裝上2個(gè)小巧的氫氣罐，電動(dòng)自行車(chē)就可以行駛120公里;氫氣用完也無(wú)須擔(dān)心，街頭巷尾的便利店就能購(gòu)買(mǎi)更換;氫氣罐即使破損也沒(méi)有危險(xiǎn)，罐子里倒出來(lái)的全是合金粉末……
這可不是什么科幻片里的場(chǎng)景，而是江蘇某企業(yè)在2021第二十屆中國(guó)北方國(guó)際自行車(chē)電動(dòng)車(chē)展覽上，展示的兩款采用氫能源作為發(fā)電系統(tǒng)的樣車(chē)。
近幾年來(lái)，以固態(tài)儲(chǔ)氫為能源供應(yīng)的大巴車(chē)、卡車(chē)、冷藏車(chē)、備用電源等在我國(guó)相繼問(wèn)世。雖然只是試驗(yàn)示范項(xiàng)目，但還是在氫能源圈內(nèi)引發(fā)了極大的關(guān)注。
固態(tài)儲(chǔ)氫改變氫氣高密度儲(chǔ)存和安全應(yīng)用兩個(gè)難題，究竟是如何實(shí)現(xiàn)的?氫氣的儲(chǔ)運(yùn)難題一旦獲得解決，氫能源將在哪些領(lǐng)域發(fā)揮作用?帶著這些問(wèn)題，科技日?qǐng)?bào)記者5月22日采訪了江蘇省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院集萃先進(jìn)能源材料與應(yīng)用技術(shù)研究所所長(zhǎng)周少雄博士。
存儲(chǔ)和運(yùn)輸問(wèn)題影響了氫能利用
化學(xué)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(gè)無(wú)色無(wú)味的“小家伙”卻是宇宙中最常見(jiàn)的元素，氫及其同位素占到了太陽(yáng)總質(zhì)量的84%，宇宙質(zhì)量的75%都是氫。
“我們現(xiàn)在還生活在碳時(shí)代，但是在未來(lái)，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(chǎn)物還是水，不僅是世界上最干凈的能源，還能實(shí)現(xiàn)能源物質(zhì)循環(huán)利用、可持續(xù)發(fā)展。
當(dāng)前，我國(guó)正面臨著能源安全和碳排放兩大挑戰(zhàn)，在碳中和、碳達(dá)峰的目標(biāo)下，必須調(diào)整當(dāng)前過(guò)度依賴(lài)化石能源的能源結(jié)構(gòu)，而將氫能納入整個(gè)能源體系中，有助于改善我國(guó)的高碳能源結(jié)構(gòu)，保障能源安全。
但是，從人類(lèi)認(rèn)識(shí)到氫氣可以燃燒至今，已經(jīng)過(guò)去200多年，氫能的高效利用仍然進(jìn)展緩慢。
“氫能的利用，涉及制氫、儲(chǔ)運(yùn)、應(yīng)用3個(gè)環(huán)節(jié)，其中高密度安全儲(chǔ)運(yùn)氫是主要的瓶頸問(wèn)題。”周少雄說(shuō)，氫在通常條件下以氣態(tài)形式存在,且易燃、易爆、易擴(kuò)散，這就給氫的儲(chǔ)存和運(yùn)輸帶來(lái)了很大的困難。
目前，氫氣的儲(chǔ)運(yùn)主要分為氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)3種方式。
氣態(tài)儲(chǔ)氫較為常見(jiàn)，可分為低壓和高壓兩種。過(guò)去，街頭巷尾賣(mài)氣球的小販，會(huì)載著一個(gè)大鋼瓶，這就是低壓儲(chǔ)氫罐。而高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫最高氣壓可達(dá)70兆帕，目前我國(guó)常見(jiàn)的高壓儲(chǔ)氫氣壓也達(dá)到35兆帕，這就對(duì)壓力容器提出了極高要求，目前高壓儲(chǔ)氫罐采用碳纖維制造，成本極高且要消耗較大的能源進(jìn)行壓縮。
氫氣在一定的低溫下，會(huì)以液態(tài)形式存在。因此，可以將氫氣壓縮、冷卻實(shí)現(xiàn)液態(tài)儲(chǔ)存。常溫、常壓下液氫的密度為氣態(tài)氫的845倍，但低溫液態(tài)儲(chǔ)氫不經(jīng)濟(jì)。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(chǔ)存空間有限的場(chǎng)合使用，如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(chǔ)運(yùn)問(wèn)題，所以一直處在叫好不叫座的尷尬境地。因此，開(kāi)發(fā)新型高效的儲(chǔ)氫材料、安全的儲(chǔ)氫技術(shù)對(duì)氫能的開(kāi)發(fā)利用至關(guān)重要。
含鎂固態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)成本接近鋰電池
“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)。”周少雄介紹，固態(tài)儲(chǔ)氫是未來(lái)高密度儲(chǔ)存和安全氫能利用的發(fā)展方向。
固態(tài)儲(chǔ)存需要用到儲(chǔ)氫材料，目前技術(shù)較為成熟的儲(chǔ)氫材料主要是金屬合金。
儲(chǔ)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(qiáng)親和力的元素，它控制著儲(chǔ)氫量的多少，是組成儲(chǔ)氫合金的關(guān)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(jiàn)的有鐵、鎳等。
這些合金材料與氫氣在低溫的條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，氫氣在其表面分解為氫原子。合金材料內(nèi)部有大量細(xì)微的晶格，氫原子擴(kuò)散進(jìn)入到晶格內(nèi)部空隙中，形成金屬氫化物。
想要把氫原子“釋放”出來(lái)也很簡(jiǎn)單，只需施加一定熱量，儲(chǔ)氫材料就可以析出氫氣。
周少雄告訴記者，目前他們開(kāi)發(fā)的低溫固態(tài)儲(chǔ)氫材料可以存儲(chǔ)其體積上百倍的氫氣，因而其儲(chǔ)氫密度比液氫還高。這些合金材料性能非常穩(wěn)定，不會(huì)燃燒爆炸，可逆性好，重復(fù)使用不低于5000次。
“以我們開(kāi)發(fā)的一種新型儲(chǔ)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(shuō)，鎂是自然界普遍存在的一種元素，鑭、鈰在稀土元素中儲(chǔ)量豐富，因此綜合成本已逼近鋰電池。
近年來(lái)，世界各國(guó)在固態(tài)儲(chǔ)氫應(yīng)用和新型儲(chǔ)氫材料的研發(fā)上取得了諸多進(jìn)展，成熟的儲(chǔ)氫材料已在熱電聯(lián)供、儲(chǔ)能、車(chē)載燃料電池氫源系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，德國(guó)一家公司甚至將固態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)用于燃料電池潛艇中。
據(jù)周少雄介紹，他們最新研制的含鎂儲(chǔ)氫材料，儲(chǔ)存容量可達(dá)每立方米110千克，遠(yuǎn)超美國(guó)能源局提出的儲(chǔ)氫“終極目標(biāo)”，但是制約其應(yīng)用的是放氫溫度過(guò)高，需要達(dá)到250℃以上。目前，科學(xué)家正通過(guò)各種方法來(lái)調(diào)控其熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和循環(huán)壽命性能，希望可以早日實(shí)現(xiàn)商用。
氫氣變身“固態(tài)油箱”或改變未來(lái)能源格局
日本豐田、韓國(guó)現(xiàn)代等企業(yè)投入巨資、耗時(shí)數(shù)十年研發(fā)氫能源汽車(chē)，但受制于加氫站建設(shè)的瓶頸，市場(chǎng)推廣并不順利。
“由于氫能儲(chǔ)運(yùn)問(wèn)題沒(méi)有解決，燃料電池成本較高，所以氫能源汽車(chē)還處在政府補(bǔ)貼、示范運(yùn)行的階段。”周少雄說(shuō)，當(dāng)固態(tài)儲(chǔ)氫材料得到發(fā)展后，氫能利用將會(huì)有極大地改變。
比如，將固態(tài)儲(chǔ)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(tǒng)熱能消耗，使得整個(gè)燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的能源效率得以提高。
“目前，我們已建成國(guó)內(nèi)唯一一條年產(chǎn)800噸儲(chǔ)氫材料的生產(chǎn)線(xiàn)，并與九號(hào)公司、永安行等企業(yè)開(kāi)展合作，推出固態(tài)儲(chǔ)氫動(dòng)力系統(tǒng)的摩托車(chē)、電動(dòng)自行車(chē)等。”周少雄告訴記者，低溫固態(tài)儲(chǔ)氫材料技術(shù)成熟，成本可控，整套裝置全部實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，無(wú)需政府補(bǔ)貼也可以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。
周少雄介紹，他們開(kāi)發(fā)的以固態(tài)儲(chǔ)氫為氫源的百瓦級(jí)氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，只需55克氫氣就能驅(qū)動(dòng)自行車(chē)行駛80公里，而這55克氫氣就儲(chǔ)存在一個(gè)普通礦泉水瓶大小的罐子里，儲(chǔ)氫壓力僅相當(dāng)于普通氣球。
周少雄大膽預(yù)言：“固態(tài)儲(chǔ)氫罐可以做成像干電池一樣的產(chǎn)品，未來(lái)可在便利店或超市隨處購(gòu)買(mǎi)，也可以將使用完的氫能源空瓶放置存儲(chǔ)箱，由快遞員每日更換。”
未來(lái)，解決了儲(chǔ)運(yùn)難題，氫能的應(yīng)用不僅是備受關(guān)注的燃料電池汽車(chē)，還包括氫能發(fā)電、工業(yè)應(yīng)用及建筑應(yīng)用等，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(dòng)基站的備用電源，還能夠與數(shù)字化技術(shù)結(jié)合，讓以固態(tài)儲(chǔ)氫為氫源的氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)在無(wú)人駕駛、軍用單兵、深海裝備等諸多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
