让固体氢能源走进“便利店”

让固体氢能源走进“便利店”

从储氢材料到储氢系统全链式的协同创新，“高效安全储供氢及氢同位素处理新材料关键技术及应用”项目发展了安全高效实用的储氢同位素技术，实现了可再生能源领域的应用，如在氚工艺系统、氢原子钟、燃料电池汽车和氢储能方面已实现应用和成果转化。

未来，只需安装一个矿泉水瓶大小的氢气罐(70克氢),氢能自行车就可以跑80公里。这些氢气用完也无须担心，从街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(yì)间(jiān)从(cóng)酸(suān)腐(fǔ)蚀金属的(de)过(guò)程(chéng)中(zhōng)发(fā)现(xiàn)了(le)一(yī)种(zhǒng)可(kě)以(yǐ)燃(rán)烧(shāo)的(de)气(qì)体(tǐ)。18世(shì)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)经过化学反应产生的氢气。“灰氢”在生(shēng)产(chǎn)过(guò)程(chéng)中(zhōng)会有二氧化碳等大气污染物排放，如今占据了主要市场。

二是“蓝氢”,采用化石燃料制得氢气的同时，通过碳捕集、利用与储存(CCS)等技术，降低了二氧化碳等温(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(pái)放(fàng)。

目(mù)前(qián)，我(wǒ)国(guó)是(shì)世(shì)界(jiè)最(zuì)大(dà)的(de)制(zhì)氢(qīng)国(guó)，年(nián)制(zhì)氢(qīng)量(liàng)约(yuē)3780万(wàn)吨(dūn)，并(bìng)以(yǐ)煤(méi)制(zhì)氢(qīng)方(fāng)式(shì)为(wèi)主(占(zhàn)比(bǐ)约(yuē)63%)。未(wèi)来(lái)，随(suí)着(zhe)可(kě)再(zài)生(shēng)能(néng)源(yuán)发(fā)电(diàn)的(de)成(chéng)本(běn)持(chí)续(xù)降(jiàng)低(dī)，“绿(lǜ)氢(qīng)”占(zhàn)比(bǐ)将(jiāng)逐(zhú)年(nián)上(shàng)升(shēng)，预(yù)计(jì)2050年(nián)将(jiāng)达(dá)到(dào)70%。

20世(shì)纪(jì)70年(nián)代(dài)“石(shí)油(yóu)危(wēi)机(jī)”期(qī)间(jiān)，美(měi)国(guó)通(tōng)用(yòng)汽(qì)车(chē)公(gōng)司(sī)首次提出了“氢经济”概念，设想用可再生能源或核能制氢来替代石油。但在随后的几十年中，氢能的发展随着环保和经济形势多次起落。在全球气候异常不断，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(yǎng)化(huà)碳(tàn)的(de)国(guó)家战略——氢能作为极具前景的清洁二次能源形式，被视为是支撑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(néng)产(chǎn)业(yè)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(fǎ)中(zhōng)，以(yǐ)金(jīn)属(shǔ)氢(qīng)化(huà)物(wù)储(chǔ)氢(qīng)技(jì)术(shù)的(de)应(yīng)用(yòng)最(zuì)广(guǎng)泛(fàn)，该(gāi)技(jì)术(shù)将(jiāng)氢(qīng)以(yǐ)金(jīn)属(shǔ)氢(qīng)化(huà)物(wù)的(de)形(xíng)式(shì)储(chǔ)存(cún)于(yú)储(chǔ)氢(qīng)材(cái)料(liào)中(zhōng)。已(yǐ)经(jīng)研(yán)发(fā)的(de)储(chǔ)氢(qīng)材(cái)料(liào)可(kě)以(yǐ)大(dà)致(zhì)分(fēn)为(wèi)镁(měi)基(jī)、镧(lán)镍(niè)基(jī)、钛(tài)铁(tiě)基(jī)等(děng)，固(gù)态(tài)储(chǔ)氢(qīng)技(jì)术(shù)具(jù)有(yǒu)储(chǔ)氢(qīng)密(mì)度(dù)高(gāo)、压(yā)力(lì)低(dī)、安(ān)全性(xìng)好(hǎo)、放(fàng)氢(qīng)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中有商业化的应用，在分布式发电和风电制氢规模储氢中也得到了示范应用。在这种背景下，有研工程技术研究院有限公司蒋利军团队开发的“高效安全储供氢及氢同位素处理新材料关键技术及应用”项目成果，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(jì)术(shù)：一(yī)是(shì)高(gāo)储(chǔ)氢(qīng)容(róng)量(liàng)材(cái)料(liào)开(kāi)发(fā)及(jí)其(qí)工(gōng)程(chéng)化(huà)制(zhì)备(bèi)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(chuán)质(zhì)模(mó)拟(nǐ)仿(fǎng)真(zhēn)技(jì)术(shù)；三(sān)是(shì)固(gù)态(tài)储(chǔ)氢(qīng)系(xì)统(tǒng)安全评价和测试技术。团队最新研(yán)制(zhì)的(de)储(chǔ)氢(qīng)材(cái)料(liào)，氢(qīng)气(qì)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——经特殊成型后形成的储氢元件，在空气中不自燃、遇水不分解放氢、点火不燃烧。这种储氢元件已通过了应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装置，包括便携式应用、固定式应用、加氢站站用及车载应用等。另外，在大规模的氢储能方面，研发团队已经与相关单位合作进行了探索，例如已通过论证的张家口200兆瓦·时/800兆瓦·时氢储能调峰电站。这座电站是目前全球最大的氢储能发电项目，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1.02元/(瓦·时)。与我国2020年公开招标的锂电池1.2~1.68元/(瓦·时)相比，氢储能分布式发电在长周期的储能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、助力车和游艇等，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(dī)压(yā)合(hé)金(jīn)储氢燃料电(diàn)池(chí)公(gōng)交(jiāo)车(chē)；2020年(nián)4月(yuè)，4.5吨(dūn)低(dī)压(yā)合(hé)金(jīn)储(chǔ)氢(qīng)式(shì)氢(qīng)燃(rán)料(liào)电(diàn)池(chí)冷(lěng)链(liàn)物(wù)流(liú)展(zhǎn)示(shì)车(chē)成(chéng)功(gōng)下(xià)线(xiàn)；最(zuì)近(jìn)，研(yán)发(fā)团(tuán)队(duì)还(hái)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。

在双碳目标驱动下，氢能应用范围不仅限于燃料电池汽车，还包括了氢能发电、工业应用及建筑应用等。氢能不仅可以作为建筑热电联供电源、微网的可靠电源与移动基站的备用电源，还能够与数字化技术结合，让以固态储氢为基础的氢燃料电池动力系统在无人驾驶、军用单兵、深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%。如今加氢成本高的原因有两个，一是高压装备成本高，二是运营维护成本高。

为了应对这个问题，研发团队正在努力推进“44工程”,尝试研发低电耗制氢电极材料，降低绿电电解水制取“绿氢”的电耗，争取做到每4度电制取1立方米氢气，如此制取的4MPa绿氢直接通入4MPa的纯氢输氢管道后，送到低压加氢站中，4MPa直接加氢，充入燃料电池汽车车载储氢系统中，实现4wt%(质量百分比)的车载储氢密度。

低压加氢技术省去了高压加氢站中的高压压缩机和高压储罐，简化了流程、降低了配置，可让建站成本从1000万元降到300万元以下。同时，低压设备的运营、维护成本也大大降低，氢气的成本可从60元/千克降到40元/千克。

值得一提的是，为了加快“绿氢”的发展，如(rú)今(jīn)世(shì)界(jiè)各(gè)国(guó)已(yǐ)经(jīng)分(fēn)别(bié)提(tí)出(chū)了(le)各(gè)自(zì)的(de)绿(lǜ)氢(qīng)成(chéng)本(běn)目(mù)标(biāo)，比(bǐ)如(rú)美(měi)国(guó)希(xī)望(wàng)在(zài)10年(nián)内(nèi)将(jiāng)绿(lǜ)氢(qīng)生(shēng)产(chǎn)成(chéng)本(běn)降(jiàng)到(dào)1美(měi)元(yuán)/千(qiān)克，澳大利亚希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。

团队负责人表示，采用固态储氢与“绿氢”结合，具有以下优(yōu)势(shì)：首(shǒu)先(xiān)，储(chǔ)氢(qīng)时(shí)不(bù)需(xū)要(yào)另(lìng)配(pèi)压(yā)缩(suō)机(jī)，可(kě)以(yǐ)直(zhí)接(jiē)低(dī)压(yā)储(chǔ)氢(qīng)，从(cóng)而(ér)节(jié)省(shěng)了(le)装(zhuāng)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