讓固體氫能源走進“便利店”

讓固體氫能源走進“便利店”

從儲氫材料到儲氫系統(tǒng)全鏈式的協(xié)同創(chuàng)新，“高效安全儲供氫及氫同位素處理新材料關鍵技術及應用”項目發(fā)展了安全高效實用的儲氫同位素技術，實現(xiàn)了可再生能源領域的應用，如在氚工藝系統(tǒng)、氫原子鐘、燃料電池汽車和氫儲能方面已實現(xiàn)應用和成果轉(zhuǎn)化。

未來，只需安裝一個礦泉水瓶大小的氫氣罐(70克氫),氫能自行車就可以跑80公里。這些氫氣用完也無須擔心，從街頭巷尾的便利店甚至自動販賣機里，就能購買或更換氫氣罐……

未來，固態(tài)儲氫裝置還可以與客車底盤進行一體化設計，氫能汽車的外觀和現(xiàn)在的油車、電車一樣。但它們不再需要頻繁光顧加油站，充電站，而是去加氫站進行補給——轎車行駛1000公里只需要低壓充氫3~5分鐘，就算是大巴車，充滿氫也就是10~15分鐘。

上述這些場景并不是天方夜譚，而是指日可待。

綠色“氫寶寶”——變身氫能大力士

無論是固態(tài)儲氫材料，還是氫能自行車，都離不開氫氣這個無色無味卻又“臭脾氣”的小家伙。

16世紀中葉，瑞士科學家無意間從酸腐蝕金屬的過程中發(fā)現(xiàn)了一種可以燃燒的氣體。18世紀，英國化學家卡文迪許通過化學反應制取此種氣體，并在論文中闡述了他對這種可燃氣體的實驗研究。到了1787年，法國化學家拉瓦錫以“氫”來命名這種可燃氣體。經(jīng)過200多年的孕育，氫氣才“姍姍來遲”,正式登上了歷史舞臺。

而時至今日，從五彩繽紛的氫氣球，到化學工業(yè)中合成品的原料，再到航天工業(yè)中的高性能燃料，人們的生活生產(chǎn)中到處都有氫氣的身影。

目前，氫的來源主要有三種：

一是“灰氫”,這是化石燃料(石油、天然氣、煤炭等)經(jīng)過化學反應產(chǎn)生的氫氣?！盎覛洹痹谏a(chǎn)過程中會有二氧化碳等大氣污染物排放，如今占據(jù)了主要市場。

二是“藍氫”,采用化石燃料制得氫氣的同時，通過碳捕集、利用與儲存(CCS)等技術，降低了二氧化碳等溫室氣體的排放，實現(xiàn)了低碳制氫。

三是“綠氫”,即采用可再生電力電解水制氫，制得的氫氣，從源頭上實現(xiàn)二氧化碳的零排放。

目前，我國是世界最大的制氫國，年制氫量約3780萬噸，并以煤制氫方式為主(占比約63%)。未來，隨著可再生能源發(fā)電的成本持續(xù)降低，“綠氫”占比將逐年上升，預計2050年將達到70%。

20世紀70年代“石油危機”期間，美國通用汽車公司首次提出了“氫經(jīng)濟”概念，設想用可再生能源或核能制氫來替代石油。但在隨后的幾十年中，氫能的發(fā)展隨著環(huán)保和經(jīng)濟形勢多次起落。在全球氣候異常不斷，大自然一次次給人類敲響警鐘之后，主要發(fā)達國家陸續(xù)提出了減排二氧化碳的國家戰(zhàn)略——氫能作為極具前景的清潔二次能源形式，被視為是支撐可再生能源替代化石燃料的重要選擇，迎來了新的歷史機遇。

儲氫材料

團隊成員正在操作試驗

“氫寶寶”的三種搖籃——固態(tài)儲氫最有前途

氫氣很“輕”,其密度只有空氣的十四分之一。但作為易燃氣體，它的儲運卻是“重中之重”。儲運是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的重要環(huán)節(jié)，同時也是氫能產(chǎn)業(yè)化應用的“瓶頸”。

氫氣的儲存方法主要包括高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、固態(tài)儲氫三種。

高壓氣態(tài)儲氫是指在高壓下將氫氣壓縮，使其以高密度氣態(tài)的形式儲存。該方法具有能耗低、供氫快捷等特點，是如今技術最成熟、最常用的儲氫技術。其缺點是儲氫容器占用空間大，承壓容器材料氫脆風險高，氫氣密封難度大。例如，新一代豐田Mirai氫燃料電池乘用車，采用3個儲氫罐，兩大一小，分別布置在車廂中央、后排座椅下方和后備廂處，雖然比第一代有所優(yōu)化，但較大的儲氫罐還是擠占了本該屬于乘客的空間。

目前，我國常以20MPa鋼瓶用于固定儲氫(產(chǎn)量占世界總量的70%);車載儲氫則主要采用35MPa碳纖維纏繞Ⅲ型瓶，70MPa碳纖維纏繞Ⅲ型瓶處于少量裝車運行階段。

低溫液態(tài)儲氫方式則是將氫氣壓縮，在低溫環(huán)境下膨脹制冷后使其成為液態(tài)。為了使氫保持液態(tài)，必須有極好的絕熱保護，絕熱層增大了液氫儲罐的體積和重量，如大型運載火箭使用液氫作為燃料、液氧作為氧化劑時，其儲存裝置甚至占到整個火箭一半以上的空間。低溫液態(tài)儲氫方式的能耗高，成本可達到壓縮儲氫的8倍，在我國至今基本沒有進入民用領域。

固態(tài)儲氫，通俗地說就是找到一種固態(tài)介質(zhì)吸附氫氣，需要的時候再釋放出來。相對于高壓氣態(tài)儲氫和低溫液態(tài)儲氫，這種方案具有工作壓力低、安全性能好、體積儲氫密度高等優(yōu)勢。若與燃料電池一體化集成，還可充分利用燃料電池余熱，通過吸熱放氫降低系統(tǒng)換熱用能，使得整個燃料電池動力系統(tǒng)的能源效率得以提高——可以說，采用固態(tài)儲氫是提高體積儲氫密度的最有效途徑。2022年某公司推出的一款售價12800元的氫能自行車，就采用了固態(tài)儲氫技術。

三項關鍵技術助力固態(tài)儲氫發(fā)展

固態(tài)儲氫可以分為物理吸附儲氫和化學儲氫。在各種化學儲氫方法中，以金屬氫化物儲氫技術的應用最廣泛，該技術將氫以金屬氫化物的形式儲存于儲氫材料中。已經(jīng)研發(fā)的儲氫材料可以大致分為鎂基、鑭鎳基、鈦鐵基等，固態(tài)儲氫技術具有儲氫密度高、壓力低、安全性好、放氫純度高等優(yōu)勢。

如今，固態(tài)儲氫產(chǎn)業(yè)化進程正處于加快階段，國外的固態(tài)儲氫技術已經(jīng)在艦艇中有商業(yè)化的應用，在分布式發(fā)電和風電制氫規(guī)模儲氫中也得到了示范應用。在這種背景下，有研工程技術研究院有限公司蔣利軍團隊開發(fā)的“高效安全儲供氫及氫同位素處理新材料關鍵技術及應用”項目成果，在固態(tài)儲氫技術研發(fā)和應用方面取得了重要創(chuàng)新，獲得了北京市科學技術獎技術發(fā)明二等獎。

為了加快固態(tài)儲氫在我國的應用，研發(fā)團隊重點突破了三項關鍵技術：一是高儲氫容量材料開發(fā)及其工程化制備技術；二是基于儲氫熱/動力學特性的傳熱傳質(zhì)模擬仿真技術；三是固態(tài)儲氫系統(tǒng)安全評價和測試技術。團隊最新研制的儲氫材料，氫氣儲存容量可達每立方米150千克。

值得一提的是，為了保證使用的安全，研發(fā)團隊對儲氫材料進行了多種特殊處理——經(jīng)特殊成型后形成的儲氫元件，在空氣中不自燃、遇水不分解放氫、點火不燃燒。這種儲氫元件已通過了應急管理部化學品等級中心的鑒定，鑒定結果稱其“不屬于危險貨物”,為今后的應用提供了很大的便利。

為了保證極端情況下儲氫元件的安全性，研發(fā)團隊通過適當?shù)牟牧显O計，保證了儲罐最高溫升壓力仍可控制在13.5MPa以下，此時只有3%的氫氣作為高壓氫存在，而其余97%的氫氣仍然安全地儲存于儲氫材料當中。

為了避免發(fā)生因儲氫材料吸氫膨脹，導致儲氫罐體脹裂的問題，研發(fā)團隊則采取了特殊成型技術，將吸/放氫過程中的儲氫合金晶格膨脹應力部分吸收，使得固態(tài)儲氫罐即使在70%高裝填率下，也可以將吸氫最大應變值控制在1000με以下，確保罐體不發(fā)生塑性變形。

掌握了安全的儲氫元件，研發(fā)團隊進一步面向不同應用場景，開發(fā)了一系列的儲氫裝置，包括便攜式應用、固定式應用、加氫站站用及車載應用等。另外，在大規(guī)模的氫儲能方面，研發(fā)團隊已經(jīng)與相關單位合作進行了探索，例如已通過論證的張家口200兆瓦·時/800兆瓦·時氫儲能調(diào)峰電站。這座電站是目前全球最大的氫儲能發(fā)電項目，每天制儲氫58噸，發(fā)電80萬度。

以5千瓦的燃料電池每天供能20小時、連續(xù)供能1周的場景為例：如果按照燃料電池系統(tǒng)1萬元/千瓦、制氫系統(tǒng)2萬元/千瓦、固態(tài)儲氫裝置0.8萬元/千克氫氣來進行計算，單位儲能成本就是1.02元/(瓦·時)。與我國2020年公開招標的鋰電池1.2~1.68元/(瓦·時)相比，氫儲能分布式發(fā)電在長周期的儲能應用場景下具有成本競爭力，尤其適用于工業(yè)園區(qū)風光氫儲分布式發(fā)電系統(tǒng)或獨立微網(wǎng)當中。

目前，研發(fā)團隊開發(fā)的新型儲氫裝置已經(jīng)分別應用于燃料電池客車、物流車、助力車和游艇等，最大的優(yōu)點就是便于加氫，安全性提高。2019年，研發(fā)團隊成功參與開發(fā)出全球首輛低壓合金儲氫燃料電池公交車；2020年4月，4.5噸低壓合金儲氫式氫燃料電池冷鏈物流展示車成功下線；最近，研發(fā)團隊還開發(fā)出適用于1.5噸叉車的固態(tài)儲氫裝置樣機，首批次15臺套的固態(tài)儲氫燃料電池叉車即將示范運行。

在雙碳目標驅(qū)動下，氫能應用范圍不僅限于燃料電池汽車，還包括了氫能發(fā)電、工業(yè)應用及建筑應用等。氫能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，還能夠與數(shù)字化技術結合，讓以固態(tài)儲氫為基礎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。

綠氫+固態(tài)儲氫——實現(xiàn)完美供氫鏈

制氫是氫能供應鏈的第一環(huán)，其成本占到整個氫能供應鏈的30%。氫能的配送和加氫成本占比則分別約為20%和50%。如今加氫成本高的原因有兩個，一是高壓裝備成本高，二是運營維護成本高。

為了應對這個問題，研發(fā)團隊正在努力推進“44工程”,嘗試研發(fā)低電耗制氫電極材料，降低綠電電解水制取“綠氫”的電耗，爭取做到每4度電制取1立方米氫氣，如此制取的4MPa綠氫直接通入4MPa的純氫輸氫管道后，送到低壓加氫站中，4MPa直接加氫，充入燃料電池汽車車載儲氫系統(tǒng)中，實現(xiàn)4wt%(質(zhì)量百分比)的車載儲氫密度。

低壓加氫技術省去了高壓加氫站中的高壓壓縮機和高壓儲罐，簡化了流程、降低了配置，可讓建站成本從1000萬元降到300萬元以下。同時，低壓設備的運營、維護成本也大大降低，氫氣的成本可從60元/千克降到40元/千克。

值得一提的是，為了加快“綠氫”的發(fā)展，如今世界各國已經(jīng)分別提出了各自的綠氫成本目標，比如美國希望在10年內(nèi)將綠氫生產(chǎn)成本降到1美元/千克，澳大利亞希望將綠氫生產(chǎn)成本控制在2美元/千克，而我國則希望在2030年將綠氫生產(chǎn)成本控制在13元/千克。

團隊負責人表示，采用固態(tài)儲氫與“綠氫”結合，具有以下優(yōu)勢：首先，儲氫時不需要另配壓縮機，可以直接低壓儲氫，從而節(jié)省了裝備的投資、降低了能耗；其次，安全性好，即使槍擊也不會引發(fā)爆炸，僅會有一個小火苗緩慢燃燒；最后，儲氫密度高、占地面積小，一個儲罐可以頂三個同體積的高壓儲罐。

低壓合金儲氫燃料電池冷鏈物流車