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氫氣變身“固態(tài)油箱”或改變未來(lái)能源格局

能源發(fā)展網(wǎng)發(fā)布時(shí)間:2021-08-02 00:00:00

在充電盛行的時(shí)代,誰(shuí)能想到,裝上2個(gè)小巧的氫氣罐,電動(dòng)自行車就能夠行駛120公里。氫氣用完也不用擔(dān)心,街頭巷尾的便利店就能購(gòu)買更換。就算氫氣罐破損也沒(méi)有危險(xiǎn),罐子里倒出來(lái)的全是合金粉末……

這并不是什么科幻片里的場(chǎng)景,在2021第二十屆中國(guó)北方國(guó)際自行車電動(dòng)車展覽上,就展示了兩款采用氫能源作為發(fā)電系統(tǒng)的樣車。

近幾年來(lái),以固態(tài)儲(chǔ)氫為能源供應(yīng)的卡車、冷藏車、大巴車、備用電源等在我國(guó)相繼問(wèn)世。部分雖還是試驗(yàn)階段,仍在氫能源圈內(nèi)引發(fā)大量關(guān)注。

固態(tài)儲(chǔ)氫改變氫氣高密度儲(chǔ)存和安全應(yīng)用兩個(gè)難題,究竟是如何實(shí)現(xiàn)的?氫氣的儲(chǔ)運(yùn)難題一旦獲得解決,氫能源將在哪些領(lǐng)域發(fā)揮作用?

存儲(chǔ)和運(yùn)輸問(wèn)題影響了氫能利用

化學(xué)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(gè)無(wú)色無(wú)味的“小家伙”卻是宇宙中最常見(jiàn)的元素,氫及其同位素占到了太陽(yáng)總質(zhì)量的84%,宇宙質(zhì)量的75%都是氫。

當(dāng)前,我國(guó)正面臨著能源安全和碳排放兩大挑戰(zhàn),在碳中和、碳達(dá)峰的目標(biāo)下,必須調(diào)整當(dāng)前過(guò)度依賴化石能源的能源結(jié)構(gòu),而將氫能納入整個(gè)能源體系中,有助于改善我國(guó)的高碳能源結(jié)構(gòu),保障能源安全。

但是,從人類認(rèn)識(shí)到氫氣可以燃燒至今,已經(jīng)過(guò)去200多年,氫能的高效利用進(jìn)程仍然緩慢。

目前,氫氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸主要分為三種方式:氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。

氣態(tài)儲(chǔ)氫較為常見(jiàn),可分為低壓和高壓兩種。過(guò)去,街頭巷尾賣氣球的小販,會(huì)載著一個(gè)大鋼瓶,這就是低壓儲(chǔ)氫罐。而高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫最高氣壓可達(dá)70兆帕,目前我國(guó)常見(jiàn)的高壓儲(chǔ)氫氣壓也達(dá)到35兆帕,其對(duì)壓力容器有著極高要求,目前高壓儲(chǔ)氫罐采用碳纖維制造,成本極高且要消耗較大的能源進(jìn)行壓縮。

氫氣在一定的低溫下,以液態(tài)形式存在。因此,可以將氫氣壓縮、冷卻實(shí)現(xiàn)液態(tài)儲(chǔ)存。常溫、常壓下液氫的密度為氣態(tài)氫的845倍,但低溫液態(tài)儲(chǔ)氫不經(jīng)濟(jì)。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(chǔ)存空間有限的場(chǎng)合使用,如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(chǔ)運(yùn)問(wèn)題,所以一直處尷尬境地。因此,開(kāi)發(fā)新型高效的儲(chǔ)氫材料、安全的儲(chǔ)氫技術(shù)對(duì)氫能的開(kāi)發(fā)利用至關(guān)重要。

含鎂固態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)成本接近鋰電池

固態(tài)儲(chǔ)氫材料需要儲(chǔ)氫材料,金屬合金是主要的儲(chǔ)氫材料。儲(chǔ)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(qiáng)親和力的元素,它控制著儲(chǔ)氫量的多少,是組成儲(chǔ)氫合金的關(guān)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(jiàn)的有鐵、鎳等。

這些合金材料與氫氣在低溫的條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng),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(kuò)散到空隙中,形成氫化物。

想要把氫原子“釋放”出來(lái)也很簡(jiǎn)單,只需施加一定熱量,儲(chǔ)氫材料就可以析出氫氣。

近年來(lái),世界各國(guó)成熟的儲(chǔ)氫材料已在熱電聯(lián)供、儲(chǔ)能、車載燃料電池氫源系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用,一家德國(guó)公司甚至在燃料電池潛艇中使用了固態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)。

氫氣變身“固態(tài)油箱”或改變未來(lái)能源格局

未來(lái),儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)膯?wèn)題解決。氫能的應(yīng)用不僅是備受關(guān)注的燃料電池汽車,還包括氫能發(fā)電、工業(yè)應(yīng)用及建筑應(yīng)用等,既可作為樓宇熱電聯(lián)產(chǎn)電源、微網(wǎng)可靠供電、移動(dòng)基站備用電源,又可與數(shù)字化技術(shù)結(jié)合,讓以固態(tài)儲(chǔ)氫為氫源的氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)在無(wú)人駕駛、軍用單兵、深海裝備等諸多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。(科技日?qǐng)?bào))

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