新知 | 宇宙中含量最多的元素如何高效利用？固态储氢技术让氢能“叫好又叫座”

交汇点讯 200多年前，英国化学家卡文迪许发现了氢气。当时人们就发现氢是一种能量密度很高的清洁可再生能源，但其特殊性质导致难以常温常压储存，泄漏后有爆炸危险，安全储运方式的缺乏使氢能应用叫好不叫座。

最近，储氢方式有了新的突破。一种以固态储氢为氢源的助力和全电二轮车在江苏研发成功，其安全高效的储氢手段破解储运和应用难题，在工业、交通领域发挥重要作用；一旦解决推广难题，固态储氢将在未来能源格局中扮演重要角色。

氢能储运面临安全和成本挑战

化学元素氢，其原子在元素周期表中最小，也是最轻的元素。它无色无味，在宇宙中含量最多，大约占据宇宙质量的75%。

“我们现在所使用的能源都与碳有关，但氢能在未来将占据举足轻重的地位。”江苏省产业技术研究院集萃先进能源材料与应用技术研究所所长周少雄博士告诉《科技周刊》记者，氢在地球自然界中分布很广，它可以由水制取，也可以通过太阳能、风能等可再生能源获得，被认为是理想的能源或能源载体。

当前，我国正面临能源安全和碳排放两大挑战，能源结构亟待向低碳、清洁、智能化的方向转型。氢能除了应用于燃料电池汽车，还可应用于发电、工业及其建筑等领域，因此，将氢能纳入我国整个能源体系备受关注。

 “氢能的利用包括制备、储运、应用3个环节，第一步和第三步都解决，而第二步安全储运是氢能应用的关键环节。”周少雄介绍说，氢通常以气态形式存在, 且易燃、易爆、易扩散，这就给氢的安全储存和运输带来了很大的困难。

目前，氢气的储运主要分为气态、液态和固态3种方式。气态储氢较为常见，可分为低压和高压两种。在商业区卖气球的小贩，会随身带着一个钢瓶，这就是低压储氢罐。而我国常见的高压气态储氢气压达到35兆帕，这就对压力容器提出了极高要求，目前高压储氢罐采用碳纤维制造，成本极高且要消耗较大的能源进行压缩。 

“当然，氢气也可以以液态方式存在，可将氢气压缩冷却实现液态储存，但成本巨大，要耗费大量的能量，使用特殊的容器，只有在火箭发动机等不计成本的场景中使用。”周少雄表示，氢能发现至今叫好不叫座的原因在于运输成本的考量，因此开发新型低压高效的储氢技术至关重要，他们发现，发展固态储氢技术是一条“康庄大道”。

合金材料突破引发储氢技术变革

“固态储氢相对于高压气态和液态储氢，具有体积储氢密度高、工作压力低、安全性能好等优势。”周少雄介绍，固态储氢是未来高密度储存和安全氢能利用的发展方向。固态储存需要用到储氢材料，目前技术较为成熟的储氢材料主要是金属合金。

金属合金和储氢有啥关系？在先进能源材料与应用技术研究所，记者看到一辆电动自行车。这辆自行车没有电瓶，但身上有两个小巧的氢气罐，里面装满了合金粉末，即使管子破损也不会产生高压，2个小罐储备的氢能能供自行车行驶120公里，氢气用完后更换氢气罐即可。

“某些金属或合金与氢反应后以金属氢化物形式吸氢，生成的金属氢化物加热后释放出氢气，我们利用这一特性有效储氢。”周少雄解释说，储氢合金一般由两部分组成，一部分为吸氢元素或与氢有很强亲和力的元素，它控制着储氢量的多少，是组成储氢合金的关键元素，主要包括钛、镁等；另一部分是吸氢量小或根本不吸氢的元素，常见的有铁、镍等。

这些合金材料与氢气在低温的条件下发生化学反应，氢气在其表面分解为氢原子。合金材料内部有大量细微的晶格，氢原子扩散进入到晶格内部空隙中，形成金属氢化物。想要把氢原子“释放”出来也很简单，只需施加一定热量，储氢材料就可以析出氢气。

周少雄告诉记者，目前他们开发的低温固态储氢材料可以存储其体积上百倍的氢气，因而其储氢密度比液氢还高。这些合金材料性能非常稳定，不会燃烧爆炸，可逆性好，重复使用不低于5000次，其综合成本已逼近锂电池。

近年来，世界各国在固态储氢应用和新型储氢材料的研发上取得了诸多进展，成熟的储氢材料已在热电联供、储能、车载燃料电池氢源系统等多个领域得到应用，德国一家公司甚至将固态储氢系统用于燃料电池潜艇中。周少雄介绍，研究所最新研制的含镁储氢材料，储存容量可达每立方米110千克，远超美国能源局提出的储氢“终极目标”，在国际上领先。

不过，他也坦言，制约固态储氢技术应用的一点是放氢温度要求过高，需要达到250℃以上。为解决固态储氢需要高温环境的问题，目前，国内外专家学者正通过各种方法来调控其热力学、动力学和循环寿命性能，尝试添加催化剂，降低其氢能充放过程中所需的环境温度，希望可以早日实现商用。

固态储氢罐或将像干电池一样随处可见

氢能的利用问题的核心在于成本最优，那么固态储氢是否在成本上有优势呢？周少雄解释，低温固态储氢材料技术成熟，成本可控，整套装置全部实现国产化，无需政府补贴也可以实现商业化应用。

以研究所开发的固态储氢为氢源的百瓦级氢燃料电池发电系统为例，只需55克氢气就能驱动自行车行驶80公里，而这55克氢气就储存在一个普通矿泉水瓶大小的罐子里，储氢压力仅相当于普通气球。

目前固态储氢材料特别是镁基储氢合金，由于具有高的质量储氢密度适合于氢储运，为固态储氢技术解决高安全经济的‘储运’和“‘储用’卡脖子提供了优选方案。”周少雄表示，但镁基储氢合金放氢温度高，需要解决热源问题，我国“十四五”期间通过科技攻关，预期可以实现固态储氢技术在氢储运方面的应用。另外，固态储氢可以将分散的工业副产氢简便、安全、低成本的储集起来，节省了高昂的运输费用和工业副产氢的利用率。

周少雄表示，固态储氢即储氢合金技术应用很广，如，电化学储氢、储氢装置、氢压缩机、热管理、氢分离、纯化、催化、医学、农业等方面，大家熟知的就是做为燃料电池的氢源。

在工业方面，氢冶金对于氢的用量方面非常大，在交通领域方面，随着燃料电池技术的突破及国产化，会在汽车、船舶、轨道交通、叉车、摩托车、自行车实现产业化，走向千家万户。

《科技周刊》记者了解到，目前，我国近年固态储氢应用已取得了较大进展。固态车储氢系统已成功应用于燃料电池客车中，不需高压加氢站，15分钟左右即可充满氢，已累计运行1.5万公里。在重卡车领域今年开发出一台4.5吨固态储氢燃料电池冷藏车，作为通信基站备用电源，可持续运行16小时以上。

周少雄大胆预言：“固态储氢罐可以做成像干电池一样的产品，未来可在便利店或超市随处购买，也可以将使用完的氢能源空瓶放置存储箱，由快递员每日更换。”在他看来，固态储氢技术推广后，氢能的应用不仅是局限在燃料电池汽车，还包括氢能发电、工业应用及建筑应用等，还能够与数字化技术结合，让以固态储氢为氢源的氢燃料电池动力系统在无人驾驶、深海装备等诸多领域发挥重要作用。

新华日报·交汇点记者 张宣 实习生 王哲楷

编辑: 谢诗涵