固态储氢材料

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。
开发新型储氢材料是氢能利用的重要研究方向。近日，Materials Today Nano、Journal of Materials Chemistry A等期刊相继发表了储氢材料的相关研究，其中，固态储氢材料因其具有储氢密度高、工作压力适中、安全性能好等优势，被认为极具应用前景。
日前，国家有色金属新能源材料与制品工程技术研究中心主任蒋利军指出，高密度储存和安全储运是当前整个氢能供应链中面临的主要瓶颈，而采用固态储氢将成为其破解之道。
固态储氢密度高又安全

氢具有最高的重量比能量，但其体积能量密度很低。因此，要想将氢能推向实用，就需要大幅提高氢能的体积能量密度。
蒋利军介绍，目前一般采用高压压缩、液化或固化的方式，提高体积储氢密度。在这三种方式中，固态储氢具有最高的体积储氢密度。
“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。”蒋利军说，如与燃料电池一体化集成，可充分利用燃料电池余热，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。
因此，他认为，采用固态储氢是提高体积储氢密度的最有效途径。这是由其本身储氢特性所决定的。氢气先在固态储氢材料表面催化分解为氢原子，氢原子再扩散进入到材料晶格内部空隙中，形成金属氢化物，因而其储氢密度比液氢还要高。
不仅如此，高压储氢存在高压泄漏、液氢储氢存在蒸发泄漏等安全隐患，固态储氢则可做到常温常压储氢，储氢容器易密封。并且，当发生突发事件如泄漏时，由于固态储氢放氢需吸收热量，因而可以自控式地降低氢气泄漏速度和泄漏量，为采取安全措施赢得时间，从而提高了储氢装置的使用安全性。
国内外研究成果丰硕

蒋利军说，近年来，国际上成熟的储氢材料已在热电联供、储能、摩托车载燃料电池等多个领域得到应用。德国HDW公司将开发的TiFe系固态储氢系统用于燃料电池AIP潜艇中，是固态储氢迄今为止最成功的商业应用。
我国在固态储氢应用上也取得了较大进展。TiMn系固态车储氢系统已成功应用于燃料电池客车，不需高压加氢站，在5兆帕氢压下15分钟左右即可充满氢，已累计运行1.5万公里；40立方米固态储氢系统与5千瓦燃料电池系统成功耦合，作为通信基站备用电源，可持续运行16小时以上；小型储氢罐已批量用于卫星氢原子钟中，为其提供了安全氢源。截至目前，我国还建立了3项固态储氢相关国家标准。
据蒋利军介绍，尽管上述储氢材料技术已较为成熟，并得到了实际应用，但其重量储氢率仍然偏低，难以满足车载储氢的技术要求，需要更高重量储氢率的新型储氢材料。这些高容量储氢材料多为氢元素形成的离子键、共价键氢化物，但键合力太强，放氢温度过高。
蒋利军说，对于这些新型高容量储氢材料，目前主要通过纳米化、复合化和催化等方法，来调控其热力学、动力学和循环寿命性能。如韩国汉阳大学制备出了三维碳材料纳米限域和过渡金属修饰的MgH2纳米复合材料，可在80℃放出4wt%（质量百分比）的氢气，180℃下放氢量可达6.55wt%，并具有较好的吸放氢循环性能；澳大利亚新南威尔士大学制备出具有核壳结构的镍催化氨硼烷纳米储氢材料，使原来不可逆储氢的氨硼烷具有了部分可逆储氢性能。
我国近期合成的N-Nb2O5掺杂的MgH2起始放氢温度也已降至170℃。但是总体来看，这些材料仍存在热力学稳定性过高、储氢量偏低、可逆性较差等问题。
要直面市场需求

尽管国内外固态储氢材料的研究成果不断，但蒋利军仍认为这类材料的综合性能还不能完全满足燃料电池动力系统的应用要求，特别是燃料电池乘用车车载储氢的要求。
为提高重量储氢率，一系列的配位氢化物、金属氨基氢化物、金属氨硼烷等轻质高容量储氢材料被相继开发出来。虽然这些材料具有较高的重量储氢率，但仍存在吸放氢温度高、吸放氢速度慢、可逆吸放氢循环性能差、低成本规模化制备技术欠缺等问题。
此外，储氢材料成本偏高也是制约其发展的一个重要因素。一方面，受有色金属原料价格波动影响，储氢材料的原料成本变动较大；另一方面，这些材料应用的市场小、制造批量小、成品率低，导致其制造成本较高。
蒋利军说，要解决这些问题，就要让研究走出“象牙塔”，直接面向市场需求，与最终用户紧密合作，开展实用型储氢新材料开发、配套工程化和应用技术开发。
他建议，首先要加快成熟储氢材料的应用。要认真分析细分市场，在现有成熟的储氢材料中筛选出性价比最合适的配对材料，开展工程化和应用技术研究，使成熟的储氢材料能尽快在特定的细分市场中得到很好的应用。
其次，要以产品为导向，开发高容量储氢新材料，以满足综合性能为导引，避免片面追求高容量，做到有的放矢。
第三，将成本核算引入到研发阶段。研发时不仅要追求高性能，还要充分考虑材料成本和批量制造成本，找到原材料成本低、批量制备技术易于控制的材料和技术。
最后，由于储氢系统涉及氢和压力容器，使用安全也至关重要，必须要以标准规范为保障。目前储氢材料和系统标准规范及安全评价体系尚待完善，相关安全评价装备和检测基地也不完备，需要从宏观层面加以推动。
蒋利军认为，氢能既可以大规模储存，又可以跨区域、跨季节地调度，且使用多样化，使整个能源体系变得更高效、更柔性。氢能通过电氢协同，将成为整个能源结构中的桥梁和纽带，与太阳能、风能等清洁能源一起，构成清洁的、可持续的能源体系。
他对固态储氢的经济性充满信心，“内蒙古地区风能、稀土资源丰富，但弃风严重，镧铈稀土积压严重，而稀土储氢材料恰恰大量使用了镧铈元素。如能借机在当地发展风电制氢、稀土系固态储氢，则能使这两种优势资源协同发展，走出一条具有中国特色的氢能发展之路”。