蒋利军：发展中的固态储氢材料

目前，中国面临能源安全和碳排放两大挑战。有必要调整目前过度依赖化石能源的能源结构，向低碳、清洁、智能的方向发展。

将氢能纳入中国的整个能源体系，将有助于改善中国的高碳能源结构，确保能源安全。它的应用不仅仅是备受关注的燃料电池汽车，还包括氢发电、工业应用和建筑应用等。

国家有色金属新能源材料与产品工程技术研究中心主任姜立军认为，氢的高密度安全储存和运输已经成为整个氢能源供应链的主要瓶颈。使用固体储氢不仅可以大大提高体积储氢密度，还可以提高储氢和运输的安全性。它可以为解决人们最关心的两个问题提供重要的解决方案:高密度存储和氢能的安全应用。

高密度安全固体储氢

与高压气态和液态储氢相比，固态储氢具有体积储氢密度高、工作压力低、安全性能好等优点姜立军表示，如果与燃料电池集成，可以充分利用燃料电池的余热，吸热释氢，减少系统的热交换能量，从而提高整个燃料电池动力系统的能效。

氢有最高的重量比能量，但它的体积能量密度很低。因此，为了将氢能投入实际使用，氢能的体积能量密度需要大大增加。

姜立军介绍，目前普遍采用高压压缩、液化或固化来提高体积储氢密度。在这三种方式中，固态储氢具有最高的体积储氢密度。

因此，固体储氢是提高体积储氢密度的最有效方法。这是由其固有的储氢特性决定的。氢首先在其表面被催化分解成氢原子，然后扩散到材料晶格的内部空隙中形成金属氢化物。因此，其储氢密度高于液态氢。

此外，尽管氢气具有易于向上逃逸和快速扩散的安全优势，但仍存在一些固有的安全隐患，如其最低粘度、易泄漏、氢气燃烧浓度的极限范围宽等。当氢气泄漏并在局部积聚时，一旦发生火灾，很容易爆炸。

高压储氢存在高压泄漏等安全隐患，液态储氢存在蒸发泄漏。固态储氢可以在常温常压下储存氢气，储氢容器易于密封。在紧急情况和氢气泄漏的情况下，由于固体储氢和氢气释放需要吸热，氢气泄漏的速度和量可以自动降低，从而为采取安全措施赢得时间，提高储氢装置的使用安全性。

固体储氢材料已经取得了丰硕的成果。

姜立军对《中国科学报》表示，近年来，国际上在固体储氢应用和新型储氢材料的研发方面取得了许多进展。

成熟的储氢材料已经应用于许多领域，如热电联产、储能、摩托车燃料电池等。德国HDW公司应用了燃料电池AIP潜艇开发的TiFe系列固体储氢系统，实现了迄今为止固体储氢的最成功的商业应用。

近年来，中国在固体储氢应用方面也取得了很大进展。TiMn系列固态汽车储氢系统已成功应用于燃料电池客车。它不需要高压氢气站，可以在5兆帕的氢气压力下充氢约15分钟。它已经跑了15000公里。40m3固态储氢系统与5kW燃料电池系统成功耦合，可作为通信基站的备用电源，连续工作16小时以上。小型储氢罐已经在卫星氢脉泽中批量使用，以提供安全的氢源。固态储氢已经建立了三个国家标准。

姜立军表示，虽然上述储氢材料技术已经相对成熟并在实践中得到应用，但其重量储氢率仍然较低，难以满足车载储氢的技术要求，需要新的重量储氢率更高的储氢材料。这些高容量储氢材料大多是轻元素形成的离子键和共价键氢化物，但结合力太强，氢释放温度太高。

姜立军表示，对于这些新型高容量储氢材料，目前主要通过纳米化、络合和催化等方法来控制其热力学、动力学和循环寿命性能。近年来，已经取得了一些重要进展。

例如，韩国汉阳大学已经制备了三维碳材料纳米畴受限和过渡金属改性的氢氧化镁纳米复合材料，其在80℃时可以释放4wt%的氢气，在180℃时释放的氢气量可以达到6.55wt%，并且具有良好的氢气吸收和释放循环性能。澳大利亚新南威尔士大学制备了镍催化氨硼烷核壳结构纳米储氢材料，使原来不可逆的氨硼烷具有部分可逆的储氢性能。

我国最近合成的掺氮铌酸镁的初始析氢温度也降低到170℃，但总的来说，这些材料仍存在热力学稳定性高、储氢量低和可逆性差的问题。

面向市场，走出象牙塔

尽管国内外对固体储氢材料的研究不断取得成果，姜立军仍然认为这类材料的综合性能不能完全满足燃料电池动力系统的应用要求，尤其是车载燃料电池客车的储氢要求。

成熟体系中储氢材料的重量储氢率低。这些材料包括稀土系、钛系和钛钒固溶体材料，钛钒固溶体材料的最高可逆储氢量仅为2.6%。为了提高储氢量，人们开发了一系列轻质高容量的储氢材料，如配位氢化物、金属氨基氢化物和金属氨硼烷。尽管这些材料具有较高的储氢量，但仍存在吸放氢温度高、吸放氢速度慢、可逆吸放氢循环性能差、缺乏低成本大规模制备技术等问题。

此外，储氢材料的高成本也是制约其发展的重要因素。一方面，由于有色金属原材料的价格波动，储氢材料的成本差异很大。另一方面，这些材料的应用市场仍然很小，生产批量小，产量低，导致生产成本较高。

姜立军表示，要解决这些问题，必须走出象牙塔，直接面对市场需求，与终端用户密切合作，开发实用的新型储氢材料、配套工程和应用技术。

首先，加快成熟储氢材料的应用。我们应认真分析市场细分，从现有成熟储氢材料中选择性价比最合适的匹配材料，并开展工程和应用技术研究，使成熟储氢材料尽快在特定市场细分中得到应用。

第二，以产品为导向的新型高容量储氢材料的开发应该以满足综合性能为导向，避免片面追求高容量，达到预期效果。

第三，应将成本会计引入研发阶段。在研发过程中，不仅要追求高性能，还要充分考虑材料成本和批量制造成本，寻找原材料成本低、批量制造技术容易控制的材料和技术。

第四，由于储氢系统涉及氢和压力容器，使用安全至关重要，必须由相关标准和规范保证。目前，储氢材料及系统标准规范和安全评估体系仍有待完善，相关安全评估设备和测试基地也不完善，需要从宏观层面进行推广。

为了减少碳排放，必须开发高比例的可再生能源。然而，可再生能源在时间和空间上是不稳定的。需要开发大规模储能技术，如氢能储存。能源可以通过能量储存的方式及时分配，将不稳定的可再生能源转化为高质量的能源。

姜立军认为，氢能可以大规模储存，并且可以跨地区、跨季节输送。此外，氢能的使用是多样化的，使整个能源系统更加有效和灵活。通过电和氢的合作，氢能将成为整个能源结构中的桥梁和纽带，并与太阳能、风能等清洁能源共同构成一个清洁、可持续的能源系统。

姜立军对固态储氢的经济性很有信心。他认为，内蒙古风能和稀土资源丰富，但目前弃风严重，镧、铈和稀土积压严重，而稀土储氢材料大量使用镧和铈。如果我们能抓住机遇，在本地发展风力制氢和稀土系统固体储氢，就能使这两种优势资源共同发展，走出一条有中国特色的氢能发展之路。