少雄说,氢在通常条件下以气态形式存在, 且易燃、易爆、易扩散,这就给氢的储存和运输带来了很大的困难。

目前,氢气的储运主要分为气态、液态和固态3种方式。

气态储氢较为常见,可分为低压和高压两种。过去,街头巷尾卖气球的小贩,会载着一个大钢瓶,这就是低压储氢罐。而高压气态储氢最高气压可达70兆帕,目前我国常见的高压储氢气压也达到35兆帕,这就对压力容器提出了极高要求,目前高压储氢罐采用碳纤维制造,成本极高且要消耗较大的能源进行压缩。

氢气在一定的低温下,会以液态形式存在。因此,可以将氢气压缩、冷却实现液态储存。常温、常压下液氢的密度为气态氢的845倍,但低温液态储氢不经济。氢气液化要消耗较大的冷却能量,而且必须使用超低温用的特殊容器,目前仅在储存空间有限的场合使用,如火箭发动机等。

与化石能源或电力等其他非化石能源相比,氢能由于尚未很好地解决储运问题,所以一直处在叫好不叫座的尴尬境地。因此,开发新型高效的储氢材料、安全的储氢技术对氢能的开发利用至关重要。

含镁固态储氢系统成本接近锂电池

“固态储氢相对于高压气态和液态储氢,具有体积储氢密度高、工作压力低、安全性能好等优势。”周少雄介绍,固态储氢是未来高密度储存和安全氢能利用的发展方向。

固态储存需要用到储氢材料,目前技术较为成熟的储氢材料主要是金属合金。

储氢合金一般由两部分组成,一部分为吸氢元素或与氢有很强亲和力的元素,它控制着储氢量的多少,是组成储氢合金的关键元素,主要包括钛、镁等;另一部分是吸氢量小或根本不吸氢的元素,常见的有铁、镍等。

这些合金材料与氢气在低温的条件下发生化学反应,氢气在其表面分解为氢原子。合金材料内部有大量细微的晶格,氢原子扩散进入到晶格内部空隙中,形成金属氢化物。

想要把氢原子“释放”出来也很简单,只需施加一定热量,储氢材料就可以析出氢气。

周少雄告诉记者,目前他们开发的低温固态储氢材料可以存储其体积上百倍的氢气,因而其储氢密度比液氢还高。这些合金材料性能非常稳定,不会燃烧爆炸,可逆性好,重复使用不低于5000次。

“以我们开发的一种新型储氢材料为例,主要成分是镁和稀土元素镧、铈等,在炉中熔化冶炼,冷却成型,再破碎成粉末就可以了。”周少雄说,镁是自然界普遍存在的一种元素,镧、铈在稀土元素中储量丰富,因此综合成本已逼近锂电池。

近年来,世界各国在固态储氢应用和新型储氢材料的研发上取得了诸多进展,成熟的储氢材料已在热电联供、储能、车载燃料电池氢源系统等多个领域得到应用,德国一家公司甚至将固态储氢系统用于燃料电池潜艇中。

据周少雄介绍,他们最新研制的含镁储氢材料,储存容量可达每立方米110千克,远超美国能源局提出的储氢“终极目标”,但是制约其应用的是放氢温度过高,需要达到250℃以上。目前,科学家正通过各种方法来调控其热力学、动力学和循环寿命性能,希望可以早日实现商用。

氢气变身“固态油箱”或改变未来能源格局

日本丰田、韩国现代等企业投入巨资、耗时数十年研发氢能源汽车,但受制于加氢站建设的瓶颈,市场推广并不顺利。

“由于氢能储运问题没有解决,燃料电池成本较高,所以氢能源汽车还处在政府补贴、示范运行的阶段。”周少雄说,当固态储氢材料得到发展后,氢能利用将会有极大地改变。

比如,将固态储氢装置与燃料电池一体化集成,可充分利用燃料电池余热,吸热放氢,降低系统热能消耗,使得整个燃料电池动力系统的能源效率得以提高。

“目前,我们已建成国内唯一一条年产800吨储氢材料的生产线,并与九号公司、永安行等企业开展合作,推出固态储氢动力系统的摩托车、电动自行车等。”周少雄告诉记者,低温固态储氢材料技术成熟,成本可控,整套装置全部实现国产化,无需政府补贴也可以实现商业化应用。

周少雄介绍,他们开发的以固态储氢为氢源的百瓦级氢燃料电池发电系统,只需55克氢气就能驱动自行车行驶80公里,而这55克氢气就储存在一个普通矿泉水瓶大小的罐子里,储氢压力仅相当于普通气球。

周少雄大胆预言:“固态储氢罐可以做成像干电池一样的产品,未来可在便利店或超市随处购买,也可以将使用完的氢能源空瓶放置存储箱,由快递员每日更换。”

未来,解决了储运难题,氢能的应用不仅是备受关注的燃料电池汽车,还包括氢能发电、工业应用及建筑应用等,不仅可以作为建筑热电联供电源、微网的可靠电源与移动基站的备用电源,还能够与数字化技术结合,让以固态储氢为氢源的氢燃料电池动力系统在无人驾驶、军用单兵、深海装备等诸多领域发挥重要作用。

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