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          蔣利軍:固態儲氫材料要直面市場需求

          中國科學報發布時間:2020-04-09 10:29:29

            當前,我國正面臨能源安全和碳排放兩大挑戰,能源結構亟待向低碳、清潔、智能化的方向轉型。氫能除了應用于氫燃料電池汽車,還可應用于發電、工業及其建筑等領域,因此,將氫能納入我國整個能源體系備受關注。

            開發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等期刊相繼發表了儲氫材料的相關研究,其中,固態儲氫材料因其具有儲氫密度高、工作壓力適中、安全性能好等優勢,被認為極具應用前景。

            日前,國家有色金屬新能源材料與制品工程技術研究中心主任蔣利軍在接受采訪時指出,高密度儲存和安全儲運是當前整個氫能供應鏈中面臨的主要瓶頸,而采用固態儲氫將成為其破解之道。

            固態儲氫密度高又安全

            氫具有最高的重量比能量,但其體積能量密度很低。因此,要想將氫能推向實用,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,固態儲氫具有最高的體積儲氫密度。

            “固態儲氫相對于高壓氣態和液態儲氫,具有體積儲氫密度高、工作壓力低、安全性能好等優勢。”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,降低系統換熱用能,使得整個燃料電池動力系統的能源效率得以提高。

            因此,他認為,采用固態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。氫氣先在固態儲氫材料表面催化分解為氫原子,氫原子再擴散進入到材料晶格內部空隙中,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、液氫儲氫存在蒸發泄漏等安全隱患,固態儲氫則可做到常溫常壓儲氫,儲氫容器易密封。并且,當發生突發事件如泄漏時,由于固態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間,從而提高了儲氫裝置的使用安全性。

            國內外研究成果豐碩

            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供、儲能、摩托車載燃料電池等多個領域得到應用。德國HDW公司將開發的TiFe系固態儲氫系統用于燃料電池AIP潛艇中,是固態儲氫迄今為止最成功的商業應用。

            我國在固態儲氫應用上也取得了較大進展。TiMn系固態車儲氫系統已成功應用于燃料電池客車,不需高壓加氫站,在5兆帕氫壓下15分鐘左右即可充滿氫,已累計運行1.5萬公里;40立方米固態儲氫系統與5千瓦燃料電池系統成功耦合,作為通信基站備用電源,可持續運行16小時以上;小型儲氫罐已批量用于衛星氫原子鐘中,為其提供了安全氫源。截至目前,我國還建立了3項固態儲氫相關國家標準。

            據蔣利軍介紹,盡管上述儲氫材料技術已較為成熟,并得到了實際應用,但其重量儲氫率仍然偏低,難以滿足車載儲氫的技術要求,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、共價鍵氫化物,但鍵合力太強,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、復合化和催化等方法,來調控其熱力學、動力學和循環壽命性能。如韓國漢陽大學制備出了三維碳材料納米限域和過渡金屬修飾的MgH2納米復合材料,可在80℃放出4wt%(質量百分比)的氫氣,180℃下放氫量可達6.55wt%,并具有較好的吸放氫循環性能;澳大利亞新南威爾士大學制備出具有核殼結構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穩定性過高、儲氫量偏低、可逆性較差等問題。

            要直面市場需求

            盡管國內外固態儲氫材料的研究成果不斷,但蔣利軍仍認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的應用要求,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、金屬氨硼烷等輕質高容量儲氫材料被相繼開發出來。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、可逆吸放氫循環性能差、低成本規模化制備技術欠缺等問題。

            此外,儲氫材料成本偏高也是制約其發展的一個重要因素。一方面,受有色金屬原料價格波動影響,儲氫材料的原料成本變動較大;另一方面,這些材料應用的市場小、制造批量小、成品率低,導致其制造成本較高。

            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,開展實用型儲氫新材料開發、配套工程化和應用技術開發。

            他建議,首先要加快成熟儲氫材料的應用。要認真分析細分市場,在現有成熟的儲氫材料中篩選出性價比最合適的配對材料,開展工程化和應用技術研究,使成熟的儲氫材料能盡快在特定的細分市場中得到很好的應用。

            其次,要以產品為導向,開發高容量儲氫新材料,以滿足綜合性能為導引,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階段。研發時不僅要追求高性能,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、批量制備技術易于控制的材料和技術。

            最后,由于儲氫系統涉及氫和壓力容器,使用安全也至關重要,必須要以標準規范為保障。目前儲氫材料和系統標準規范及安全評價體系尚待完善,相關安全評價裝備和檢測基地也不完備,需要從宏觀層面加以推動。

            蔣利軍認為,氫能既可以大規模儲存,又可以跨區域、跨季節地調度,且使用多樣化,使整個能源體系變得更高效、更柔性。氫能通過電氫協同,將成為整個能源結構中的橋梁和紐帶,與太陽能、風能等清潔能源一起,構成清潔的、可持續的能源體系。

            他對固態儲氫的經濟性充滿信心,“內蒙古地區風能、稀土資源豐富,但棄風嚴重,鑭鈰稀土積壓嚴重,而稀土儲氫材料恰恰大量使用了鑭鈰元素。如能借機在當地發展風電制氫、稀土系固態儲氫,則能使這兩種優勢資源協同發展,走出一條具有中國特色的氫能發展之路”。

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