氫氣變身“固態油箱”或改變未來能源格局
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。
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。
作者：張 曄 來源：科技日報 責任編輯：jianping
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