工程7（2021）731意见和评论加快固体储氢技术的创新与应用Lijun Jianga，b新能源有色金属材料及制品国家工程技术研究中心，有限公司、邮编：100088bGRIMAT Engineering Institute Co.， 有限公司、 邮编：1014071. 介绍氢能的可储存性和可运输性是氢能的优势之一，也是氢能应用的主要瓶颈。固体储氢是一种高密度、高安全性的氢能储存手段。首先，这种方法可以大大提高储氢密度。在现有的高压压缩、液化和固化三种储氢方法中，固态储氢的体积储氢密度最高。如MgH2的体积储氢密度可达106 kg H2/m3，比标准氢密度高1191倍，比70 MPa压缩氢高2. 7倍，比液氢高1. 5倍。其次，固态储氢可以增强氢储存和运输的安全性，因为它可以在大气温度和压力下储存氢，并且易于密封储罐。即使在氢气泄漏的紧急情况下，固态储氢罐也可以自动降低氢气泄漏的流量和数量，从而为采取安全措施赢得宝贵的时间。然而，高压压缩技术在氢能的储存和运输中仍然占主导地位，固态储氢技术仅限于某些特定场景下的小规模应用。主要原因有：一是固体储氢的整体性能不能完全满足车载储氢系统的要求。目前发展较为成熟的贮氢材料，如稀土系、钛系、钛钒固溶体材料等，其重量密度较低。在这些材料中具有最大可逆储氢容量的TiV固溶体材料的容量仅为2.6wt%。轻质和高容量的储氢材料，如络合物、酰胺和金属氨基硼烷仍在开发中。虽然这些材料具有高的重量密度（例如，氨硼烷的容量高达19.6wt%），但它们也存在温度高、速度慢、吸放氢二、固体氢的成本存储相对较高，因为该技术大多处于示范应用阶段。储氢材料和系统仍处于实验室或中试阶段;因此，小批量生产，储氢材料和系统的产量低，材料和容器的加工成本高，以及阀门和管道等配件的价格高，都导致固体储氢系统的成本高为推动固体储氢在氢能市场的应用，充分利用其储氢密度高、安全性好的优势，提高市场占有率，并在实际应用中不断完善该技术，建议和设想包括：(1) 将氢能应用市场扩展到交通运输之外。针对具体细分市场，应尽快采用较为成熟的技术，并采取有效措施控制成本，以满足具体的市场需求，如分布式供能系统的需求。(2) 将固体储氢与压缩储氢、液氢储氢相结合，发展复合储氢，如静态压缩高密度储氢集成系统、采用镁基储氢材料的复合氢浆(3) 加快车载储氢系统及相关高容量材料的开发。应建立绿色氢气供应链，简化氢气供应流程，通过在燃料电池汽车上应用低压高密度车载储氢系统，2. 加快成熟技术在固定式储氢中的应用成熟的金属储氢材料具有用于储氢的低重量密度，但由于其用于储氢的高体积密度、小的占地面积、低的储存压力和高的安全性，所以非常适合于电站应用。发展固定式储氢市场的关键在于识别细分市场，有效控制https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.04.0082095-8099/©2021 THE CONDITOR.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可从ScienceDirect获取目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engL. 江工程7（2021）731732·降低了成本，提高了固体储氢的技术和经济竞争力2012年，我们开发了一套储氢量为40 m3的固体储氢系统，成功与5 kW燃料电池系统耦合，为某通信基站提供近17 h的连续供电。然而，由于缺乏市场需求，该系统在示范后没有得到很好的推广。当第三代移动通信技术（3G）在当年被4G取代时，通信基站的功耗大幅下降，使得锂离子电池能够满足应用需求。此外，随着锂离子电池成本的迅速下降，当年高达1万CNY kW-1的燃料电池价格明显缺乏竞争力。近两年，随着5G的推广，通信基站的耗电量增加，凸显了燃料电池供电能力强、供电时间长的优势与此同时，近两年我国燃料电池技术发展迅速，使燃料电池每千瓦价格降至1699 CNY，迅速提升了燃料电池在基站电源市场的技术经济竞争力。为充分满足基站通信电源的技术经济要求，应同步研制配套的固体储氢如果固态储氢的成本控制在每公斤氢气8000 CNY左右，其储能成本就可以与锂离子电池相媲美。为了加速燃料电池备用电源系统的商业化应用，快速降低固体储氢的成本已成为一项紧迫的任务。与氢气规模相匹配的现场储氢从可再生能源生产是目前应用成熟固态氢储存技术的另一个重要领域。由McPhy Energy S.A.开发的McStore镁基固态储氢系统。在法国已经被用于可再生能源规模的能源储存。我们还开发了1000 m3的TiFe固态储氢系统，预计将用于河北固原风电制氢项目，作为安全紧凑的现场氢气缓冲器，提供6 N（99. 9999%）高纯氢源，实现高价值利用。这种固态储氢系统能否被市场认可的关键降低固态储氢系统成本的重要途径是降低储氢材料的成本并适当扩大其应用规模。3. 复合储氢的新尝试为拓宽金属储氢材料的应用领域，将固体储氢与高压储氢、液态储氢相结合，发展复合储氢技术，如静态压缩高密度储氢集成系统、镁基储氢材料复合氢浆等。随着这些新技术的发展，可以预期可以开发固体储氢的新应用领域储氢材料在吸放氢过程中存在一个平台期。当温度升高时，平台压力呈指数增加鉴于这一特点，可以使用热交换介质来实现氢的静态增压，即在低压和低温下储氢，并在高压和高温下加氢。此外，这种氢贮氢压力低、贮氢密度高、常温贮存安全性好，可减少储罐占地面积，减少站间必要的安全距离。为了提高储氢罐的快速放氢响应特性，可将固态储氢与压缩储氢适当结合，利用压缩储氢的快速放氢特性提高混合储氢系统的快速响应特性。基于这一原理，我们先后开发了45和90MPa静态压缩和高密度储氢一体化系统。镁具有高的储氢密度，但是具有高的氢解吸温度。只要把高温加氢、脱氢环节固定在应用终端，并保持常温常压下的氢气输送，镁基储氢将是一种很好的高密度、高安全性的氢气输送方法。为了提高单车的氢气运输能力，镁基储氢材料应装在大罐内，以显著减轻氢气运输罐的重量，并在加氢和应用的终端固定多管束反应器这种方法需要镁基储氢材料流动。为了实现这种流动，我们将镁基储氢材料与有机储氢材料组合以形成氢浆料。在该氢浆中，镁基储氢材料粉末和有机液体都是高密度储氢介质。此外，镁基储氢材料可以作为有机液态储氢的催化剂，而有机液态储氢材料可以用来改善镁基储氢材料的传热和传质特性;因此，这两类材料相辅相成。初步实验表明，稀土对有机液体中的储氢和放氢具有良好的催化效果，可以替代原有的贵金属催化剂。镁基储氢材料在气-固-液三相界面仍具有良好的这些结果证明了这一想法的可行性4. 用于绿色氢气供应链的氢能应用的初衷是发展应充分利用绿色氢气的特点，构建绿色氢气供应链，简化氢气供应流程，降低氢气供应成本。可再生能源用电电解水得到的4 MPa绿色氢气可直接引入4 MPa纯氢输送管线，无需加压送至低压加氢站然后，它可以直接充入燃料电池汽车的低压和高密度车载固态储氢系统。低压加氢使得高压加氢站不再需要使用高压压缩机或高压储罐，从而大幅降低加氢站的设备成本，提高加氢的安全性和可靠性，降低加氢成本，这一切都源于低压车载储氢系统的应用。对TiMn储氢材料进行了初步探索。一种低压固体储氢装置，L. 江工程7（2021）731733在5MPa低压加氢条件下，在9m燃料电池客车上，可在15min内充满17kg氢气满载公交模式下百公里氢气消耗量为4.77 kg，因此17 kg的储氢量可以满足一次充电连续行驶300 km以上的要求。但采用固体储氢的燃料电池公交车每百公里的耗氢量仍比采用压缩储氢的同等公交车高出0. 2 - 0. 3公斤。降低储氢系统的重量是一项紧迫的任务，而开发更高容量的储氢材料尤为迫切我们开发的LiMgBNH材料可以在150 °C下在10分钟内吸收5.3%的氢气，在0.1MPa下，氢气释放量为4.1%。使用这种材料的储氢罐的重量密度与35 MPa压缩储氢系统的重量密度相似。由德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的合作伙伴Maximilian团队开发的使用这种材料的车载储氢系统与高温质子交换膜燃料电池相结合，满足燃料电池的应用要求[1]。最近，由中国北京航空航天大学的Jianglan Shui等人开发的用氢氟酸不完全蚀刻的MXene在室温下显示出前所未有的8.8wt%的氢吸收和60 barH2（1 bar = 105 Pa）。氢气释放可通过低于95 °C的压力和温度控制。MXene还表现出良好的氢化和歧化可逆循环性能[2]。这些研究为高容量储氢材料的应用探索了一条新的途径。要实现基于绿色氢气供应链的高密度车载储氢系统，还有很长的路要走。高温质子交换膜燃料电池的可靠性和经济性仍需验证，高容量储氢材料的性能必须不断增强，固态储氢系统的相关标准需要完善。一旦这些问题得到解决，氢能的应用形势将发生改变。引用[1] Baricco M ， Bang M ， Fichtner M ， Hauback B ， Linder M ， Luetto C ， et al.SSH2S：基于高温质子交换膜燃料电池的辅助动力装置的复合燃料电池中的氢储存。JPower Sources2017;342：853-60.[2] 刘胜，刘军，刘翔，尚军，徐丽，于荣，等.不完全腐蚀多层钛 合 金 的 室 温 储 氢 性 能. NatNanotechnol 2021;16（3）：331-6.
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