蒋利军：发展中的固态储氢材料

 
 
蒋利军：发展中的固态储氢材料  
 

当前我国正面临着能源安全和碳排放两大挑战，必须调整当前过度依赖化石能源的能源结构，向着低碳、清洁、智能化的方向发展。

将氢能纳入到我国整个能源体系中，有助于改善我国的高碳能源结构，保障能源安全。其应用不仅是备受关注的燃料电池汽车，还应包括氢能发电、工业应用及其建筑应用等。

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认为，在整个氢能供应链中，高密度安全储运氢已是主要的瓶颈问题。采用固态储氢既可以大幅提高体积储氢密度，又可以提高储运氢的安全性。可为解决人们最关心的氢能高密度储存和安全应用这两个问题，提供重要的解决方案。

密度高又安全的固态储氢

“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。

氢具有最高的重量比能量，但其体积能量密度很低。因此为将氢能推向实用，需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。

因此，采用固态储氢是提高体积储氢密度的最有效途径。这是由其本征的储氢特性所决定的，氢气先在其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高。

此外，虽然氢气具有容易向上逃逸、迅速扩散的安全优势，但也依然存在着一些固有的安全隐患，如其粘度最小，易泄漏，同时氢气燃烧浓度极限范围宽,当氢气出现泄漏并局部聚集，如遇火源，易发生燃爆。

高压储氢存在着高压泄漏、液氢储氢存在着蒸发泄漏等安全隐患，固态储氢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，出现氢气泄漏时，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。

固态储氢材料成果丰硕

蒋利军告诉《中国科学报》，近年来，国际上在固态储氢应用和新型储氢材料的研发方面取得了诸多进展。

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，取得了固态储氢迄今为止最成功的商业应用。

我国近年固态储氢应用也取得了较大进展。TiMn系固态车储氢系统已成功应用于燃料电池客车中，不需高压加氢站，在5MPa氢压下15分钟左右即可充满氢，已累计运行1.5万公里。40m3固态储氢系统与5kW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。并已形成了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轻元素形成的离子键、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。近年也取得了一些重要进展。