讓固體氫能源走進(jìn)“便利店”

讓固體氫能源走進(jìn)“便利店”

從儲(chǔ)氫材料到儲(chǔ)氫系統(tǒng)全鏈?zhǔn)降膮f(xié)同創(chuàng)新，“高效安全儲(chǔ)供氫及氫同位素處理新材料關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目發(fā)展了安全高效實(shí)用的儲(chǔ)氫同位素技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了可再生能源領(lǐng)域的應(yīng)用，如在氚工藝系統(tǒng)、氫原子鐘、燃料電池汽車和氫儲(chǔ)能方面已實(shí)現(xiàn)應(yīng)用和成果轉(zhuǎn)化。

未來(lái)，只需安裝一個(gè)礦泉水瓶大小的氫氣罐(70克氫),氫能自行車就可以跑80公里。這些氫氣用完也無(wú)須擔(dān)心，從街頭巷尾的便利店甚至自動(dòng)販賣機(jī)里，就能購(gòu)買(mǎi)或更換氫氣罐……

未來(lái)，固態(tài)儲(chǔ)氫裝置還可以與客車底盤(pán)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，氫能汽車的外觀和現(xiàn)在的油車、電車一樣。但它們不再需要頻繁光顧加油站，充電站，而是去加氫站進(jìn)行補(bǔ)給——轎車行駛1000公里只需要低壓充氫3~5分鐘，就算是大巴車，充滿氫也就是10~15分鐘。

上述這些場(chǎng)景并不是天方夜譚，而是指日可待。

綠色“氫寶寶”——變身氫能大力士

無(wú)論是固態(tài)儲(chǔ)氫材料，還是氫能自行車，都離不開(kāi)氫氣這個(gè)無(wú)色無(wú)味卻又“臭脾氣”的小家伙。

16世紀(jì)中葉，瑞士科學(xué)家無(wú)意間從酸腐蝕金屬的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了一種可以燃燒的氣體。18世紀(jì)，英國(guó)化學(xué)家卡文迪許通過(guò)化學(xué)反應(yīng)制取此種氣體，并在論文中闡述了他對(duì)這種可燃?xì)怏w的實(shí)驗(yàn)研究。到了1787年，法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫以“氫”來(lái)命名這種可燃?xì)怏w。經(jīng)過(guò)200多年的孕育，氫氣才“姍姍來(lái)遲”,正式登上了歷史舞臺(tái)。

而時(shí)至今日，從五彩繽紛的氫氣球，到化學(xué)工業(yè)中合成品的原料，再到航天工業(yè)中的高性能燃料，人們的生活生產(chǎn)中到處都有氫氣的身影。

目前，氫的來(lái)源主要有三種：

一是“灰氫”,這是化石燃料(石油、天然氣、煤炭等)經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣?！盎覛洹痹谏a(chǎn)過(guò)程中會(huì)有二氧化碳等大氣污染物排放，如今占據(jù)了主要市場(chǎng)。

二是“藍(lán)氫”,采用化石燃料制得氫氣的同時(shí)，通過(guò)碳捕集、利用與儲(chǔ)存(CCS)等技術(shù)，降低了二氧化碳等溫室氣體的排放，實(shí)現(xiàn)了低碳制氫。

三是“綠氫”,即采用可再生電力電解水制氫，制得的氫氣，從源頭上實(shí)現(xiàn)二氧化碳的零排放。

目前，我國(guó)是世界最大的制氫國(guó)，年制氫量約3780萬(wàn)噸，并以煤制氫方式為主(占比約63%)。未來(lái)，隨著可再生能源發(fā)電的成本持續(xù)降低，“綠氫”占比將逐年上升，預(yù)計(jì)2050年將達(dá)到70%。

20世紀(jì)70年代“石油危機(jī)”期間，美國(guó)通用汽車公司首次提出了“氫經(jīng)濟(jì)”概念，設(shè)想用可再生能源或核能制氫來(lái)替代石油。但在隨后的幾十年中，氫能的發(fā)展隨著環(huán)保和經(jīng)濟(jì)形勢(shì)多次起落。在全球氣候異常不斷，大自然一次次給人類敲響警鐘之后，主要發(fā)達(dá)國(guó)家陸續(xù)提出了減排二氧化碳的國(guó)家戰(zhàn)略——?dú)淠茏鳛闃O具前景的清潔二次能源形式，被視為是支撐可再生能源替代化石燃料的重要選擇，迎來(lái)了新的歷史機(jī)遇。

儲(chǔ)氫材料

團(tuán)隊(duì)成員正在操作試驗(yàn)

“氫寶寶”的三種搖籃——固態(tài)儲(chǔ)氫最有前途

氫氣很“輕”,其密度只有空氣的十四分之一。但作為易燃?xì)怏w，它的儲(chǔ)運(yùn)卻是“重中之重”。儲(chǔ)運(yùn)是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的重要環(huán)節(jié)，同時(shí)也是氫能產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的“瓶頸”。

氫氣的儲(chǔ)存方法主要包括高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、固態(tài)儲(chǔ)氫三種。

高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是指在高壓下將氫氣壓縮，使其以高密度氣態(tài)的形式儲(chǔ)存。該方法具有能耗低、供氫快捷等特點(diǎn)，是如今技術(shù)最成熟、最常用的儲(chǔ)氫技術(shù)。其缺點(diǎn)是儲(chǔ)氫容器占用空間大，承壓容器材料氫脆風(fēng)險(xiǎn)高，氫氣密封難度大。例如，新一代豐田Mirai氫燃料電池乘用車，采用3個(gè)儲(chǔ)氫罐，兩大一小，分別布置在車廂中央、后排座椅下方和后備廂處，雖然比第一代有所優(yōu)化，但較大的儲(chǔ)氫罐還是擠占了本該屬于乘客的空間。

目前，我國(guó)常以20MPa鋼瓶用于固定儲(chǔ)氫(產(chǎn)量占世界總量的70%);車載儲(chǔ)氫則主要采用35MPa碳纖維纏繞Ⅲ型瓶，70MPa碳纖維纏繞Ⅲ型瓶處于少量裝車運(yùn)行階段。

低溫液態(tài)儲(chǔ)氫方式則是將氫氣壓縮，在低溫環(huán)境下膨脹制冷后使其成為液態(tài)。為了使氫保持液態(tài)，必須有極好的絕熱保護(hù)，絕熱層增大了液氫儲(chǔ)罐的體積和重量，如大型運(yùn)載火箭使用液氫作為燃料、液氧作為氧化劑時(shí)，其儲(chǔ)存裝置甚至占到整個(gè)火箭一半以上的空間。低溫液態(tài)儲(chǔ)氫方式的能耗高，成本可達(dá)到壓縮儲(chǔ)氫的8倍，在我國(guó)至今基本沒(méi)有進(jìn)入民用領(lǐng)域。

固態(tài)儲(chǔ)氫，通俗地說(shuō)就是找到一種固態(tài)介質(zhì)吸附氫氣，需要的時(shí)候再釋放出來(lái)。相對(duì)于高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫和低溫液態(tài)儲(chǔ)氫，這種方案具有工作壓力低、安全性能好、體積儲(chǔ)氫密度高等優(yōu)勢(shì)。若與燃料電池一體化集成，還可充分利用燃料電池余熱，通過(guò)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——可以說(shuō)，采用固態(tài)儲(chǔ)氫是提高體積儲(chǔ)氫密度的最有效途徑。2022年某公司推出的一款售價(jià)12800元的氫能自行車，就采用了固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)。

三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)助力固態(tài)儲(chǔ)氫發(fā)展

固態(tài)儲(chǔ)氫可以分為物理吸附儲(chǔ)氫和化學(xué)儲(chǔ)氫。在各種化學(xué)儲(chǔ)氫方法中，以金屬氫化物儲(chǔ)氫技術(shù)的應(yīng)用最廣泛，該技術(shù)將氫以金屬氫化物的形式儲(chǔ)存于儲(chǔ)氫材料中。已經(jīng)研發(fā)的儲(chǔ)氫材料可以大致分為鎂基、鑭鎳基、鈦鐵基等，固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)具有儲(chǔ)氫密度高、壓力低、安全性好、放氫純度高等優(yōu)勢(shì)。

如今，固態(tài)儲(chǔ)氫產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程正處于加快階段，國(guó)外的固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)已經(jīng)在艦艇中有商業(yè)化的應(yīng)用，在分布式發(fā)電和風(fēng)電制氫規(guī)模儲(chǔ)氫中也得到了示范應(yīng)用。在這種背景下，有研工程技術(shù)研究院有限公司蔣利軍團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的“高效安全儲(chǔ)供氫及氫同位素處理新材料關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目成果，在固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用方面取得了重要?jiǎng)?chuàng)新，獲得了北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。

為了加快固態(tài)儲(chǔ)氫在我國(guó)的應(yīng)用，研發(fā)團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)突破了三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：一是高儲(chǔ)氫容量材料開(kāi)發(fā)及其工程化制備技術(shù)；二是基于儲(chǔ)氫熱/動(dòng)力學(xué)特性的傳熱傳質(zhì)模擬仿真技術(shù)；三是固態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)和測(cè)試技術(shù)。團(tuán)隊(duì)最新研制的儲(chǔ)氫材料，氫氣儲(chǔ)存容量可達(dá)每立方米150千克。

值得一提的是，為了保證使用的安全，研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)儲(chǔ)氫材料進(jìn)行了多種特殊處理——經(jīng)特殊成型后形成的儲(chǔ)氫元件，在空氣中不自燃、遇水不分解放氫、點(diǎn)火不燃燒。這種儲(chǔ)氫元件已通過(guò)了應(yīng)急管理部化學(xué)品等級(jí)中心的鑒定，鑒定結(jié)果稱其“不屬于危險(xiǎn)貨物”,為今后的應(yīng)用提供了很大的便利。

為了保證極端情況下儲(chǔ)氫元件的安全性，研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)適當(dāng)?shù)牟牧显O(shè)計(jì)，保證了儲(chǔ)罐最高溫升壓力仍可控制在13.5MPa以下，此時(shí)只有3%的氫氣作為高壓氫存在，而其余97%的氫氣仍然安全地儲(chǔ)存于儲(chǔ)氫材料當(dāng)中。

為了避免發(fā)生因儲(chǔ)氫材料吸氫膨脹，導(dǎo)致儲(chǔ)氫罐體脹裂的問(wèn)題，研發(fā)團(tuán)隊(duì)則采取了特殊成型技術(shù)，將吸/放氫過(guò)程中的儲(chǔ)氫合金晶格膨脹應(yīng)力部分吸收，使得固態(tài)儲(chǔ)氫罐即使在70%高裝填率下，也可以將吸氫最大應(yīng)變值控制在1000με以下，確保罐體不發(fā)生塑性變形。

掌握了安全的儲(chǔ)氫元件，研發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步面向不同應(yīng)用場(chǎng)景，開(kāi)發(fā)了一系列的儲(chǔ)氫裝置，包括便攜式應(yīng)用、固定式應(yīng)用、加氫站站用及車載應(yīng)用等。另外，在大規(guī)模的氫儲(chǔ)能方面，研發(fā)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)與相關(guān)單位合作進(jìn)行了探索，例如已通過(guò)論證的張家口200兆瓦·時(shí)/800兆瓦·時(shí)氫儲(chǔ)能調(diào)峰電站。這座電站是目前全球最大的氫儲(chǔ)能發(fā)電項(xiàng)目，每天制儲(chǔ)氫58噸，發(fā)電80萬(wàn)度。

以5千瓦的燃料電池每天供能20小時(shí)、連續(xù)供能1周的場(chǎng)景為例：如果按照燃料電池系統(tǒng)1萬(wàn)元/千瓦、制氫系統(tǒng)2萬(wàn)元/千瓦、固態(tài)儲(chǔ)氫裝置0.8萬(wàn)元/千克氫氣來(lái)進(jìn)行計(jì)算，單位儲(chǔ)能成本就是1.02元/(瓦·時(shí))。與我國(guó)2020年公開(kāi)招標(biāo)的鋰電池1.2~1.68元/(瓦·時(shí))相比，氫儲(chǔ)能分布式發(fā)電在長(zhǎng)周期的儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景下具有成本競(jìng)爭(zhēng)力，尤其適用于工業(yè)園區(qū)風(fēng)光氫儲(chǔ)分布式發(fā)電系統(tǒng)或獨(dú)立微網(wǎng)當(dāng)中。

目前，研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的新型儲(chǔ)氫裝置已經(jīng)分別應(yīng)用于燃料電池客車、物流車、助力車和游艇等，最大的優(yōu)點(diǎn)就是便于加氫，安全性提高。2019年，研發(fā)團(tuán)隊(duì)成功參與開(kāi)發(fā)出全球首輛低壓合金儲(chǔ)氫燃料電池公交車；2020年4月，4.5噸低壓合金儲(chǔ)氫式氫燃料電池冷鏈物流展示車成功下線；最近，研發(fā)團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)出適用于1.5噸叉車的固態(tài)儲(chǔ)氫裝置樣機(jī)，首批次15臺(tái)套的固態(tài)儲(chǔ)氫燃料電池叉車即將示范運(yùn)行。

在雙碳目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，氫能應(yīng)用范圍不僅限于燃料電池汽車，還包括了氫能發(fā)電、工業(yè)應(yīng)用及建筑應(yīng)用等。氫能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)氫為基礎(chǔ)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。

綠氫+固態(tài)儲(chǔ)氫——實(shí)現(xiàn)完美供氫鏈

制氫是氫能供應(yīng)鏈的第一環(huán)，其成本占到整個(gè)氫能供應(yīng)鏈的30%。氫能的配送和加氫成本占比則分別約為20%和50%。如今加氫成本高的原因有兩個(gè)，一是高壓裝備成本高，二是運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本高。

為了應(yīng)對(duì)這個(gè)問(wèn)題，研發(fā)團(tuán)隊(duì)正在努力推進(jìn)“44工程”,嘗試研發(fā)低電耗制氫電極材料，降低綠電電解水制取“綠氫”的電耗，爭(zhēng)取做到每4度電制取1立方米氫氣，如此制取的4MPa綠氫直接通入4MPa的純氫輸氫管道后，送到低壓加氫站中，4MPa直接加氫，充入燃料電池汽車車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)4wt%(質(zhì)量百分比)的車載儲(chǔ)氫密度。

低壓加氫技術(shù)省去了高壓加氫站中的高壓壓縮機(jī)和高壓儲(chǔ)罐，簡(jiǎn)化了流程、降低了配置，可讓建站成本從1000萬(wàn)元降到300萬(wàn)元以下。同時(shí)，低壓設(shè)備的運(yùn)營(yíng)、維護(hù)成本也大大降低，氫氣的成本可從60元/千克降到40元/千克。

值得一提的是，為了加快“綠氫”的發(fā)展，如今世界各國(guó)已經(jīng)分別提出了各自的綠氫成本目標(biāo)，比如美國(guó)希望在10年內(nèi)將綠氫生產(chǎn)成本降到1美元/千克，澳大利亞希望將綠氫生產(chǎn)成本控制在2美元/千克，而我國(guó)則希望在2030年將綠氫生產(chǎn)成本控制在13元/千克。

團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人表示，采用固態(tài)儲(chǔ)氫與“綠氫”結(jié)合，具有以下優(yōu)勢(shì)：首先，儲(chǔ)氫時(shí)不需要另配壓縮機(jī)，可以直接低壓儲(chǔ)氫，從而節(jié)省了裝備的投資、降低了能耗；其次，安全性好，即使槍擊也不會(huì)引發(fā)爆炸，僅會(huì)有一個(gè)小火苗緩慢燃燒；最后，儲(chǔ)氫密度高、占地面積小，一個(gè)儲(chǔ)罐可以頂三個(gè)同體積的高壓儲(chǔ)罐。

低壓合金儲(chǔ)氫燃料電池冷鏈物流車