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蔣利軍:固態(tài)儲(chǔ)氫材料要直面市場(chǎng)需求

中國(guó)科學(xué)報(bào)發(fā)布時(shí)間:2020-04-09 10:29:29

  當(dāng)前,我國(guó)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(chē),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(guó)整個(gè)能源體系備受關(guān)注。

  開(kāi)發(fā)新型儲(chǔ)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(chǔ)氫材料的相關(guān)研究,其中,固態(tài)儲(chǔ)氫材料因其具有儲(chǔ)氫密度高、工作壓力適中、安全性能好等優(yōu)勢(shì),被認(rèn)為極具應(yīng)用前景。

  日前,國(guó)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(fǎng)時(shí)指出,高密度儲(chǔ)存和安全儲(chǔ)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(chǔ)氫將成為其破解之道。

  固態(tài)儲(chǔ)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(chǔ)氫密度。在這三種方式中,固態(tài)儲(chǔ)氫具有最高的體積儲(chǔ)氫密度。

  “固態(tài)儲(chǔ)氫相對(duì)于高壓氣態(tài)和液態(tài)儲(chǔ)氫,具有體積儲(chǔ)氫密度高、工作壓力低、安全性能好等優(yōu)勢(shì)。”蔣利軍說(shuō),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(dòng)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(chǔ)氫是提高體積儲(chǔ)氫密度的最有效途徑。這是由其本身儲(chǔ)氫特性所決定的。氫氣先在固態(tài)儲(chǔ)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(chǔ)氫密度比液氫還要高。

  不僅如此,高壓儲(chǔ)氫存在高壓泄漏、液氫儲(chǔ)氫存在蒸發(fā)泄漏等安全隱患,固態(tài)儲(chǔ)氫則可做到常溫常壓儲(chǔ)氫,儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)氫裝置的使用安全性。

  國(guó)內(nèi)外研究成果豐碩

  蔣利軍告訴記者,近年來(lái),國(guó)際上成熟的儲(chǔ)氫材料已在熱電聯(lián)供、儲(chǔ)能、摩托車(chē)載燃料電池等多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。德國(guó)HDW公司將開(kāi)發(fā)的TiFe系固態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)用于燃料電池AIP潛艇中,是固態(tài)儲(chǔ)氫迄今為止最成功的商業(yè)應(yīng)用。

  我國(guó)在固態(tài)儲(chǔ)氫應(yīng)用上也取得了較大進(jìn)展。TiMn系固態(tài)車(chē)儲(chǔ)氫系統(tǒng)已成功應(yīng)用于燃料電池客車(chē),不需高壓加氫站,在5兆帕氫壓下15分鐘左右即可充滿(mǎn)氫,已累計(jì)運(yùn)行1.5萬(wàn)公里;40立方米固態(tài)儲(chǔ)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(chǔ)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(guó)還建立了3項(xiàng)固態(tài)儲(chǔ)氫相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

  據(jù)蔣利軍介紹,盡管上述儲(chǔ)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?jī)?chǔ)氫率仍然偏低,難以滿(mǎn)足車(chē)載儲(chǔ)氫的技術(shù)要求,需要更高重量?jī)?chǔ)氫率的新型儲(chǔ)氫材料。這些高容量?jī)?chǔ)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(guò)高。

  蔣利軍說(shuō),對(duì)于這些新型高容量?jī)?chǔ)氫材料,目前主要通過(guò)納米化、復(fù)合化和催化等方法,來(lái)調(diào)控其熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和循環(huán)壽命性能。如韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)制備出了三維碳材料納米限域和過(guò)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(chǔ)氫材料,使原來(lái)不可逆儲(chǔ)氫的氨硼烷具有了部分可逆儲(chǔ)氫性能。

  我國(guó)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(lái)看,這些材料仍存在熱力學(xué)穩(wěn)定性過(guò)高、儲(chǔ)氫量偏低、可逆性較差等問(wèn)題。

  要直面市場(chǎng)需求

  盡管?chē)?guó)內(nèi)外固態(tài)儲(chǔ)氫材料的研究成果不斷,但蔣利軍仍認(rèn)為這類(lèi)材料的綜合性能還不能完全滿(mǎn)足燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的應(yīng)用要求,特別是燃料電池乘用車(chē)車(chē)載儲(chǔ)氫的要求。

  為提高重量?jī)?chǔ)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?jī)?chǔ)氫材料被相繼開(kāi)發(fā)出來(lái)。雖然這些材料具有較高的重量?jī)?chǔ)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(wèn)題。

  此外,儲(chǔ)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(dòng)影響,儲(chǔ)氫材料的原料成本變動(dòng)較大;另一方面,這些材料應(yīng)用的市場(chǎng)小、制造批量小、成品率低,導(dǎo)致其制造成本較高。

  蔣利軍說(shuō),要解決這些問(wèn)題,就要讓研究走出“象牙塔”,直接面向市場(chǎng)需求,與最終用戶(hù)緊密合作,開(kāi)展實(shí)用型儲(chǔ)氫新材料開(kāi)發(fā)、配套工程化和應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)。

  他建議,首先要加快成熟儲(chǔ)氫材料的應(yīng)用。要認(rèn)真分析細(xì)分市場(chǎng),在現(xiàn)有成熟的儲(chǔ)氫材料中篩選出性?xún)r(jià)比最合適的配對(duì)材料,開(kāi)展工程化和應(yīng)用技術(shù)研究,使成熟的儲(chǔ)氫材料能盡快在特定的細(xì)分市場(chǎng)中得到很好的應(yīng)用。

  其次,要以產(chǎn)品為導(dǎo)向,開(kāi)發(fā)高容量?jī)?chǔ)氫新材料,以滿(mǎn)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(chǔ)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(chǔ)氫材料和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及安全評(píng)價(jià)體系尚待完善,相關(guān)安全評(píng)價(jià)裝備和檢測(cè)基地也不完備,需要從宏觀層面加以推動(dòng)。

  蔣利軍認(rèn)為,氫能既可以大規(guī)模儲(chǔ)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(guò)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(yáng)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(duì)固態(tài)儲(chǔ)氫的經(jīng)濟(jì)性充滿(mǎn)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(chǔ)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(chǔ)氫,則能使這兩種優(yōu)勢(shì)資源協(xié)同發(fā)展,走出一條具有中國(guó)特色的氫能發(fā)展之路”。

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