當(dāng)前，我國正面臨能源安全和碳排放兩大挑戰(zhàn)，能源結(jié)構(gòu)亟待向低碳、清潔、智能化的方向轉(zhuǎn)型。氫能除了應(yīng)用于氫燃料電池汽車，還可應(yīng)用于發(fā)電、工業(yè)及其建筑等領(lǐng)域，因此，將氫能納入我國整個(gè)能源體系備受關(guān)注。
開發(fā)新型儲氫材料是氫能利用的重要研究方向。近日，Materials Today Nano、Journal of Materials Chemistry A等期刊相繼發(fā)表了儲氫材料的相關(guān)研究，其中，固態(tài)儲氫材料因其具有儲氫密度高、工作壓力適中、安全性能好等優(yōu)勢，被認(rèn)為極具應(yīng)用前景。
日前，國家有色金屬新能源材料與制品工程技術(shù)研究中心主任蔣利軍在接受采訪時(shí)指出，高密度儲存和安全儲運(yùn)是當(dāng)前整個(gè)氫能供應(yīng)鏈中面臨的主要瓶頸，而采用固態(tài)儲氫將成為其破解之道。
固態(tài)儲氫密度高又安全
氫具有最高的重量比能量，但其體積能量密度很低。因此，要想將氫能推向?qū)嵱?，就需要大幅提高氫能的體積能量密度。
蔣利軍介紹，目前一般采用高壓壓縮、液化或固化的方式，提高體積儲氫密度。在這三種方式中，固態(tài)儲氫具有最高的體積儲氫密度。
“固態(tài)儲氫相對于高壓氣態(tài)和液態(tài)儲氫，具有體積儲氫密度高、工作壓力低、安全性能好等優(yōu)勢。”蔣利軍說，如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(tǒng)換熱用能，使得整個(gè)燃料電池動力系統(tǒng)的能源效率得以提高。
因此，他認(rèn)為，采用固態(tài)儲氫是提高體積儲氫密度的最有效途徑。這是由其本身儲氫特性所決定的。氫氣先在固態(tài)儲氫材料表面催化分解為氫原子，氫原子再擴(kuò)散進(jìn)入到材料晶格內(nèi)部空隙中，形成金屬氫化物，因而其儲氫密度比液氫還要高。
不僅如此，高壓儲氫存在高壓泄漏、液氫儲氫存在蒸發(fā)泄漏等安全隱患，固態(tài)儲氫則可做到常溫常壓儲氫，儲氫容器易密封。并且，當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件如泄漏時(shí)，由于固態(tài)儲氫放氫需吸收熱量，因而可以自控式地降低氫氣泄漏速度和泄漏量，為采取安全措施贏得時(shí)間，從而提高了儲氫裝置的使用安全性。
國內(nèi)外研究成果豐碩
蔣利軍告訴記者，近年來，國際上成熟的儲氫材料已在熱電聯(lián)供、儲能、摩托車載燃料電池等多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。德國HDW公司將開發(fā)的TiFe系固態(tài)儲氫系統(tǒng)用于燃料電池AIP潛艇中，是固態(tài)儲氫迄今為止最成功的商業(yè)應(yīng)用。
我國在固態(tài)儲氫應(yīng)用上也取得了較大進(jìn)展。TiMn系固態(tài)車儲氫系統(tǒng)已成功應(yīng)用于燃料電池客車，不需高壓加氫站，在5兆帕氫壓下15分鐘左右即可充滿氫，已累計(jì)運(yùn)行1.5萬公里;40立方米固態(tài)儲氫系統(tǒng)與5千瓦燃料電池系統(tǒng)成功耦合，作為通信基站備用電源，可持續(xù)運(yùn)行16小時(shí)以上;小型儲氫罐已批量用于衛(wèi)星氫原子鐘中，為其提供了安全氫源。截至目前，我國還建立了3項(xiàng)固態(tài)儲氫相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)。
據(jù)蔣利軍介紹，盡管上述儲氫材料技術(shù)已較為成熟，并得到了實(shí)際應(yīng)用，但其重量儲氫率仍然偏低，難以滿足車載儲氫的技術(shù)要求，需要更高重量儲氫率的新型儲氫材料。這些高容量儲氫材料多為氫元素形成的離子鍵、共價(jià)鍵氫化物，但鍵合力太強(qiáng)，放氫溫度過高。
蔣利軍說，對于這些新型高容量儲氫材料，目前主要通過納米化、復(fù)合化和催化等方法，來調(diào)控其熱力學(xué)、動力學(xué)和循環(huán)壽命性能。如韓國漢陽大學(xué)制備出了三維碳材料納米限域和過渡金屬修飾的MgH2納米復(fù)合材料，可在80℃放出4wt%(質(zhì)量百分比)的氫氣，180℃下放氫量可達(dá)6.55wt%，并具有較好的吸放氫循環(huán)性能;澳大利亞新南威爾士大學(xué)制備出具有核殼結(jié)構(gòu)的鎳催化氨硼烷納米儲氫材料，使原來不可逆儲氫的氨硼烷具有了部分可逆儲氫性能。
我國近期合成的N-Nb2O5摻雜的MgH2起始放氫溫度也已降至170℃。但是總體來看，這些材料仍存在熱力學(xué)穩(wěn)定性過高、儲氫量偏低、可逆性較差等問題。
要直面市場需求
盡管國內(nèi)外固態(tài)儲氫材料的研究成果不斷，但蔣利軍仍認(rèn)為這類材料的綜合性能還不能完全滿足燃料電池動力系統(tǒng)的應(yīng)用要求，特別是燃料電池乘用車車載儲氫的要求。
為提高重量儲氫率，一系列的配位氫化物、金屬氨基氫化物、金屬氨硼烷等輕質(zhì)高容量儲氫材料被相繼開發(fā)出來。雖然這些材料具有較高的重量儲氫率，但仍存在吸放氫溫度高、吸放氫速度慢、可逆吸放氫循環(huán)性能差、低成本規(guī)?；苽浼夹g(shù)欠缺等問題。
此外，儲氫材料成本偏高也是制約其發(fā)展的一個(gè)重要因素。一方面，受有色金屬原料價(jià)格波動影響，儲氫材料的原料成本變動較大;另一方面，這些材料應(yīng)用的市場小、制造批量小、成品率低，導(dǎo)致其制造成本較高。
蔣利軍說，要解決這些問題，就要讓研究走出“象牙塔”，直接面向市場需求，與最終用戶緊密合作，開展實(shí)用型儲氫新材料開發(fā)、配套工程化和應(yīng)用技術(shù)開發(fā)。
他建議，首先要加快成熟儲氫材料的應(yīng)用。要認(rèn)真分析細(xì)分市場，在現(xiàn)有成熟的儲氫材料中篩選出性價(jià)比最合適的配對材料，開展工程化和應(yīng)用技術(shù)研究，使成熟的儲氫材料能盡快在特定的細(xì)分市場中得到很好的應(yīng)用。
其次，要以產(chǎn)品為導(dǎo)向，開發(fā)高容量儲氫新材料，以滿足綜合性能為導(dǎo)引，避免片面追求高容量，做到有的放矢。
第三，將成本核算引入到研發(fā)階段。研發(fā)時(shí)不僅要追求高性能，還要充分考慮材料成本和批量制造成本，找到原材料成本低、批量制備技術(shù)易于控制的材料和技術(shù)。
最后，由于儲氫系統(tǒng)涉及氫和壓力容器，使用安全也至關(guān)重要，必須要以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為保障。目前儲氫材料和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及安全評價(jià)體系尚待完善，相關(guān)安全評價(jià)裝備和檢測基地也不完備，需要從宏觀層面加以推動。
蔣利軍認(rèn)為，氫能既可以大規(guī)模儲存，又可以跨區(qū)域、跨季節(jié)地調(diào)度，且使用多樣化，使整個(gè)能源體系變得更高效、更柔性。氫能通過電氫協(xié)同，將成為整個(gè)能源結(jié)構(gòu)中的橋梁和紐帶，與太陽能、風(fēng)能等清潔能源一起，構(gòu)成清潔的、可持續(xù)的能源體系。
他對固態(tài)儲氫的經(jīng)濟(jì)性充滿信心，“內(nèi)蒙古地區(qū)風(fēng)能、稀土資源豐富，但棄風(fēng)嚴(yán)重，鑭鈰稀土積壓嚴(yán)重，而稀土儲氫材料恰恰大量使用了鑭鈰元素。如能借機(jī)在當(dāng)?shù)匕l(fā)展風(fēng)電制氫、稀土系固態(tài)儲氫，則能使這兩種優(yōu)勢資源協(xié)同發(fā)展，走出一條具有中國特色的氫能發(fā)展之路”。
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