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解決固態儲氫儲存和運輸問題,可多領域發揮重要作用

發布時間:2021-07-30 17:32:09 
在充電盛行的時代,誰能想到,裝上2個小巧的氫氣罐,電動自行車就能夠行駛120公里。氫氣用完也不用擔心,街頭巷尾的便利店就能購買更換。就算氫氣罐破損也沒有危險,罐子里倒出來的全是合金粉末……

這并不是什么科幻片里的場景,在2021第二十屆中國北方國際自行車電動車展覽上,就展示了兩款采用氫能源作為發電系統的樣車。

近幾年來,以固態儲氫為能源供應的卡車、冷藏車、大巴車、備用電源等在我國相繼問世。部分雖還是試驗階段,仍在氫能源圈內引發大量關注。

固態儲氫改變氫氣高密度儲存和安全應用兩個難題,究竟是如何實現的?氫氣的儲運難題一旦獲得解決,氫能源將在哪些領域發揮作用?

存儲和運輸問題影響了氫能利用

化學元素氫(H),在元素周期表中位列第一,是所有原子中最小的。

但這個無色無味的“小家伙”卻是宇宙中最常見的元素,氫及其同位素占到了太陽總質量的84%,宇宙質量的75%都是氫。

當前,我國正面臨著能源安全和碳排放兩大挑戰,在碳中和、碳達峰的目標下,必須調整當前過度依賴化石能源的能源結構,而將氫能納入整個能源體系中,有助于改善我國的高碳能源結構,保障能源安全。

但是,從人類認識到氫氣可以燃燒至今,已經過去200多年,氫能的高效利用進程仍然緩慢。

目前,氫氣的儲存和運輸主要分為三種方式:氣態、液態和固態。

氣態儲氫較為常見,可分為低壓和高壓兩種。過去,街頭巷尾賣氣球的小販,會載著一個大鋼瓶,這就是低壓儲氫罐。而高壓氣態儲氫最高氣壓可達70兆帕,目前我國常見的高壓儲氫氣壓也達到35兆帕,其對壓力容器有著極高要求,目前高壓儲氫罐采用碳纖維制造,成本極高且要消耗較大的能源進行壓縮。

氫氣在一定的低溫下,以液態形式存在。因此,可以將氫氣壓縮、冷卻實現液態儲存。常溫、常壓下液氫的密度為氣態氫的845倍,但低溫液態儲氫不經濟。氫氣液化要消耗較大的冷卻能量,而且必須使用超低溫特殊容器,目前僅在儲存空間有限的場合使用,如火箭發動機等。

與化石能源或電力等其他非化石能源相比,氫能由于尚未很好地解決儲運問題,所以一直處尷尬境地。因此,開發新型高效的儲氫材料、安全的儲氫技術對氫能的開發利用至關重要。

含鎂固態儲氫系統成本接近鋰電池

固態儲氫材料需要儲氫材料,金屬合金是主要的儲氫材料。儲氫合金一般由兩部分組成,一部分為吸氫元素或與氫有很強親和力的元素,它控制著儲氫量的多少,是組成儲氫合金的關鍵元素,主要包括鈦、鎂等。另一部分是氫吸收少或根本不吸氫的元素,常見的有鐵、鎳等。

這些合金材料與氫氣在低溫的條件下發生化學反應,氫氣在其表面分解為氫原子。該合金具有大量微小的晶格,其中氫原子擴散到空隙中,形成氫化物。

想要把氫原子“釋放”出來也很簡單,只需施加一定熱量,儲氫材料就可以析出氫氣。

近年來,世界各國成熟的儲氫材料已在熱電聯供、儲能、車載燃料電池氫源系統等多個領域得到應用,一家德國公司甚至在燃料電池潛艇中使用了固態儲氫系統。

氫氣變身“固態油箱”或改變未來能源格局

未來,儲存和運輸的問題解決。氫能的應用不僅是備受關注的燃料電池汽車,還包括氫能發電、工業應用及建筑應用等,既可作為樓宇熱電聯產電源、微網可靠供電、移動基站備用電源,又可與數字化技術結合,讓以固態儲氫為氫源的氫燃料電池動力系統在無人駕駛、軍用單兵、深海裝備等諸多領域發揮重要作用。
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