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系統已用于驅動自行車受訪者供圖
固態儲氫相對于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系統的樣車。
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。雖然只是試驗示范項目，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利用、可持續發展。
當前，我國正面臨著能源安全和碳排放兩大挑戰，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。
氣態儲氫較為常見，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845倍，但低溫液態儲氫不經濟。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，開發新型高效的儲氫材料、安全的儲氫技術對氫能的開發利用至關重要。
含鎂固態儲氫系統成本接近鋰電池
“固態儲氫相對于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，目前他們開發的低溫固態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、車載燃料電池氫源系統等多個領域得到應用，德國一家公司甚至將固態儲氫系統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，當固態儲氫材料得到發展后，氫能利用將會有極大地改變。
比如，將固態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，降低系統熱能消耗，使得整個燃料電池動力系統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、永安行等企業開展合作，推出固態儲氫動力系統的摩托車、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系統，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，還包括氫能發電、工業應用及建筑應用等，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，讓以固態儲氫為氫源的氫燃料電池動力系統在無人駕駛、軍用單兵、深海裝備等諸多領域發揮重要作用。
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