神奇的固態儲氫技術 - 把氫氣“裝”進金屬裡

環保壓力及化石能源危機正在驅動能源結構調整，氫能源作為戰略性高效的清潔能源，受到國內外的廣泛重視。根據《中國氫能及燃料電池產業白皮書2019》，氫能將成為中國能源體系中的重要組成部分，在2050年氫能應用達到10%，氫氣需求量約6000萬噸，氫能在交通運輸和工業領域得到普及應用。儲氫技術是氫能源推廣環節中的一項關鍵技術。然而，由於氫氣的特殊性質，氫氣的儲存成為阻礙氫能推廣應用的瓶頸。為了解決這一難題，氫儲（上海）能源科技有限公司（以下簡稱“氫儲”）深入研究鎂合金固態儲氫技術並將其產品應用到氫能領域，實現了產業化落地。

用金屬吸附氫

目前，氫氣的儲存主要有氣態、液態和固態3種方式。簡單來說：氣態儲氫就是利用高壓將氫氣壓縮；液態儲氫是在高壓、低溫條件下使氫氣液化，或者讓氫氣與有機物反應，生成穩定的化合物；固態儲氫則是透過物理或化學作用將氫氣儲存在固體中。相對於氣態和液態儲氫，固態儲氫被認為是極具應用前景的儲氫技術。

固態儲存需要用到儲氫材料，目前技術較為成熟的儲氫材料主要是金屬。自然界中某些金屬具有很強的捕捉氫的能力，在一定的溫度和較低的壓力條件下，這些金屬能吸附大量氫氣，反應生成金屬氫化物，同時放出熱量。想要把氫氣重新釋放出來，只需將這些金屬氫化物加熱就可以了。這些吸附氫氣的金屬被稱為儲氫合金。常用的儲氫合金有鈦錳系、鑭鎳系、鈦鐵系、鎂系。

固態合金儲氫的優點是加氫站無需高壓裝置，能夠簡化加氫站的建設，減少前期投入，對閥體等部件要求降低，能夠降低成本和故障率。但是，它也存在一些缺點，例如：由於金屬氫化物自身質量大而導致質量儲氫密度較低；很多金屬氫化物充放氫溫度高，充放氫速率低；某些金屬合金自身成本過高，因此難以普及。

氫集中生產廠生產的氫氣被充入固態儲氫裝置。相較於高壓氣態和液態儲氫，固態儲氫無需壓縮機或液化裝置即可完成充氫。充氫完成後，固態儲氫裝置被裝載到運輸車上，運送到加氫站等用氫端。

由於固態儲氫材料的吸放氫特性，在運輸車執行過程中，儲氫裝置內只需保持常溫常壓，而儲存的氫氣在此環境下也很難釋放。這確保了固態儲氫裝置在運輸過程中的安全性，其運輸成本也較低。

在加氫站、用氫工廠、氫發電站等目的地，使用輔助升溫裝置對固態儲氫裝置進行加熱，釋放出儲存的氫氣。但輔助升溫裝置會增加固態儲氫運輸過程中的成本，進而導致氫的交貨成本增加。

新型儲運方式崛起

目前國內的上游氫氣資源與下游氫能應用市場的空間分佈不匹配，亟待建立經濟安全的儲運方式，以打通距離限制，提高氫氣儲運的便捷性。現在中國主要採用高壓氣態的儲運方式，其儲氫密度低、運輸半徑短，而且存在氫氣洩漏、爆炸的隱患；液態儲氫主要用於航空航天領域，民用很少，技術有待突破，成本有待下降；有機液態儲氫伴隨副產物的產生，會降低氫氣純度。

作為一種新興的儲運方式，鎂基固態儲氫展現出很多優勢：質量儲氫密度高，操作條件安全（室溫~390°C，<1.5兆帕），運輸安全性高（常溫常壓運輸，氫化物不會自燃），而且沒有儲氫副產物，反而有較強的純化功能。

鎂基固態儲氫的執行成本主要在於用氫端釋放氫氣時所使用的輔助升溫裝置的能耗和折舊，但是其儲氫時的壓力較低，無需增壓裝置。鎂基固態儲氫的執行成本與高壓氣態儲氫相近，低於液態儲氫（見下表）。在固定成本投入方面，以每天20噸的氫氣量測算：鎂基固態儲氫裝置的總投入約為8800萬元，高壓氫氣裝置的總投入成本約為6560萬元，而液氫的投入成本約為11.6億元。也就是說，鎂基固態儲氫的投入成本和高壓氣態儲氫相近，而液態儲氫的投入成本是兩者的14~15倍。

綜上所述，鎂基固態儲氫潛力巨大，因此它被視為氫儲運技術未來重要的發展方向。

氫儲運成本

鎂基固態儲氫車

氫儲聯合上海交通大學材料學院院士團隊與加氫站領頭企業上海氫楓能源技術有限公司，依託上海交通大學氫科學中心，將鎂基材料大規模應用於固態儲氫領域。

上海交通大學開發的鎂基固態儲氫材料，其質量儲氫密度大於6 %，迴圈壽命超過3000次，能純化一氧化碳、硫化氫等雜質氣體。基於該材料，研究團隊還開發了單車儲氫量1.2噸的鎂基固態儲氫車。該儲氫車具有常溫常壓（20℃，＜0.1兆帕）儲運、超高的安全效能（配備氫氣洩漏探測系統，在發生洩漏時可關閉閥門併發出警報）、強大的淨化功能（能有效去除一氧化碳和硫化氫等雜質）和智慧化（遠端實時監控，緊急情況下進行聯鎖控制）等特點。其單次運輸氫量是高壓氣態方式（20兆帕長管拖車）運氫量的3~4倍。

未來，研究團隊將在以下幾個方面降低鎂基固態儲氫的成本：（1）降低鎂基固態儲氫材料成本；（2）最佳化鎂基固態儲氫裝置的設計，減少充放氫時間成本並提高單次運氫量；（3）最佳化熱管理系統及利用餘熱，減少充放氫時電加熱的執行成本。

鎂基固態儲氫為突破氫能應用瓶頸提供了優選方案。我們期待，隨著固態儲氫技術不斷成熟，氫能利用變得更加安全、經濟、高效，氫能將像如今的電能一樣走進千家萬戶，推動社會邁入綠色發展時代。