让固体氢能源走进“便利店”
让固体氢能源走进“便利店”
从(cóng)储(chǔ)氢(qīng)材(cái)料(liào)到(dào)储(chǔ)氢(qīng)系(xì)统(tǒng)全链(liàn)式(shì)的(de)协(xié)同(tóng)创(chuàng)新(xīn)，“高(gāo)效(xiào)安(ān)全储(chǔ)供(gōng)氢(qīng)及(jí)氢(qīng)同(tóng)位(wèi)素(sù)处(chù)理(lǐ)新(xīn)材(cái)料(liào)关键技(jì)术(shù)及(jí)应(yīng)用(yòng)”项(xiàng)目(mù)发(fā)展(zhǎn)了(le)安(ān)全高(gāo)效(xiào)实(shí)用(yòng)的(de)储(chǔ)氢(qīng)同(tóng)位(wèi)素(sù)技(jì)术(shù)，实(shí)现(xiàn)了(le)可(kě)再(zài)生(shēng)能(néng)源(yuán)领(lǐng)域的(de)应(yīng)用(yòng)，如(rú)在(zài)氚(chuān)工(gōng)艺(yì)系(xì)统(tǒng)、氢(qīng)原(yuán)子(zi)钟(zhōng)、燃(rán)料(liào)电(diàn)池(chí)汽(qì)车(chē)和(hé)氢(qīng)储(chǔ)能(néng)方(fāng)面(miàn)已(yǐ)实(shí)现(xiàn)应(yīng)用(yòng)和(hé)成(chéng)果(guǒ)转(zhuǎn)化(huà)。
未(wèi)来(lái)，只(zhǐ)需(xū)安(ān)装(zhuāng)一(yī)个(gè)矿(kuàng)泉(quán)水(shuǐ)瓶(píng)大(dà)小(xiǎo)的氢气罐(70克氢),氢能自行车就可以跑80公里。这些氢气用完(wán)也(yě)无(wú)须(xū)担(dān)心(xīn)，从(cóng)街(jiē)头巷尾的便利店甚至自动贩卖机里，就能购买或更换氢气罐……
未来，固态储氢装置还可以与客车底盘进行一体化设计，氢能汽车的外观和现在的油车、电车一样。但它们不再需要频繁光顾加油站，充电站，而是去加氢站进行补给——轿车行驶1000公里只需要低压充氢3~5分钟，就算是大巴车，充满氢也就是10~15分钟。
上述这些场景并不是天方夜谭，而是指日可待。
绿(lǜ)色“氢宝宝”——变身氢能大力士
无论是固态储氢材料，还是氢能自行车，都离不开氢气这个无色无味却又“臭脾气”的小家伙。
16世纪中叶，瑞士科学家无意间从酸腐蚀金属的过程中发现了一种可以燃烧的气体。18世纪，英国化学家卡文迪许通过化学反应制取此种气体，并在论文中阐述了他对这种可燃气体的实验研究。到了1787年，法国化学家拉瓦锡以“氢”来命名这种可燃气体。经过200多年的孕育，氢气才“姗姗来迟”,正式登上了历史舞台。
而时至今日，从五彩缤纷的氢气球，到化学工业中合成品的原料，再到航天工业中的高性能燃料，人们的生活生产中到处都有氢气的身影。
目前，氢的来源主要有三种：
一是“灰氢”,这是化石燃料(石油、天然气、煤炭等)经过化学(xué)反(fǎn)应(yīng)产(chǎn)生(shēng)的(de)氢(qīng)气(qì)。“灰(huī)氢(qīng)”在(zài)生(shēng)产(chǎn)过(guò)程(chéng)中(zhōng)会(huì)有(yǒu)二(èr)氧(yǎng)化(huà)碳(tàn)等(děng)大(dà)气(qì)污(wū)染(rǎn)物(wù)排(pái)放(fàng)，如(rú)今(jīn)占(zhàn)据(jù)了(le)主要(yào)市(shì)场(chǎng)。
二(èr)是(shì)“蓝(lán)氢(qīng)”,采用(yòng)化(huà)石(shí)燃(rán)料(liào)制(zhì)得(de)氢(qīng)气(qì)的(de)同(tóng)时(shí)，通(tōng)过(guò)碳(tàn)捕(bǔ)集、利(lì)用(yòng)与(yǔ)储(chǔ)存(cún)(CCS)等(děng)技(jì)术(shù)，降(jiàng)低(dī)了(le)二(èr)氧(yǎng)化(huà)碳(tàn)等(děng)温(wēn)室(shì)气(qì)体(tǐ)的(de)排(pái)放(fàng)，实(shí)现(xiàn)了(le)低(dī)碳(tàn)制(zhì)氢(qīng)。
三(sān)是(shì)“绿(lǜ)氢(qīng)”,即(jí)采用(yòng)可(kě)再(zài)生(shēng)电(diàn)力(lì)电(diàn)解(jiě)水(shuǐ)制(zhì)氢(qīng)，制(zhì)得(de)的(de)氢(qīng)气(qì)，从(cóng)源(yuán)头(tóu)上(shàng)实(shí)现(xiàn)二(èr)氧(yǎng)化(huà)碳(tàn)的(de)零(líng)排放。
目前，我国是世界最大的制氢国，年制氢量约3780万吨，并以煤制氢方(fāng)式(shì)为(wèi)主(占(zhàn)比(bǐ)约(yuē)63%)。未(wèi)来，随着可再生能源发电的成本持续降低，“绿氢”占比将逐年上升，预计2050年将达到70%。
20世纪70年代“石油危机”期间，美国通用汽车公司首次提出了“氢经济”概念，设想(xiǎng)用(yòng)可(kě)再(zài)生(shēng)能(néng)源(yuán)或(huò)核(hé)能(néng)制(zhì)氢(qīng)来(lái)替(tì)代(dài)石(shí)油(yóu)。但(dàn)在(zài)随(suí)后(hòu)的(de)几(jǐ)十(shí)年(nián)中(zhōng)，氢(qīng)能(néng)的(de)发(fā)展(zhǎn)随(suí)着(zhe)环(huán)保(bǎo)和(hé)经(jīng)济(jì)形(xíng)势(shì)多(duō)次(cì)起(qǐ)落(luò)。在(zài)全球气候异常不断，大自然一次次给人类敲响警钟之后，主要发达国家陆续提出了减排二氧化(huà)碳(tàn)的(de)国(guó)家(jiā)战(zhàn)略(è)——氢(qīng)能(néng)作(zuò)为(wèi)极(jí)具(jù)前(qián)景(jǐng)的(de)清(qīng)洁(jié)二(èr)次(cì)能(néng)源(yuán)形(xíng)式(shì)，被(bèi)视(shì)为(wèi)是(shì)支(zhī)撑(chēng)可再生能源替代化石燃料的重要选择，迎来了新的历史机遇。
储氢材料
团队成员正在操作试验
“氢宝宝”的三种摇篮——固态储氢最有前途
氢气很“轻”,其密度只有空气的十四分之一。但作为易燃气体，它的储运却是“重中之重”。储运是氢能产业发展中的重要环节，同时也是氢能产业化应用的“瓶颈”。
氢气的储存方法主要包括高压气态储氢、低温液态储氢、固态储氢三种。
高压气态储氢是指在高压下将氢气压缩，使其以高密度气态的形式储存。该方法具有能耗低、供氢快捷等特点，是如今技术最成熟、最常用的储氢技术。其缺点是储氢容器占用空间大，承压容器材料氢脆风险高，氢气密封难度大。例如，新一代丰田Mirai氢燃料电池乘用车，采用3个储氢罐，两大一小，分别布置在车厢中央、后排座椅下方和后备厢处，虽然比第一代有所优化，但较大的储氢罐还是挤占了本该属于乘客的空间。
目前，我国常以20MPa钢瓶用于固定储氢(产量占世界总量的70%);车载储氢则主要采用35MPa碳纤维缠绕Ⅲ型瓶，70MPa碳纤维缠绕Ⅲ型瓶处于少量装车运行阶段。
低温液态储氢方式则是将氢气压缩，在低温环境下膨胀制冷后使其成为液态。为了使氢保持液态，必须有极好的绝热保护，绝热层增大了液氢储罐的体积和重量，如大型运载火箭使用液氢作为燃料、液氧作为氧化剂时，其储存装置甚至占到整个火箭一半以上的空间。低温液态储氢方式的能耗高，成本可达到压缩储氢的8倍，在我国至今基本没有进入民用领域。
固态储氢，通俗地说就是找到一种固态介质吸附氢气，需要的时候再释放出来。相对于高压气态储氢和低温液态储氢，这种方案具有工作压力低、安全性能好、体积储氢密度高等优势。若与燃料电池一体化集成，还可充分利用燃料电池余热，通过吸热放氢降低系统换热用能，使得整个燃料电池动力系统的能源效率得以提高——可以说，采用固态储氢是提高体积储氢密度的最有效途径。2022年某公司推出的一款售价12800元的氢能自行车，就采用了固态储氢技术。
三项关键技术助力固态储氢发展
固态储氢可以分为物理吸附储氢和化学储氢。在各种化学储氢方法中，以金属氢化物储氢技术的应用最广泛，该技术将氢以金属氢化物的形式储存于储氢材料中。已经研发的储氢材料可以大致分为镁基、镧镍基、钛铁基等，固态储氢技术具有储氢密度高、压力低、安全性好、放氢纯度高等优势。
如今，固态储氢产业化进程正处于加快阶段，国外的固态储氢技术已经在舰艇(tǐng)中(zhōng)有(yǒu)商(shāng)业(yè)化(huà)的(de)应(yīng)用(yòng)，在(zài)分(fēn)布(bù)式(shì)发(fā)电(diàn)和(hé)风(fēng)电(diàn)制(zhì)氢(qīng)规(guī)模(mó)储(chǔ)氢(qīng)中(zhōng)也(yě)得(de)到(dào)了(le)示(shì)范(fàn)应(yīng)用(yòng)。在(zài)这(zhè)种(zhǒng)背(bèi)景(jǐng)下(xià)，有(yǒu)研(yán)工(gōng)程(chéng)技(jì)术(shù)研(yán)究(jiū)院(yuàn)有(yǒu)限(xiàn)公(gōng)司(sī)蒋(jiǎng)利(lì)军(jūn)团(tuán)队(duì)开(kāi)发(fā)的(de)“高(gāo)效(xiào)安(ān)全储(chǔ)供(gōng)氢(qīng)及(jí)氢(qīng)同(tóng)位(wèi)素(sù)处(chù)理(lǐ)新(xīn)材(cái)料(liào)关键技(jì)术(shù)及(jí)应(yīng)用(yòng)”项(xiàng)目成果，在固态储氢技术研发和应用方面取得了重要创新，获得了北京市科学技术奖技术发明二等奖。
为了加快固态储氢在我国的应用，研发团队重点突破了三项关键技术：一是高储氢容量材料开发及其工程化制备技(jì)术(shù)；二(èr)是(shì)基(jī)于(yú)储(chǔ)氢热/动力学特性的传热传质模拟仿真技术；三是固态储氢系统安全评价和测试技术。团队最新研制的储氢材料，氢气储存容量可达每立方米150千克。
值得一提的是，为了保证使用的安全，研发团队对储氢材料进行了多种特殊处理——经特殊成型后(hòu)形成的储氢元件(jiàn)，在(zài)空(kōng)气(qì)中(zhōng)不(bù)自(zì)燃(rán)、遇(yù)水不分解放氢、点火不燃烧。这种(zhǒng)储(chǔ)氢(qīng)元(yuán)件(jiàn)已(yǐ)通(tōng)过(guò)了(le)应(yīng)急管理部化学品等级中心的鉴定，鉴定结果称其“不属于危险货物”,为今后的应用提供了很大的便利。
为了保证极端情况下储氢元件的安全性，研发团队通过适当的材料设计，保证了储罐最高温升压力仍可控制在13.5MPa以下，此时只有3%的氢气作为高压氢存在，而其余97%的氢气仍然安全地储存于储氢材料当中。
为了避免发生因储氢材料吸氢膨胀，导致储氢罐体胀裂的问题，研发团队则采取了特殊成型技术，将吸/放氢过程中的储氢合金晶格膨胀应力部分吸收，使得固态储氢罐即使在70%高装填率下，也可以将吸氢最大应变值控制在1000με以下，确保罐体不发生塑性变形。
掌握了安全的储氢元件，研发团队进一步面向不同应用场景，开发了一系列的储氢(qīng)装(zhuāng)置(zhì)，包(bāo)括(kuò)便(biàn)携(xié)式(shì)应(yīng)用(yòng)、固(gù)定(dìng)式(shì)应(yīng)用(yòng)、加(jiā)氢(qīng)站(zhàn)站(zhàn)用(yòng)及(jí)车(chē)载(zài)应(yīng)用(yòng)等(děng)。另(lìng)外(wài)，在(zài)大(dà)规(guī)模(mó)的(de)氢(qīng)储(chǔ)能(néng)方(fāng)面(miàn)，研(yán)发(fā)团(tuán)队(duì)已(yǐ)经(jīng)与(yǔ)相(xiāng)关单(dān)位(wèi)合(hé)作(zuò)进(jìn)行(xíng)了(le)探(tàn)索(suǒ)，例(lì)如(rú)已(yǐ)通(tōng)过(guò)论(lùn)证(zhèng)的(de)张(zhāng)家(jiā)口(kǒu)200兆(zhào)瓦(wǎ)·时(shí)/800兆(zhào)瓦(wǎ)·时(shí)氢(qīng)储(chǔ)能(néng)调(diào)峰(fēng)电(diàn)站(zhàn)。这(zhè)座(zuò)电(diàn)站(zhàn)是(shì)目(mù)前(qián)全球(qiú)最(zuì)大(dà)的(de)氢(qīng)储(chǔ)能(néng)发(fā)电(diàn)项目，每天制储氢58吨，发电80万度。
以5千瓦的燃料电池每天供能20小时、连续供能1周的场景为例：如果按照燃料电池系统1万元/千瓦、制氢系统2万元/千瓦、固态储氢装置0.8万元/千克氢气来进行计算，单位储能成本就是(shì)1.02元(yuán)/(瓦(wǎ)·时(shí))。与(yǔ)我(wǒ)国(guó)2020年(nián)公(gōng)开(kāi)招(zhāo)标(biāo)的(de)锂(lǐ)电(diàn)池(chí)1.2~1.68元(yuán)/(瓦(wǎ)·时(shí))相(xiāng)比(bǐ)，氢(qīng)储(chǔ)能(néng)分(fēn)布(bù)式(shì)发(fā)电(diàn)在(zài)长(zhǎng)周(zhōu)期(qī)的(de)储(chǔ)能(néng)应用场景下具有成本竞争力，尤其适用于工业园区风光氢储分布式发电系统或独立微网当中。
目前，研发团队开发的新型储氢装置已经分别应用于燃料电池客车、物流车(chē)、助(zhù)力(lì)车(chē)和(hé)游(yóu)艇(tǐng)等(děng)，最大的优点就是便于加氢，安全性提高。2019年，研发团队成功参与开发出全球首辆低压合金储氢燃料电池公交车；2020年4月，4.5吨低压合金储氢式氢燃料电池冷链物流展示车成功下线；最近，研发团队还开发出适用于1.5吨叉车的固态储氢装置样机，首批次15台套的固态储氢燃料电池叉车即将示范运行。
在双碳目标(biāo)驱(qū)动(dòng)下(xià)，氢(qīng)能(néng)应(yīng)用(yòng)范(fàn)围(wéi)不(bù)仅(jǐn)限(xiàn)于(yú)燃(rán)料(liào)电(diàn)池(chí)汽(qì)车(chē)，还(hái)包(bāo)括(kuò)了(le)氢(qīng)能(néng)发(fā)电(diàn)、工(gōng)业应用及建筑应用等。氢能不仅可以(yǐ)作(zuò)为(wèi)建(jiàn)筑(zhù)热(rè)电(diàn)联(lián)供(gōng)电(diàn)源(yuán)、微(wēi)网(wǎng)的(de)可(kě)靠(kào)电(diàn)源(yuán)与(yǔ)移(yí)动(dòng)基(jī)站(zhàn)的(de)备(bèi)用(yòng)电(diàn)源(yuán)，还(hái)能(néng)够(gòu)与(yǔ)数(shù)字(zì)化(huà)技(jì)术(shù)结(jié)合(hé)，让(ràng)以(yǐ)固(gù)态(tài)储(chǔ)氢(qīng)为(wèi)基(jī)础(chǔ)的(de)氢(qīng)燃(rán)料(liào)电(diàn)池(chí)动(dòng)力(lì)系(xì)统(tǒng)在(zài)无(wú)人(rén)驾(jià)驶(shǐ)、军(jūn)用(yòng)单(dān)兵(bīng)、深(shēn)海装备等诸多领域发挥重要作用。
绿氢+固态储氢——实现完美供氢链
制氢是氢能供应链的第一环，其成本占到整个氢能供应链的30%。氢能的配送和加氢成本占比则分别约为20%和50%。如今加氢成本(běn)高(gāo)的(de)原(yuán)因(yīn)有(yǒu)两(liǎng)个(gè)，一(yī)是(shì)高(gāo)压(yā)装(zhuāng)备(bèi)成(chéng)本(běn)高(gāo)，二(èr)是(shì)运(yùn)营(yíng)维(wéi)护(hù)成(chéng)本(běn)高(gāo)。
为(wèi)了(le)应(yīng)对(duì)这(zhè)个(gè)问(wèn)题(tí)，研(yán)发(fā)团(tuán)队(duì)正(zhèng)在(zài)努(nǔ)力(lì)推(tuī)进(jìn)“44工(gōng)程(chéng)”,尝(cháng)试(shì)研(yán)发(fā)低(dī)电(diàn)耗(hào)制(zhì)氢(qīng)电(diàn)极(jí)材(cái)料(liào)，降(jiàng)低(dī)绿(lǜ)电(diàn)电(diàn)解(jiě)水(shuǐ)制(zhì)取(qǔ)“绿(lǜ)氢(qīng)”的(de)电(diàn)耗(hào)，争(zhēng)取(qǔ)做(zuò)到(dào)每(měi)4度(dù)电(diàn)制(zhì)取(qǔ)1立(lì)方(fāng)米(mǐ)氢(qīng)气(qì)，如(rú)此(cǐ)制(zhì)取(qǔ)的(de)4MPa绿(lǜ)氢(qīng)直(zhí)接(jiē)通(tōng)入(rù)4MPa的(de)纯(chún)氢(qīng)输(shū)氢(qīng)管(guǎn)道(dào)后(hòu)，送(sòng)到(dào)低(dī)压(yā)加(jiā)氢(qīng)站(zhàn)中(zhōng)，4MPa直(zhí)接(jiē)加(jiā)氢(qīng)，充(chōng)入(rù)燃(rán)料(liào)电(diàn)池(chí)汽(qì)车(chē)车(chē)载(zài)储(chǔ)氢(qīng)系(xì)统(tǒng)中(zhōng)，实(shí)现(xiàn)4wt%(质(zhì)量(liàng)百(bǎi)分(fēn)比(bǐ))的(de)车(chē)载(zài)储(chǔ)氢(qīng)密(mì)度(dù)。
低(dī)压(yā)加(jiā)氢(qīng)技(jì)术(shù)省(shěng)去(qù)了(le)高(gāo)压(yā)加(jiā)氢(qīng)站(zhàn)中(zhōng)的(de)高(gāo)压(yā)压(yā)缩(suō)机(jī)和(hé)高(gāo)压(yā)储(chǔ)罐(guàn)，简(jiǎn)化(huà)了(le)流(liú)程(chéng)、降(jiàng)低(dī)了(le)配(pèi)置(zhì)，可(kě)让(ràng)建(jiàn)站(zhàn)成(chéng)本(běn)从(cóng)1000万(wàn)元(yuán)降(jiàng)到(dào)300万(wàn)元(yuán)以(yǐ)下(xià)。同(tóng)时(shí)，低(dī)压(yā)设(shè)备(bèi)的(de)运(yùn)营(yíng)、维(wéi)护(hù)成(chéng)本(běn)也(yě)大(dà)大(dà)降(jiàng)低(dī)，氢(qīng)气(qì)的(de)成(chéng)本(běn)可(kě)从(cóng)60元(yuán)/千(qiān)克(kè)降(jiàng)到(dào)40元(yuán)/千(qiān)克(kè)。
值(zhí)得(de)一(yī)提(tí)的(de)是(shì)，为(wèi)了(le)加(jiā)快(kuài)“绿氢”的发展，如今世界各国已经分别提出了各自的绿氢成本目标，比如美国希望在10年内将绿氢生产成本降到1美元/千克，澳大(dà)利(lì)亚(yà)希(xī)望将绿氢生产成本控制在2美元/千克，而我国则希望在2030年将绿氢生产成本控制在13元/千克。
团队负责人(rén)表(biǎo)示(shì)，采用(yòng)固(gù)态(tài)储(chǔ)氢(qīng)与(yǔ)“绿(lǜ)氢”结合，具有以下优势：首先，储氢时不需要另配压缩机，可以直接低压储氢，从而节省了装备的投资、降低了能耗；其次，安全性好，即使枪击也不会引发爆炸，仅会有一个小火苗缓慢燃烧；最后，储氢密度高、占地面积小，一个储罐可以顶三个同体积的高压储罐。
低压合金储氢燃料电池冷链物流车