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1. 引言
氫能可儲可輸，即是氫能的優勢所在，又是氫能應用的主要瓶頸。固態儲氫可為氫能的高密度、高安全儲存提供重要的解決方案。一是固態儲氫的體積儲氫密度高，在現有的高壓氣態、液態或固態等儲氫方式中，固態儲氫具有最高的體積儲氫密度。以MgH2儲氫為例，其體積儲氫密度可達106 kg·m–3，為標準狀態下氫氣密度的1191倍，70 MPa高壓儲氫的2.7倍，液氫的1.5倍。二是固態儲氫安全性好，可在常溫常壓下儲氫，儲罐易密封，在突發事件下即使發生氫氣泄漏，儲罐也可自控式地降低氫氣泄漏速度和泄漏量，為采取安全措施贏得寶貴時間。
但是當前氫能儲運的主流技術仍是高壓氣態壓縮技術，固態儲氫仍只在一些特定場合中得到小規模應用，究其原因在于：①固態儲氫的綜合性能還不能完全滿足車載儲氫技術的要求。成熟體系的儲氫材料（包括稀土系、Ti系和TiV固溶體材料）重量儲氫率偏低，其中可逆儲氫容量最高的TiV固溶體材料也只有 2.6 wt%。一些高容量的輕質儲氫材料，如配位氫化物、金屬氨基氫化物、金屬氨硼烷等尚在開發當中，這些材料雖具有較高的重量儲氫率（如氨硼烷重量儲氫率可達19.6 wt%），但仍存在著吸放氫溫度高、吸放氫速度慢、吸放氫循環性能差等問題。②成本偏高，由于固態儲氫多處于示范應用階段，儲氫材料多處于實驗室或中試階段，制造批量小，成品率偏低，承壓容器加工成本高，閥門管道等配件價格高，導致固態儲氫系統的成本偏高。
為加快固態儲氫在氫能市場的應用，應充分發揮固態儲氫高密度高安全的本征優勢，提高市場占有率，在實際應用中不斷完善技術，開發新材料，開發新技術，實現螺旋式上升，特提出如下建議：①加快拓展固定式儲氫應用市場，針對特定細分市場需求，采用較為成熟的固態儲氫技術，有效控制系統成本，滿足特定市場要求，如分布式供能系統等；②與高壓和液體儲氫相結合，開發復合儲氫技術，如基于鎂基儲氫材料的復合氫漿、靜態壓縮高密度儲氫一體化裝置等，滿足運氫和加氫站需求；③面向綠氫供應鏈，簡化供氫流程，降低供氫成本，開發高容量車載儲氫系統。
2. 加快成熟技術在固定式儲氫領域的推廣應用
雖然成熟的金屬儲氫材料重量儲氫率偏低，但體積儲氫密度高，占地面積小，儲存壓力低，安全性好，因而非常適合于固定式應用，關鍵在于找準細分市場，有效控制成本，提高技術經濟競爭力。
2012年我們就已開發出了儲氫量達40 m3 的固態儲氫系統，并與5 kW燃料電池系統成功耦合，為通信基站連續供電近17 h。但示范之后卻未能得以推廣，究其原因主要在于當時市場需求不旺，當年4G替代3G后，其通訊基站用電量較3G顯著下降，鋰離子電池供電即可滿足應用需求，且鋰離子電池成本迅速下降，而燃料電池當時售價高達1萬元· kW–1，與鋰離子電池相比，價格明顯缺乏競爭力。近兩年隨著5G的推廣，通訊基站用電量大幅度增加，基站電源需求將發生逆轉，燃料電池大功率長時間供電優勢凸顯；同時近兩年我國燃料電池技術發展迅速，每千瓦燃料電池售價已降至1699元，使之在基站電源市場的技術經濟競爭力快速提升。
與之配套的固態儲氫裝置應同步發展，以全面滿足基站通訊電源的技術經濟要求。快速降低儲氫成本已成為加快燃料電池備用電源系統商業化應用的當務之急，如將固態儲氫成本控制在8000元·kg–1左右，則其儲能成本完全可與鋰離子電池相競爭。
與可再生能源規模制氫相匹配的現場儲氫，也應是當下固態儲氫成熟技術應用的重要場景。法國McPhy公司開發的McStore鎂基固態儲氫系統已用于可再生能源規模儲能中，我們也已研制出1000 m3 TiFe固態儲氫系統，有望應用于河北沽源風電制氫項目中，作為現場安全緊湊的氫氣緩存，并提供6 N高純氫源，實現高值化利用。能否得到市場認可，關鍵仍在于系統綜合成本與高壓儲氫相比是否具有競爭力。
3. 復合儲氫的新嘗試
為拓寬金屬儲氫材料的應用，將固態儲氫與高壓和液體儲氫相結合，開發復合式儲氫技術，如靜態壓縮高密度儲氫一體化裝置、基于鎂基儲氫材料的復合氫漿等，這些新技術的發展，有望開辟一片固態儲氫應用的新天地。
儲氫材料在某一恒定溫度下吸放氫時將會出現一吸放氫平臺，當溫度升高時，其吸放氫平臺壓力將隨之呈指數性增大，利用這一特性，可采用換熱介質，實現氫氣的靜態增壓，低溫時低壓儲氫，高溫時高壓加注，常溫儲存時，儲氫壓力低，儲氫密度高，安全性好，可縮小儲罐的占地面積和站內安全間距。為提高儲罐的放氫快速響應特性，可將固態儲氫與高壓儲氫適當混合，利用高壓儲氫的快速放氫特性，提高混合儲氫系統的快速響應特性。根據這一原理，我們已先后開發出45 MPa 和90 MPa靜態壓縮和高密度儲氫一體化裝置。
鎂的儲氫密度高，但放氫溫度高，如將其高溫加氫和放氫環節固定于應用終端，運氫處于常溫常壓狀態，則將是一種很好的高密度、高安全性的運氫方式。為提高單車運氫量，需將鎂基儲氫材料裝在一個大罐中，以盡量減輕運氫罐體重量，而將多管束反應器固定在加氫端和應用端。這就需要鎂基儲氫材料流動起來，為實現流動，我們將鎂基儲氫材料與有機儲氫材料復合，形成氫漿。在此氫漿中，鎂基儲氫材料粉末和有機液體均是高密度的儲氫介質，與此同時，鎂基儲氫材料還可作為有機液體儲氫的催化劑，有機液體儲氫材料還可改善鎂基儲氫材料的傳熱傳質特性，兩者相得益彰。初步試驗已證明，氫化物對于有機液體儲放氫均具有較好的催化作用，可以取代原有的貴金屬催化劑，鎂基儲氫材料在氣固液三相界面上仍具有較好的吸放氫性能，這些結果證明了這一構想的可行性。
4. 面向綠氫供應鏈的高容量車載儲氫系統
綠氫是氫能應用的初衷，我們應充分利用綠氫特性，構建綠氫供應鏈，簡化供氫流程，降低供氫成本。我們可將可再生能源電解水制氫得到的4 MPa綠氫，直接通入4 MPa純氫輸氫管道，送至低壓加氫站中，無需加壓，直接充入燃料電池汽車低壓固態儲氫系統中。低壓加氫省掉了高壓加氫站中的高壓壓縮機和高壓儲罐，從而顯著降低了加氫站的裝備成本，提高了加氫安全性和可靠性，降低了加氫成本，而這一切均源于低壓車載儲氫系統的應用。
我們采用TiMn系儲氫材料進行了初步探索，合作開發的低壓儲氫燃料電池9 m公交車，在5 MPa低壓加氫條件下，15 min即可加滿氫，在滿載公交模式下百公里的耗氫量為4.77 kg，17 kg的儲氫量可滿足一次連續行駛300 km以上的要求，但與高壓儲氫相比，燃料電池客車百公里的耗氫量仍多0.2~0.3 kg，急需降低儲氫系統重量。開發更高容量的儲氫材料尤為迫切，我們開發的LiMgBNH材料在150 ℃、8 MPa條件下10 min可吸氫 5.3%，0.1 MPa下可放出4.1%的氫，以此材料開發的儲氫罐與35 MPa高壓儲氫系統重量儲氫率相近。我們的合作伙伴德國KIT Maximilian團隊采用這一材料裝罐，與高溫質子交換膜燃料電池耦合應用，滿足了燃料電池的應用要求[1]。最近，北京航空航天大學水江瀾等通過氫氟酸不完全蝕刻Mxene，開發了一種高容量的室溫儲氫材料，在室溫和60 bar（1 bar = 105 Pa）壓力的條件下，可儲存8.8 wt%的氫氣[2]。這些研究為高容量儲氫材料的應用探索出一條新路徑。
面向綠氫供應鏈的高容量車載儲氫系統還有較長的路要走，高溫質子交換膜燃料電池的可靠性和經濟性尚需驗證，高容量儲氫材料性能還需繼續提高，固態儲氫系統的相關標準尚需完善。一旦這些問題得以解決，氫能局面將為之一變。
本文來源于engineering
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