隨著氫能多元化儲運體系的建設(shè)推進,固態(tài)儲氫成為氫能企業(yè)研發(fā)布局的一大熱點。
近日,氫儲能源在河南新鄉(xiāng)高新區(qū)鎂合金高密度儲氫技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項目的全球首條生產(chǎn)線建成投產(chǎn)測試;有研工研院先后與鴻達興業(yè)、圣元環(huán)保達成合作協(xié)議,針對固態(tài)儲氫的研究與應(yīng)用展開示范運行及平臺建設(shè)等工作;科新機電、安泰創(chuàng)明將共建“以固態(tài)儲氫材料為儲氫媒介的低壓/高壓儲氫裝置及氫儲(放)運系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品”聯(lián)合實驗室;新氫動力、九號公司、永安行等也已推出應(yīng)用固態(tài)儲氫技術(shù)的氫能叉車、兩輪車。
企業(yè)入局固態(tài)儲氫領(lǐng)域的意愿強烈,引發(fā)行業(yè)關(guān)注。當前固態(tài)儲氫發(fā)展進程如何?未來市場前景怎樣?
在氫能制取、氫能儲運、氫能應(yīng)用三大環(huán)節(jié)中,儲運環(huán)節(jié)是高效利用氫能的關(guān)鍵,也是影響氫能向大規(guī)模方向發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。目前主要的氫儲運方式分為高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、固體材料儲氫及有機液體儲氫四種。

固態(tài)儲氫既可以大幅提高體積儲氫密度,又可以提高儲運氫的安全性,可解決人們最關(guān)心的氫能高密度儲存和安全應(yīng)用這兩個問題,在國內(nèi)快速推進氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的當下,吸引多家企業(yè)入局:
備注:根據(jù)公開信息整理,存在遺漏可能
從實現(xiàn)方式來看,固態(tài)儲氫主要分為物理吸附和化學(xué)氫化物儲氫。前者通過活性炭、碳納米管、碳納米纖維碳基材料進行物理性質(zhì)的吸附氫氣,以及金屬有機框架物(MOFs)、共價有機骨架(COFs)這種具有微孔網(wǎng)格的材料捕捉儲存氫氣。
而化學(xué)氫化物儲氫利用金屬氫化物儲氫。氫氣先在其表面催化分解為氫原子,氫原子再擴散進入到材料晶格內(nèi)部空隙中,以原子狀態(tài)儲存于金屬結(jié)晶點內(nèi),形成金屬氫化物,該反應(yīng)過程可逆,從而實現(xiàn)了氫氣的吸、放。
當前主要有鎂系儲氫合金、鐵系儲氫合金、鑭鎳稀土系儲氫合金、鈦系儲氫合金、鋯系儲氫合金等。單位體積的金屬可以儲存常溫常壓下近千體積的氫氣,體積密度甚至優(yōu)于液氫,因此金屬儲氫成為熱門發(fā)展趨勢,上述入局企業(yè)也多數(shù)因此入局。
以分子量較輕的金屬鎂作為基礎(chǔ)的鎂系合金儲氫為例,我國在鎂資源方面非常有優(yōu)勢,全球大概90%的鎂都是生產(chǎn)于中國,不存在材料被“卡脖子”的問題。其體積儲氫密度可達106 kg /m3,為標準狀態(tài)下氫氣密度的1191倍,70MPa高壓儲氫的2.7倍,液氫的1.5倍,并且對環(huán)境非常友好。
從推進主體來看,由于固態(tài)儲氫的技術(shù)門檻較高,資金需求巨大,決定了固態(tài)儲氫領(lǐng)域的布局推進多以企業(yè)與專注有色金屬研究的前沿院校、優(yōu)勢企業(yè)合作的形式展開,通過形式成立技術(shù)攻關(guān)平臺、示范發(fā)展項目等形式搶占發(fā)展先機。
其中由原北京有色金屬研究總院改制而來的有研科技集團旗下的有研工研院成為固態(tài)儲氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展的有力推進企業(yè),已先后與圣元環(huán)保、氫楓能源、佳華利道、鴻達興業(yè)等氫能企業(yè)達成合作,加速固態(tài)儲氫關(guān)鍵技術(shù)突破和成果孵化轉(zhuǎn)化。
從政策環(huán)境來看,固態(tài)儲氫技術(shù)路線的發(fā)展引導(dǎo)已引發(fā)重視。今年3月出臺的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035年)》提出了關(guān)于氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和安全管理的具體要求,致力于加快構(gòu)建安全、穩(wěn)定、高效的氫能供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。
對此,國家發(fā)展改革委高技術(shù)司副司長王翔解讀:穩(wěn)步構(gòu)建儲運體系,支持開展多種儲運方式的探索和實踐,逐步構(gòu)建高密度、輕量化、低成本、多元化的氫能儲運體系。除推進高壓氣態(tài)儲運、低溫液氫儲運商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化外,還要推進探索固態(tài)、深冷高壓、有機液體等儲運方式應(yīng)用。
今年4月,國家稀土功能材料創(chuàng)新中心在包頭市組織召開了“稀土儲氫材料及應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新平臺-固態(tài)儲氫系統(tǒng)開發(fā)及中試生產(chǎn)線建設(shè)”項目實施方案專家論證會;同在4月,科技部發(fā)布國家重點研發(fā)計劃“氫能技術(shù)”等重點專項2022年度項目申報指南,其中包括基于固態(tài)新材料的可逆儲放氫技術(shù)、中低壓氫氣管道固態(tài)儲氫系統(tǒng)及其應(yīng)用技術(shù)等固態(tài)儲氫相關(guān)項目。
發(fā)展升溫背后,固態(tài)儲氫材料、儲氫系統(tǒng)等環(huán)節(jié)的商機顯現(xiàn),當前國內(nèi)的固體儲氫材料及儲氫系統(tǒng)發(fā)展處于怎樣的水平?未來的發(fā)展方向怎樣?
完整的儲氫系統(tǒng)單體,包括儲氫合金、外殼、閥門、配管管路、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和其它附屬裝置。由一系列固態(tài)儲氫模塊按照一定設(shè)計固態(tài)儲氫系統(tǒng),包括固態(tài)儲氫模塊、箱體、監(jiān)測單元和其它附屬裝置。
材料及關(guān)鍵部件方面,固態(tài)儲氫的工作壓力低,安全性能好,所以氫化物儲罐、閥門、配管管路等附屬裝置的研發(fā)生產(chǎn)難度較低,企業(yè)可以采用自行研發(fā)生產(chǎn)或采購的形式實現(xiàn)配套;目前儲氫合金材料的研發(fā)和固態(tài)儲氫系統(tǒng)控制集成仍是主要掣肘,且金屬氫化物儲氫存在多種技術(shù)路線,根據(jù)金屬的化學(xué)特性和應(yīng)用場景特點,發(fā)展出了低成本、易推廣的鈦鐵材料固態(tài)儲氫,以及儲氫性能、充放性能優(yōu)越的鎂基材料固態(tài)儲氫等主要路線。
“我們經(jīng)過多方面考量選取了AB?鈦基材料固態(tài)儲氫,在車用領(lǐng)域的成本上、系統(tǒng)集成上具備優(yōu)勢?!奔讶A利道技術(shù)總監(jiān)劉洋成表示,目前該公司自主知識產(chǎn)權(quán)的4.5T固態(tài)儲氫燃料電池冷藏車已經(jīng)交付。
技術(shù)發(fā)展方面,一方面是金屬氫化物儲氫材料的技術(shù)有待成熟,如重量儲氫率、可逆性等;另一方面,盡管儲氫合金本身的體積儲氫密度很高,但組成儲氫系統(tǒng)后的加熱和冷卻都是通過在儲氫罐內(nèi)部設(shè)置換熱管道實現(xiàn),換熱管道中的介質(zhì)流經(jīng)不同位置的熱交換將影響儲氫合金的反應(yīng)速率,因此儲氫系統(tǒng)的對吸放氫溫度、吸放氫速度、吸放氫循環(huán)等的控制提出了較高的要求。如何優(yōu)化儲氫材料性能及儲氫系統(tǒng)的控制管理是入局企業(yè)的研發(fā)重點。
應(yīng)用領(lǐng)域,固態(tài)儲氫整體處于研發(fā)示范的早期階段,近年國內(nèi)陸續(xù)有以固態(tài)儲氫為能源供應(yīng)的大巴車、卡車、冷藏車、備用電源等問世。國內(nèi)以氫儲能源、鎂源動力、安泰創(chuàng)明為代表的企業(yè)已建立起材料及產(chǎn)業(yè)化項目產(chǎn)線,這三家的固態(tài)儲氫產(chǎn)業(yè)均采取鎂基材料固態(tài)儲氫路線。
另值得一提的是,由于固態(tài)儲氫多采用金屬氫化物以及鋁合金氫罐,使得現(xiàn)有固態(tài)儲氫罐重量較大,當前的終端應(yīng)用多集中在固定式儲氫應(yīng)用市場,以及對重量不敏感的小型移動式應(yīng)用。
“未來固態(tài)儲氫可能是將來非常大規(guī)模的儲能的方式,不僅可以作為建筑熱電聯(lián)供電源、微網(wǎng)的可靠電源與移動基站的備用電源,可以安全地進行長期存儲,也可以快速進行調(diào)峰。移動應(yīng)用領(lǐng)域,固態(tài)儲氫罐可以做為一種產(chǎn)品,供給售賣和補能替換?!睒I(yè)內(nèi)人士推斷。
整體看來,固態(tài)儲氫高密度高安全的優(yōu)勢明顯,隨著氫能行業(yè)及企業(yè)對該領(lǐng)域的關(guān)注度加大,固態(tài)儲氫有望在實際應(yīng)用中不斷完善技術(shù),助推氫能行業(yè)多元化儲運體系實現(xiàn)。
來源:微信公眾號“高工氫電” ID:weixin-gg-fcev 作者:趙賽楠
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