當(dāng)前我國(guó)正面臨著能源安全和碳排放兩大挑戰(zhàn)，必須調(diào)整當(dāng)前過(guò)度依賴化石能源的能源結(jié)構(gòu)，向著低碳、清潔、智能化的方向發(fā)展。

將氫能納入到我國(guó)整個(gè)能源體系中，有助于改善我國(guó)的高碳能源結(jié)構(gòu)，保障能源安全。其應(yīng)用不僅是備受關(guān)注的燃料電池汽車，還應(yīng)包括氫能發(fā)電、工業(yè)應(yīng)用及其建筑應(yīng)用等。

國(guó)家有色金屬新能源材料與制品工程技術(shù)研究中心主任蔣利軍認(rèn)為，在整個(gè)氫能供應(yīng)鏈中，高密度安全儲(chǔ)運(yùn)氫已是主要的瓶頸問(wèn)題。采用固態(tài)儲(chǔ)氫既可以大幅提高體積儲(chǔ)氫密度，又可以提高儲(chǔ)運(yùn)氫的安全性?？蔀榻鉀Q人們最關(guān)心的氫能高密度儲(chǔ)存和安全應(yīng)用這兩個(gè)問(wèn)題，提供重要的解決方案。

密度高又安全的固態(tài)儲(chǔ)氫

“固態(tài)儲(chǔ)氫相對(duì)于高壓氣態(tài)和液態(tài)儲(chǔ)氫，具有體積儲(chǔ)氫密度高、工作壓力低、安全性能好等優(yōu)勢(shì)。”蔣利軍說(shuō)，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(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。

氫具有最高的重量比能量，但其體積能量密度很低。因此為將氫能推向?qū)嵱?，需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(chǔ)氫密度。在這三種方式中，固態(tài)儲(chǔ)氫具有最高的體積儲(chǔ)氫密度。

因此，采用固態(tài)儲(chǔ)氫是提高體積儲(chǔ)氫密度的最有效途徑。這是由其本征的儲(chǔ)氫特性所決定的，氫氣先在其表面催化分解為氫原子，氫原子再擴(kuò)散進(jìn)入到材料晶格內(nèi)部空隙中，形成金屬氫化物，因而其儲(chǔ)氫密度比液氫還高。

此外，雖然氫氣具有容易向上逃逸、迅速擴(kuò)散的安全優(yōu)勢(shì)，但也依然存在著一些固有的安全隱患，如其粘度最小，易泄漏，同時(shí)氫氣燃燒濃度極限范圍寬,當(dāng)氫氣出現(xiàn)泄漏并局部聚集，如遇火源，易發(fā)生燃爆。

高壓儲(chǔ)氫存在著高壓泄漏、液氫儲(chǔ)氫存在著蒸發(fā)泄漏等安全隱患，固態(tài)儲(chǔ)氫可做到常溫常壓儲(chǔ)氫，儲(chǔ)氫容器易密封，并且當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件，出現(xiàn)氫氣泄漏時(shí)，由于固態(tài)儲(chǔ)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(shí)間，從而提高了儲(chǔ)氫裝置的使用安全性。

固態(tài)儲(chǔ)氫材料成果豐碩

蔣利軍告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，近年來(lái)，國(guó)際上在固態(tài)儲(chǔ)氫應(yīng)用和新型儲(chǔ)氫材料的研發(fā)方面取得了諸多進(jìn)展。

成熟的儲(chǔ)氫材料已在熱電聯(lián)供、儲(chǔ)能、摩托車載燃料電池等多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。德國(guó)HDW公司將開(kāi)發(fā)的TiFe系固態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)用于燃料電池AIP潛艇中，取得了固態(tài)儲(chǔ)氫迄今為止最成功的商業(yè)應(yīng)用。

我國(guó)近年固態(tài)儲(chǔ)氫應(yīng)用也取得了較大進(jìn)展。TiMn系固態(tài)車儲(chǔ)氫系統(tǒng)已成功應(yīng)用于燃料電池客車中，不需高壓加氫站，在5MPa氫壓下15分鐘左右即可充滿氫，已累計(jì)運(yùn)行1.5萬(wàn)公里。40m3固態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)與5kW燃料電池系統(tǒng)成功耦合，作為通信基站備用電源，可持續(xù)運(yùn)行16小時(shí)以上。小型儲(chǔ)氫罐已批量用于衛(wèi)星氫原子鐘中，為其提供了安全氫源。并已形成了3項(xiàng)固態(tài)儲(chǔ)氫相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

據(jù)蔣利軍介紹，盡管上述儲(chǔ)氫材料技術(shù)已較為成熟，并得到了實(shí)際應(yīng)用，但其重量?jī)?chǔ)氫率仍然偏低，難以滿足車載儲(chǔ)氫的技術(shù)要求，需要更高重量?jī)?chǔ)氫率的新型儲(chǔ)氫材料。這些高容量?jī)?chǔ)氫材料多為輕元素形成的離子鍵、共價(jià)鍵氫化物，但鍵合力太強(qiáng)，放氫溫度過(guò)高。

蔣利軍說(shuō)，對(duì)于這些新型高容量?jī)?chǔ)氫材料，目前主要通過(guò)納米化、復(fù)合化和催化等方法，來(lái)調(diào)控其熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和循環(huán)壽命性能。近年也取得了一些重要進(jìn)展。

如韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)制備出了三維碳材料納米限域和過(guò)渡金屬修飾的MgH2納米復(fù)合材料，可在80℃放出4wt%的氫氣，180℃下放氫量可達(dá)6.55wt%，并具有較好的吸放氫循環(huán)性能;澳大利亞新南威爾士大學(xué)制備出具有核殼結(jié)構(gòu)的鎳催化氨硼烷納米儲(chǔ)氫材料，使原來(lái)不可逆儲(chǔ)氫的氨硼烷具有了部分可逆儲(chǔ)氫性能。

我國(guó)近期合成的N-Nb2O5摻雜的MgH2起始放氫溫度也已降至170 °C。但是總體來(lái)看，這些材料仍存在熱力學(xué)穩(wěn)定性過(guò)高、儲(chǔ)氫量偏低、可逆性尚差等問(wèn)題。

市場(chǎng)為導(dǎo)向，走出象牙塔

盡管國(guó)內(nèi)外固態(tài)儲(chǔ)氫材料的研究成果不斷，蔣利軍仍認(rèn)為這類材料的綜合性能還不能完全滿足燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的應(yīng)用要求，特別是燃料電池乘用車車載儲(chǔ)氫的要求。

成熟體系的儲(chǔ)氫材料重量?jī)?chǔ)氫率偏低，這些材料包括稀土系、Ti系和TiV固溶體材料，其中最高的TiV固溶體材料可逆儲(chǔ)氫量也僅有2.6wt%。為提高重量?jī)?chǔ)氫率，開(kāi)發(fā)了一系列的配位氫化物、金屬氨基氫化物、金屬氨硼烷等輕質(zhì)高容量?jī)?chǔ)氫材料，雖然具有較高的重量?jī)?chǔ)氫率，但這些材料仍存在著吸放氫溫度高、吸放氫速度慢、可逆吸放氫循環(huán)性能差、低成本規(guī)?；苽浼夹g(shù)欠缺等問(wèn)題。

此外，儲(chǔ)氫材料成本偏高也是制約其發(fā)展的一個(gè)重要因素。一方面，受有色金屬原料價(jià)格波動(dòng)影響，儲(chǔ)氫材料的原料成本變動(dòng)大;另一方面，這些材料應(yīng)用的市場(chǎng)還較小，制造批量小，成品率低，導(dǎo)致其制造成本也較高。

蔣利軍說(shuō)，要解決這些問(wèn)題，就要讓研究走出象牙塔，直接面向市場(chǎng)需求，與最終用戶緊密合作，開(kāi)展實(shí)用型儲(chǔ)氫新材料開(kāi)發(fā)、配套工程化和應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)。

第一，加快成熟儲(chǔ)氫材料的應(yīng)用。要認(rèn)真分析細(xì)分市場(chǎng)，在現(xiàn)有成熟的儲(chǔ)氫材料中篩選出性價(jià)比最合適的配對(duì)材料，開(kāi)展工程化和應(yīng)用技術(shù)研究，使成熟的儲(chǔ)氫材料能盡快在特定的細(xì)分市場(chǎng)中得到很好的應(yīng)用。

第二，以產(chǎn)品為導(dǎo)向，開(kāi)發(fā)高容量?jī)?chǔ)氫新材料，以滿足綜合性能為導(dǎo)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(fā)階段，研發(fā)時(shí)不僅要追求高性能，同時(shí)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(shù)易于控制的材料和技術(shù)。

第四，由于儲(chǔ)氫系統(tǒng)涉及氫和壓力容器問(wèn)題，使用安全至關(guān)重要，必須要以相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為保障，目前儲(chǔ)氫材料和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及安全評(píng)價(jià)體系尚待完善，相關(guān)安全評(píng)價(jià)裝備和檢測(cè)基地也不完備，需要從宏觀層面加以推動(dòng)。

減少碳排放，必須發(fā)展高比例可再生能源，但可再生能源在時(shí)空間是不穩(wěn)定的，需要發(fā)展氫儲(chǔ)能等大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)，通過(guò)儲(chǔ)能的手段，適時(shí)調(diào)配能源，將波動(dòng)較大的可再生能源變成高品質(zhì)能源。

蔣利軍認(rèn)為，氫能既可以大規(guī)模儲(chǔ)存，又可以跨區(qū)域跨季節(jié)的調(diào)度，而且使用多樣化，使整個(gè)能源體系變得更高效、更柔性。氫能將通過(guò)電氫協(xié)同，成為整個(gè)能源結(jié)構(gòu)中的橋梁和紐帶，與太陽(yáng)能、風(fēng)能等清潔能源一起，構(gòu)成清潔的、可持續(xù)的能源體系。

蔣利軍對(duì)固態(tài)儲(chǔ)氫的經(jīng)濟(jì)性很有信心。他認(rèn)為，內(nèi)蒙地區(qū)風(fēng)能、稀土資源豐富，但目前棄風(fēng)嚴(yán)重，鑭鈰稀土積壓嚴(yán)重，而稀土儲(chǔ)氫材料恰恰大量使用了鑭鈰元素。如能借機(jī)在當(dāng)?shù)匕l(fā)展風(fēng)電制氫、稀土系固態(tài)儲(chǔ)氫，則能使這兩種優(yōu)勢(shì)資源協(xié)同發(fā)展，走出一條有中國(guó)特色的氫能發(fā)展之路。(記者 池涵)