氫氣變身“固態(tài)油箱”或改變未來能源格局

在充電盛行的時(shí)代，誰能想到，裝上2個(gè)小巧的氫氣罐，電動(dòng)自行車就能夠行駛120公里。氫氣用完也不用擔(dān)心，街頭巷尾的便利店就能購買更換。就算氫氣罐破損也沒有危險(xiǎn)，罐子里倒出來的全是合金粉末……

這并不是什么科幻片里的場(chǎng)景，在2021第二十屆中國北方國際自行車電動(dòng)車展覽上，就展示了兩款采用氫能源作為發(fā)電系統(tǒng)的樣車。

近幾年來，以固態(tài)儲(chǔ)氫為能源供應(yīng)的卡車、冷藏車、大巴車、備用電源等在我國相繼問世。部分雖還是試驗(yàn)階段，仍在氫能源圈內(nèi)引發(fā)大量關(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?

存儲(chǔ)和運(yùn)輸問題影響了氫能利用

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)無色無味的“小家伙”卻是宇宙中最常見的元素，氫及其同位素占到了太陽總質(zhì)量的84%，宇宙質(zhì)量的75%都是氫。

當(dāng)前，我國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)前過度依賴化石能源的能源結(jié)構(gòu)，而將氫能納入整個(gè)能源體系中，有助于改善我國的高碳能源結(jié)構(gòu)，保障能源安全。

但是，從人類認(rèn)識(shí)到氫氣可以燃燒至今，已經(jīng)過去200多年，氫能的高效利用進(jìn)程仍然緩慢。

目前，氫氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸主要分為三種方式:氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。

氣態(tài)儲(chǔ)氫較為常見，可分為低壓和高壓兩種。過去，街頭巷尾賣氣球的小販，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，目前我國常見的高壓儲(chǔ)氫氣壓也達(dá)到35兆帕，其對(duì)壓力容器有著極高要求，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，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)問題，所以一直處尷尬境地。因此，開發(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)氫材料需要儲(chǔ)氫材料，金屬合金是主要的儲(chǔ)氫材料。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。另一部分是氫吸收少或根本不吸氫的元素，常見的有鐵、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。該合金具有大量微小的晶格，其中氫原子擴(kuò)散到空隙中，形成氫化物。

想要把氫原子“釋放”出來也很簡(jiǎn)單，只需施加一定熱量，儲(chǔ)氫材料就可以析出氫氣。

近年來，世界各國成熟的儲(chǔ)氫材料已在熱電聯(lián)供、儲(chǔ)能、車載燃料電池氫源系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，一家德國公司甚至在燃料電池潛艇中使用了固態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)。

氫氣變身“固態(tài)油箱”或改變未來能源格局

未來，儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)膯栴}解決。氫能的應(yīng)用不僅是備受關(guān)注的燃料電池汽車，還包括氫能發(fā)電、工業(yè)應(yīng)用及建筑應(yīng)用等，既可作為樓宇熱電聯(lián)產(chǎn)電源、微網(wǎng)可靠供電、移動(dòng)基站備用電源，又可與數(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)在無人駕駛、軍用單兵、深海裝備等諸多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。（科技日?qǐng)?bào)）