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华北电力大学特聘教授武英:固态储氢材料及氢存储系统研发及应用

北极星氢能网 来源:北极星储能网    2019/8/8 11:26:25 我要投稿

北极星氢能网讯:我们常常讲改变能源的结构,氢能源在改变能源结构当中地位作用我们国内也得到了很多的重视,因为氢不但是高的能量载体,另外是可储存的,也是绿色无污染的。氢能将促进人类社会生产方式和生活方式的变革,一个是储氢方面比储电更容易,可以像天然气一样利用管道远距离传输。从制氢方面讲,不同的制氢方式已经比较成熟了,主要是降低成本。

— —江苏集萃安泰创明先进能源材料研究院副院长、华北电力大学特聘教授武英

8月8日,由华北电力大学、中国可再生能源学会主办的“第一届中国储能学术论坛暨风光储创新技术大会”分论坛在北京召开,北极星储能网将对论坛进行全程直播。在8日“化学储能(氢储能)”分论坛上,江苏集萃安泰创明先进能源材料研究院副院长、华北电力大学特聘教授武英作“固态储氢材料及氢存储系统研发及应用”报告。

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江苏集萃安泰创明先进能源材料研究院副院长、华北电力大学特聘教授武英

以下为发言实录:

江苏集萃安泰创明先进能源材料研究院副院长、华北电力大学特聘教授武英:

上面各位老师介绍的基本上跟氢能有关,都是制氢,储氢的。氢能的现状大家都比较清楚了,现在氢能各方面的应用,从制氢到规模化的应用,都是国际国内的热点。包括刚才俞老师提到的,我们现在追求的是减碳加氢,氢的能量密度很高的。

我们常常讲改变能源的结构,氢能源在改变能源结构当中地位作用我们国内也得到了很多的重视,因为氢不但是高的能量载体,另外是可储存的,也是绿色无污染的。氢能将促进人类社会生产方式和生活方式的变革,一个是储氢方面比储电更容易,可以像天然气一样利用管道远距离传输。从制氢方面讲,不同的制氢方式已经比较成熟了,主要是降低成本。

现在示范工程很多,制氢方面的应用Power To Gas已经有了,我在这个表中列了一些从国内到国外对氢能的从国家能源体系国家层面很多的战略措施,包括燃料电池发展逐渐成熟,在应用方面也获得了很多的进展。

总的来说,我们国家在氢能方面发展的一些差距还是有的,包括刚才各位老师也提到的,因为氢的应用,从制氢、储氢一直到应用,这里面加氢站是制约本身氢能应用的一个问题。

前面刚才各位老师讲了很多储冷储热的案例,储氢方面大家比较熟知的高压储氢,包括商业用车,日本的车介绍了,第一个是高压的储氢,就是以新能源车为代表的高压储氢,因为储氢密度比较高,加氢时间也比较有优势,高压储氢适合于大功率的,包括这些公交车、重卡。但在用高压储氢,高压包括加氢站70兆帕的这种,包括储氢罐、加氢罐、氢压缩机,整个技术方面我们还是有很多的技术障碍的,基本都是靠国外进口的,这是高压氢方面。

液态氢大家也比较熟,这是航空航天、水下潜艇一些特殊领域应用的一些业态氢。固态氢就是用金属氢化物装在罐里面,优势是体积储氢密度比较高,由于是低压,所以安全性比较好。还有加氢的设施,加氢的工辅设施比较简单,从氢的储存来说有三种,高压、液态、固态,今天我重点讲一下固态储氢。

今年发生了一些事故,就是刚才说高压的这种事故,包括韩国今年5月份,包括6月份加州,他们都是高压的,安全风险是不可回避的,一定要去解决高压风险的问题。

从固态储氢来说,它的体积储氢密度是35兆帕的6倍多,是70兆帕的2.8倍多,液态氢是1.5倍多,所以它在一些应用场景上还是有一点优势。

我们谈到固态储氢要谈到重量储氢密度、体积储氢密度,包括DOE的终极目标,这张图蓝色是体积储氢密度,红色是质量储氢密度,通常说储氢密度是质量储氢密度,包括DOE的2020年目标,包括我们现在做的高压复合的,包括钛基的、镁基的,还有我们提到的70兆帕的、35兆帕的、15兆帕的。我们看这是DOE的2020年的标准,横坐标是重量,纵坐标是体积储氢密度,框里面的材料复合,如果说达到这个标准了,重量储氢密度、体积储氢密度比较好的话都在这里面,包括一些现在新型开发的,终极的在这里边框里,MgH2,大约是7.6左右,我们现在应用的都在2020年目标框外,一些稀土基、钛基,围绕这个目标,我们一定要开发一些重量储氢密度和质量储氢密度比较高的一些材料。

从应用角度来说,我们团队集中在在储氢材料、供氢及燃料电池系统的应用开发。大家可能比较熟知的应用,一个是固定领域、一个是移动领域,移动领域燃料电池汽车,包括一些备用电源,还有俞老师说的日本热电联供。我们团队重点做的是小功率燃料电池用供氢系统。这个是燃料电池叉车,在固态储氢材料供氢系统方面是比较有优势的,我们知道叉车要有备重,固态储氢材料本身是比较重的,应用到叉车,在别的应用场景里面可能是缺点,在这里面是优点,正好有配重,在国外尤其在美国燃料电池叉车,他们商业化已经每年有3万台左右的氢能源叉车。储氢材料还有另外应用领域,固态储氢材料有一个特点,就是把我们的一些工业副产品氢可以通过工业多级纯化达到高纯的5个9甚至6个9。

还有一些是水下潜艇,水下潜艇有一个压舱的,材料放在水下的时候压舱也是很好的应用场景,包括现在德国研发的潜艇,最近几年已经以固态储氢技术路线的氢源燃料电池实现了应用。

我这里面列的,大家可能比较熟悉的日本的车,70兆帕的车,是以70兆帕高压的氢源,其实在国外包括马自达、丰田、通用,他们都以固态储氢合金作为氢源的一个研发,包括以金属氢化物为氢源的,包括通用,它开发了已经达到800公里。

我们国内在今年7月份在葫芦岛也有,深圳市也在做大巴车,车厢下面就有以固态储氢合金作为氢原的,最大续航里程可以达到380公里,是5兆帕的低压储合金,氢气瓶将近17公斤,不是我们想象的固态储氢在大功率燃料电池应用起来不太现实。我个人认为,30千瓦以下的燃料电池用固态技术路线走比较有可行性的,原来认为不可能的事我们现在已经可行的。

这是上面的一些应用,包括一些产品,大概说一下。一个是储氢合金,包括镁基、钛铁基的储氢合金、混合动力车用的储氢合金,这是储氢合金的。还有储氢装置,以低压路线做的储氢装置,与燃料电池匹配起来以后做的电源系统。

这是中试线,这是中试线的流程。这是储氢罐的中试线。

我们现在开发的产品里边还是比较传统的AB5的合金,看容量比较高,达到1.5%。

这是钛铁基的储氢材料,因为这里面没有镍,我们知道镍比较贵,钛铁基这个储氢合金是比较便宜的,但是这个材料活化问题已经解决了。镁基材料达到4.6了,已经达到规模化的产业水平。还有锂镁氮等一些新的材料,包括一些复合材料,这些材料可能近期我们达不到应用,但是中远期达到容量,无论从体积密度、重量密度,都可以达到一个比较好的容量值。

Mg(BH4)2,这个也可以制氢的,这个材料因为容量非常高,可以达到制氢、储氢一体化,可以做成我们茶叶包这样的形式,通过加水进去可以电解水来制氢,通过很小的燃料电池出来以后可以发电,士兵可以野外生存几天。从燃料电池反应我们大家知道,出来的水可以达到饮用的程度,士兵可以解决水源的问题,这种材料我们已经连续研究了很多年。

这是储氢罐,我们可以一次连续充装20个的储氢罐,生产线已经制造出来了。包括镁基的储能装备也出来了。这是给航天上面用的,就是无人值守,因为卫星上天以后需要长时间的应用,0.3—0.5兆帕,我们通过一年多的技术攻关,目前技术已经攻克了,可能下一次航天飞机上天可以应用这个。

这是民用的,我刚才说了小功率燃料电池,这里面两个罐,可以充装达到将近90克的氢,因为是低压的,我们可以把罐放在便利店里像我们过去换煤气罐一样去进行更换,这个50克氢可以跑100公里。这个就是一些小规模的储氢装置。

这个就是我们承担国家重点研发计划里面几个项目其中之一,高压+固态储氢,我们知道高压国内70兆帕这种技术,我们国内还是有障碍的,但是我们选择35兆帕,无论从哪方面来说,技术我们是有的,我们是选择35兆瓦这个压力,但是我们里面要加储氢材料,这样我们既可以发挥气态高压的优势,就是重量储氢密度高,我们储氢材料体积储氢密度高,这样我们者的优势结合起来,我们大家看到大巴上面有6个甚至8个大的35兆帕的气罐,通过我这个技术减少至少一半,甚至3个就可以达到目前的续航里程。

刚才各位老师也提了加氢站的问题,加氢站里面很多技术,包括升压的技术,也是一个短板,我们储氢材料有一些可以实现升压,在低温的时候吸氢,升到一定温度的时候出来的氢就是高压氢,这个我觉得也是解决加氢站升压的一个选择方案之一。

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