镁基固态储氢的优势和应用前景

　“镁基固态储氢的优越性非常突出。”近日，在由中国氢能联盟领衔主办的2023世界氢能青年科学家论坛上，中国工程院院士、上海交通大学氢科学中心主任丁文江表示。何为镁基固态储氢？相较其他储氢方式，镁基固态储氢拥有怎样的优势和应用前景？丁文江详细阐述了氢能源之“镁”。

　　中能传媒：您长期致力于先进镁合金材料及其加工方面的研究，请您简要介绍下镁的特性。

　　丁文江：镁是地球上储量最丰富的元素之一，几乎取之不尽、用之不竭，只要有海水就有镁。我国是镁资源最丰富的国家，镁产量世界第一。2022年，我国镁产量占全世界的90%。

　　镁的内禀功能有五个：第一是比重轻；第二是阻尼性能优，能够降噪减震；第三是储氢量大；第四是电化学容量高；第五是生物可降解。归纳来看，我们把前面两个视作“轻量化之镁”；后面三个视作“氢科学之镁”，具体分为能源之镁、医学之镁、农业之镁。

　　中能传媒：您提到镁的储氢量大，具体是如何实现的？

　　丁文江：15年前，我们开始对镁材料进行功能性研究。镁极其活泼，当磨到很细的时候非常容易发生爆炸。为此，我们尝试使用氮气、氩气、二氧化碳、六氟化硫等多种气体来进行安全性保护，均以失败告终。直到让氢直接跟镁“见面”，二者接触以后，镁就变成镁氢素。镁氢素没有爆炸，非常安全。

　　沿着这个思路，我们想办法让氢“走”到固体里，制成原子数比例为1:2（1个镁原子带2个氢原子）的氢化镁。在一定条件下，氢化镁中的氢可以取出来，也可以再放进去，而且储存能力很强。

　　其实氢化镁早在40年前就有了，以前的氢化镁是把一个镁锭切成一片一片，进行球磨并做成很细的粉，再充上氢。这样做非常贵并且效率也低，只能作为一些科学试剂使用。我们则将目光瞄准能够量产的材料，通过各种工艺创新和材料结构创新，从蒸气开始，到镁原子—镁颗粒—氢化镁，成功研发出低成本、批量化材料的生产技术，做出形状如药片的产品，可以像运大米、面粉一样把氢放在镁的固体里进行储运。储氢的质量密度达到6.2%，循环的次数达到3000次，且储放的密度没有明显的衰减，如此的高密度储存会带来很多经济效益。

　　在此过程中，我们达到了以吨级工程化能力来制备镁氢的水平，同时也研发了不同场景下应用材料可控的技术和材料制备的工业化生产装备。例如，应用于实验室的1千克储氢装置；应用于半导体产业的5千克储氢装置；应用于批量制造材料领域的75千克储氢装置，以及世界首台标准化镁基固态储氢车。

　　当然，针对大型的镁储氢装置，氢的进入和脱出是相当困难的，特别是在表面氧化之后要形成一些催化点在镁材料上，相当于氢进入和脱出的一些窗口。我们经过反复实验，不断尝试新的方法，才初步实现了氢的吸入和放出。

　　此外，材料膨胀如何控制也是一道难关。我们经过多次不同场景下的模拟测试，始终无法解决这个问题。直到在一次激烈的现场争论中，我们从爆米花中获得了灵感。按照这个思路，我们把材料进行先加热加压，再卸压，在不同的温度环境下反复进行实验，终于找到控制材料膨胀的诀窍，使氢气可以稳定、均匀地储存和释放。

　　中能传媒：相较其他储运形式，镁基固态储氢的优势体现在哪些方面？

　　丁文江：在能源转型的过程中，氢能扮演着不可或缺的角色。但是氢能的推广应用有痛点，即成本高。

　　首先是制氢。氢是二次能源，制氢一般都是采用煤制氢或者电解制氢，煤制氢会排放二氧化碳，电解制氢则要用到价格高的催化剂——铂。

　　其次是储运，在现有的氢能产业链中，储运占到总成本的30%—50%。目前主要的储运形式是高压气态储氢和低温液态储氢。比较来看，用长管拖车的话，每立方米200个大气压的气态氢气可存储14.4千克；液态氢在零下253摄氏度时每立方米可存储氢气70千克。如果采用固态储氢材料氢化镁，每立方米可存储氢气110千克。

　　固态储氢没有气态储氢可能面临的爆炸危险，也规避了零下253摄氏度的低温所面临的包括密封、泄漏等在内的风险。鉴于该方式储氢量高、常温低压、安全便捷，长远来看前景广阔。

　　值得一提的是，镁基固态储氢还可以对氢气进行纯化。很多工业副产氢含有二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等杂质，镁基固态储氢可将这些杂质自然排除。储存好之后运到所应用的场景，放出来的氢气纯度至少为99.999%，如果泵阀、管道等清理得当，纯度甚至可以达到99.99999999%，真正实现净化储运。

　　另外，氢化镁可以水解制氢，同时把水里面的2个氢也“拿”出来。在反应前只有2个氢的氢化镁，反应以后变成4个氢，氢的密度更高，理想状态下可以达到15.2%。

　　中能传媒：固态储氢技术有哪些应用场景？

　　丁文江：主要有三大场景。第一个应用场景是“走天下”。镁基固态储氢是在常温常压下进行的，其特点就是可以大规模、远距离、高安全、低成本运输。可以用火车拉集装箱，也可以船运集装箱，甚至于对一些急需的场合还可以空运。例如上海崇明要建崇明生态岛，希望采用氢能。那么如何把氢运到崇明岛上？利用固态储氢车运输，不失为一个好办法。

　　另外，我们研制的世界首台标准化镁基固态储氢车可以储存1.5吨氢气，是常规气态储氢的4—5倍，将2辆至少载有2吨氢气的储氢车拉到加氢站，若加满一辆车需要5千克，2吨氢气一天就可以加满400辆车。这种加氢站占地面积小、经济成本低、加氢能力大、安全性能高。

　　第二个应用场景是“储余能”。余能是多余下来的能，或者是我们不得已“放弃”的能，比如弃风、弃光等。可以将这些电能制成绿氢，然后再用镁基固态储氢技术将其储存起来。当然，锂电池也可以存储，但是它会伴随每天1%—3%的衰减。采用镁基固态储氢，只要不潮、不热，氢就可以进行长达几十年的存储，且不会衰减。

　　第三个场景是“进万家”，这是非常重要的一个领域。以日本为例，日本的家庭用氢并不罕见，已经达到了300万户，而且增长速度很快。日本采用的是一种家用热电联供系统，该系统在装置现场利用天然气制取氢气，然后进入燃料电池中发电，再用发电时产生的热能来供应暖气和热水。据了解，热电联供的发电效率最高可达90%，相比之下，我国的燃煤电厂的发电效率不超过45%。可以预见，若氢能可以走进寻常百姓家，能耗将大量降低，对我们实现“双碳”目标会有很大的促进作用。

　　当然，天然气制取氢气是一个化学过程，为家庭供氢多有不便。我国建议使用固态储氢，5千克的储氢罐可以发电75千瓦时，既满足一个五口之家的用电需求，还能供热。这种家庭用的分布式电源效率高，且便宜、便捷，可以推广用于学校、园区、医院、大楼等众多场景。

　　“进万家”也包括进企业，氢能在冶金、电力等行业的节能减排中也有很大的发挥空间。如今我国的钢铁产能已经达到14亿吨/年，按照每吨钢铁排放二氧化碳1.8吨测算，14亿吨钢铁相当于排放25亿吨二氧化碳，约为我国碳排放总量的五分之一。在此背景下，可以让镁基固态储氢走进企业开展氢冶金。我国主流的钢铁生产工艺是用焦炭和铁矿石在高炉冶炼出铁水，再经转炉熔炼成钢，该过程碳排放强度较高。氢冶金技术是用氢替代焦炭来还原铁矿石中的氧化铁，减少长流程炼钢的碳排放，是钢铁行业的重要减碳途径之一。炼钢过程中产生的余热，还可以供给固态储氢装置来放氢，能源效率得到了很大提升。

　　镁基固态储氢进企业，还可以助力燃气轮机发电。燃气轮机可用余热将固态储氢系统里的氢释放出来，取代煤炭成为新的动力源。

　　数据显示，全国电厂发电的碳排放总量约占全社会碳排放量的20%—25%，如果钢铁行业跟燃气轮机发电都能用上氢能，全社会的碳排放量又可大幅降低。

　　中能传媒：对于氢能的发展，您还有何建议？

　　丁文江：我国每年大概使用氢能3000万吨，近80%来源于煤炭重整制氢，不进行二氧化碳捕集，这称为灰氢。针对这种现状，我们正在打造“金氢工程”。

　　“金氢工程”是我命名的。简言之，就是在特殊催化剂的作用下，将废弃物中的碳氢化合物，尤其是甲烷，在低能耗条件下逐级脱去氢原子，最终裂解生成氢气和碳材料的过程，该过程利用的加热源是工业余热、废热蒸汽和地热等。我们国家的废弃物每年有1.46亿吨，大部分都是去做填埋处理或者进行焚烧，环保费用很高，特别像塑料，燃烧还会产生二噁英。相比之下，“金氢工程”碳排放几乎为零，而且产生的碳会被固定下来，甚至实现了负排放。

　　我国甲烷资源十分丰富，既能从大量的湿垃圾、农业废弃物等富含碳氢元素的有机固体废物作为原料来制取，又能从煤层气、焦炉煤气及其油页岩裂解气中分离出来，“金氢工程”可以广泛在垃圾发电厂等场景中使用。如果将低品质的煤先转化成甲烷，再通过“金氢工程”转化为高纯氢和高纯碳材料，就可实现近零碳排放。

　　高纯度氢气可以大批量固态存储，运输到相应的使用场景，将真正实现灰氢变身绿氢的飞跃。煤和镁，是我国最为丰富的两种资源，通过“金氢工程”最终共同服务于氢能的发展，为实现“双碳”目标提供了一条佳径。

　　产业发展最根本的是两个学科：第一个是基础性的、关键性的材料；第二个是信息，能源与高端装备本质上就是材料技术跟信息技术不同的排列组合。科研人员要下大力气把我国的资源优势转化为技术优势和经济优势，为中国式现代化的实现作出应有贡献。