把氢气“装”进金属里

文/方沛军 邹建新

随着人类科技发展的不断增速，能源危机和环境污染问题越来越突出，氢能源作为一种清洁、高效的二次能源，受到了国内外的广泛重视。《中国氢能及燃料电池产业白皮书2019》中提出，氢能是构建中国现代能源体系的重要方向，到2050年，氢能在中国终端能源体系中占比至少会达到10%，氢气需求量约6000万吨/年，氢能在交通运输和工业领域将得到普及应用。

氢能的实际应用包括氢的制备、氢的存储与运输、氢的能量转化等过程，其中，高效、安全的氢气储运技术是制约氢能发展的关键问题。为了解决这一难题，氢储（上海）能源科技有限公司（以下简称“氢储科技”）开展了镁合金固态储氢技术的研发，并将其产品应用到氢能储运领域，而且开始进行产业化落地示范。

用金属储存氢

目前，氢气的储存方式主要有高压气态储氢、低温液态储氢和材料基固态储氢等。简单来说：高压气态储氢是将气态的氢压缩至高压状态（ 150~1000 个大气压）后储存在高压气罐中；液态储氢是通过不断降温到 -253 ℃使氢气液化，进一步罐装至低温绝热容器中；固态储氢则是通过物理吸附或化学反应的方式将氢气储存在固体材料中。相对于气态和液态储氢，固态储氢具有体积密度高、安全性高、运输方便等优势，被认为是极具应用前景的氢气储运方式。

目前，固态储氢中技术较为成熟的方式为合金储氢，主要包括镁系合金、稀土系合金等。储氢合金与氢气发生化学反应，生成金属氢化物，实现氢气的存储。由于固态合金储氢具有充放氢条件温和、储氢密度高、安全性高等特点，因此固态储氢加氢站不需要高压设备，能够简化加氢站的建设，对阀体等部件要求降低，从而减少前期投入，降低成本和故障率。但是，它也存在一些缺点，例如：部分金属氢化物充放氢速率低、某些金属合金成本过高等。

从工厂到加氢站

固态储存的氢气一般采用车船输送，流程如下图所示。

氢集中生产厂生产的氢气被充入固态储氢装置。相较于高压气态和液态储氢，固态储氢不需要压缩机或液化装置即可完成充氢。充氢完成后，固态储氢装置被装载到运输车上，运送到加氢站等用氢端。

由于固态储氢材料的吸放氢特性，在运输过程中，储氢装置内只需保持常温常压，而存储的氢气在此环境下也很难释放。这确保了固态储氢装置在运输过程中的安全性，其运输成本也较低。

在加氢站、用氢工厂、氢发电站等目的地，使用辅助升温装置对固态储氢装置进行加热，释放出存储的氢气。但辅助升温装置会增加固态储氢运输过程中的成本，进而导致氢的交货成本增加。

新型储运方式崛起

目前国内的上游氢气资源与下游氢能应用市场的空间分布不匹配，亟待建立经济安全的储运方式，以突破距离限制，提高氢气储运的便捷性。 现在我国主要采用高压气态的储运方式，其储氢密度低、运输半径短，而且存在氢气泄漏、爆炸的隐患； 液态储氢主要用于航空航天领域，民用很少，技术有待突破，成本有待下降。

作为一种新兴的储运方式，镁基固态储氢展现出很多优势：质量储氢密度高，操作条件安全（室温至390℃，<1.5兆帕），运输安全性高（常温常压运输，氢化物不会自燃），而且没有储氢副产物，反而有较强的纯化功能。

镁基固态储氢为突破氢能应用瓶颈提供了优选方案。我们期待，随着固态储氢技术不断成熟，氢能利用变得更加安全、经济、高效，氢能将像如今的电能一样走进千家万户，推动社会迈入绿色发展时代。

（原载于《科学画报》2021年第8期，本文受到上海科委2019年度“科技创新行动计划”科普领域项目资助。项目名称：“立足科创中心，传播尖端科技——打造上海重大获奖科技成果科普化融媒体专栏”；项目编号：19DZ2332600。）

本文选自《科学画报》

微信发表时有改动

转载请保留作者，注明转载自科学画报