创新 • 创优 • 创见
搜索
当前位置:主页 > 新闻资讯 >

上交大邹建新:高容量镁基固态储运氢技术及应用

时间:  2021-10-25 10:04   来源:  氢智会    作者:  Spring

[汽车总站网 www.chianautoms.com欢迎你]
“第九届上海院士专家峰会”于2021年10月20日至21日由中国科学院学部工作局、中国科学院上海分院、上海市浦东新区人民政府、上海市科学技术协会、中国石化上海石油化工股份有限公司指导,上海市浦东新区科学技术协会主办,上海证券报、中国金融信息中心、上海石油天然气交易中心联合主办,中科院院士上海浦东活动中心、上海市建筑学会、长三角氢能科技研究院、上海市浦东新区工程师协会承办,内设主论坛和三个分论坛。本届峰会将聚焦“迈向碳中和时代”这一主题,邀请多位相关领域院士、专家、企业家以及政府相关部门领导,同台共话“双碳”发展战略、低碳能源革命、城市低碳发展模式、数字化赋能“双碳”战略实施等议题,为国家和上海实施“双碳”战略群策群力、建言献策。
在10月21日上午的主题为“迈向碳中和时代之低碳出行”的分会场三上,上海交通大学教授,博士生导师邹建新教授,带来主题演讲《高容量镁基固态储运氢技术及应用》。
上交大邹建新:高容量镁基固态储运氢技术及应用
以下内容为现场演讲实录:
感谢今天给我这次机会来汇报一下我们近年来的研究成果。我们主要是做储氢材料以及储运氢系统。我们知道金属镁的密度非常小,是钢铁的1/4左右。这样一种非常轻的材料,它在汽车上的应用是通过降低重量来实现节能减排。但是镁还有一个重要的特性,就是镁可以和氢结合,在常见材料中是储氢量最高的。基于这个特点,我们开展了镁基储氢材料的研究工作,今天就为大家介绍一下研究的进展。
我将分为三个方面给大家做简单的介绍。我们知道现在都在谈碳达峰和碳中和的“双碳”目标,在30年之前实现碳达峰,60年之前实现碳中和。碳达峰相对来说是容易实现的,通过把可再生能源的比例增加,通过一些节能减排的技术,再改变一些产业结构,可能实现碳达峰。但是碳中和的目标相对来说是非常难的,因为在国民生产生活中,尤其是在交通领域,我们使用了很多碳基燃料,它带来很多二氧化碳的排放,要减少的话,难度还是非常大的。我们认为用氢实现碳中和的目标,可能是一个非常必要的途径。我们知道日本、德国等一些发达国家已经开始大量的使用氢能,特别是在交通领域。氢能主要的特点就是使用之后只生成水和能量,完全没有二氧化碳的排放。德国已经提出了目标,未来要成为“氢能共和国”。
氢能的来源非常广泛,水里就有氢,如果利用太阳能发电的方式,通过水电解得到氢,这个氢是完全无污染的,可以用于工业领域和交通领域来实现碳中和。未来可能会进行整个能源与工业体系的大变革。
我们国家氢的产能已经有2200万吨左右,大部分用于工业领域。未来如果在能源领域实现应用,可能氢的产量要大规模的增加。我国预计在2050年终端领域体系中,氢能的占比在10%左右,当然这是一个比较保守的估计。可能会提前很多年实现。氢在很多领域都可以实现应用,包括在交通运输领域,包括能源系统,供电供热以及化工、冶金,比如我们现在很多冶金都是用碳来还原氧化铁,但是如果把碳换成氢,就可以实现大量的减排。
上交大邹建新:高容量镁基固态储运氢技术及应用
基于氢在生产、生活和交通领域得到很多的应用,我们上海交通大学专门成立了上海交通大学氢科学中心,关注于氢能源,另外也关注氢与人体和动植物的交互作用,我们汇集了很多顶尖的科学家,希望通过基础研究,通过探索氢和物质之间的相互作用,从这个角度出发来探索一些科学的原理,推动我们氢产业的发展。
氢在能源领域的应用主要有三个关键环节。第一个就是氢的制取,我们国家有大量的工业副产氢,这些工业副产氢很多都浪费掉了,如果把其中一部分拿出来在交通领域应用,可以供100万辆以上的车使用。在未来,如果我们要大规模的进行氢在能源领域的使用,工业副产氢远远不够,这就需要提供其他的制氢方式,特别是要采用清洁无碳的制取方式。就目前来看,成本比较低的还是化石能源制氢,比如说通过煤和天然气重整的方式制氢。但这个过程中也产生了很多的二氧化碳,这些二氧化碳必须要进行固化和封存,这就必须要有碳捕集的技术。当然现在技术的成本还是比较高的,未来可能要大幅降低这个成本。
另外一条路径就是通过可再生能源、清洁能源来进行制氢。包括通过风电、光电和水电的方式得到电,然后再电解制氢。未来如果在光解制氢方面得到突破,也可以进行直接光解制氢,这个就是绿氢。
氢制取出来之后需要储运,因为一般都在比较偏远的地方制氢,未来可以通过管道的方式大规模进行氢气的输运,但现在还有很多的问题有待于解决,比如说材料氢脆的问题,比如说管道成本比较高的问题。这些问题解决之后,主要通过管道的方式运氢,但其他的储运方式也必须配套。
氢的储运目前来说主要有几种方式,包括高压气方式,现在应用的都是20兆帕的方式。这个效率是非常低的,只能在示范阶段使用。所以一定要开发新的储运氢技术,才能把氢的成本降下来,才能实现大规模的应用。其中也包括液氢的方式,是把氢冷却到零下253度,并进行大量的运输。但是液氢很难长时间的保存,并且液氢制造的能耗是比较大的。
我们现在正在研究的就是把氢储存在固态材料中,储氢密度非常大,效率高,运输过程中是在常温常压下,安全性比较高,适合大规模推广。氢的应用可以在很多方面。比如说可再生能源随着季节变化,随着白天晚上的变化,随着天气的变化,必须要配储能。我们现在用电池的方式可能是效率最高的,但是大规模使用在成本上有问题,不一定能够实现非常大规模的储能。氢能用来存储可能是将来非常大规模的储能的方式,通过氢和电的组合,可以长期的存储,也可以快速的进行调峰。工业方面,氢可以在很多领域获得应用。比如说冶金领域,这样就可以大量的降低二氧化碳的排放。氢可以做备用电源、车载能源,甚至可以医疗健康和农业方面得以应用。
在制氢环节,现在发展了很多电解水制氢技术,目前比较成熟的是用碱性电解水的方式制氢,已经可以实现较大规模制氢,但效率低一点,大概有70%-80%的制氢效率。还有一种就是质子交换膜电解水的方式,效率比较高,响应速度比较快,能够和可再生能源匹配的比较好,但是现在还存在着很多的问题,包括成本以及效率、寿命的问题,因为里面还要使用到贵金属的催化剂,我们希望尽量的降低贵金属的用量。
如果要进一步提升电解水的效率,可以采用固体氧化物电解的方式,效率可以达到90%,但是需要在高温条件下来电解水蒸气实现。
储氢方式比较成熟的就是高压气氢的方式,用液氢的能耗比较大,容易挥发。后面还有用材料基的方式,比如说用有机物储氢,但是氢气纯度低,需要合成与裂解。固态储氢的安全性非常高,但是目前由于还没有形成大规模,成本相对较高,有待于进一步的发展。
氢在交通领域的应用有两种方式,一个是使用内燃机的方式,把氢直接在内燃机中燃烧,但是因为受制于卡诺循环的限制,效率在40-50%左右,我们国家有很多车企在进行研究。日本的丰田、马自达已经推出了用氢内燃机的车型。虽然氢和氧燃烧生成水,但是因为要用到空气,所以会生成氮氧化物,这样降低氮氧化物排放也是一个问题。另外氢在高温下会产生氢脆的作用,这时候也需要进一步研究,提升材料的水平。
另外一个主要的方向就是采用氢在燃料电池中发电来推动汽车运行。在低温情况下,用质子交换膜燃料电池是非常合适的,发电效率比较高,在45-60%的效率,技术不断向前发展。
再一个就是聚合物燃料电池,工作温度进一步提高,这个时候可以把质子交换膜中的贵金属催化剂的用量减少,温度可以达到120-220℃的范围,发电效率可以进一步提升。
最高效率的是固体氧化物燃料电池,效率可以达到80%,但是工作温度比较高,650-1000℃左右,这个时候是比较适合于在固定的分布式发电的场景。
我们一直在研究的就是镁基储氢材料,最高的储氢密度可以达到7.6%左右,安全性好,成本低,高效、工艺简单,这是它的优势。基于这个优势,我们做了很多研究。接下来介绍一下在镁基储氢材料方面的成果。
我所在的丁文江院士领导的课题组在30多年前就开始研究镁。我们国家在镁资源方面非常有优势,全球大概90%的镁都是生产于中国,不存在材料被“卡脖子”的问题。另外镁的性能非常好,储氢密度非常高,可以实现长循环寿命。另外技术优势方面是反应比较简单,有两种使用方式。一种是循环吸放氢,一种是和水反应产氢,这是一种一次性使用但是非常高能量密度的方式。另外镁对环境非常友好,对环境没有任何的污染。
上交大邹建新:高容量镁基固态储运氢技术及应用
要实现镁在氢能领域的应用有几个难点。首先我们要设计长寿命的镁合金材料,要能够批量的制备出来。做产氢或者储氢系统的时候存在一些复杂的氢热耦合的过程,这个时候通过计算和试验结合的方式来解决问题。另外要寻找合适的应用场景,把材料和系统应用起来,这些方面我们做了很多工作。从1987年丁文江院士就开始组建镁合金研发课题组,2015年临港地区开始建设中试基地,从材料逐渐走向工业化的中试和量产,达到吨级的生产水平。2019年开始公司化运作,开发大型的储运氢系统,另外材料和水解产氢系统也用于备用电源和无人机方面,今年开始布局新的生产线,根据氢能产业的发展状况提升我们的材料生产水平。
上交大邹建新:高容量镁基固态储运氢技术及应用
我们的技术主要是以镁基储氢材料为核心,采用两种使用方式,一种是循环的使用方式,通过吸氢得到氢化镁,再放氢得到镁的循环来制造大型的储运氢的系统,可以用在加氢站,也可以用于分布式发电和车载储氢方面。另一种是采用水解的方式,制备氢化镁的高纯粉末,与水反应把水中的氢也置换出来,可用于备用电源、无人机等方面,我们的技术也获得了上海市技术发明奖,我们也申请了很多国内和国际PCT专利,有自己的核心技术。从实验室到产业阶段我们做了很多的研发工作,包括从热力学原理出发,从分子电子的角度出发设计储氢材料。在制备过程中,我们有一个非常好的原理来实现材料性能。因为镁相对来说还是比较活泼的,表面容易生成氧化物,氢很难进入和脱出,这也是之前困扰镁基材料开发和应用的核心问题。我们通过在表面生成催化剂,可以使氢更容易的进入和脱出,更可控的进行氢的进入和释放。在实验室开发出材料之后,我们也在工业上实现了中试生产,过程中通过控制生产的工艺,可以实现材料的性能。这是我们的一些研究结果。我们通过在镁颗粒表面上生成催化剂,提升材料的吸放氢性能,当然我们也研究了催化机理过程,掌握了其中的核心技术。这是我们通过微观结构调整,在吸放氢和水解过程中来实现镁储氢材料可控的释放氢。在材料设计之后,我们也在实验室对储氢系统进行了小型装置的搭建,之后通过不断的测试和反馈来实现材料性能的提升和成分的调整。我们在临港地区建设了生产线,和很多企业进行了合作。也向国内外企业提供我们生产的材料。这是我们为神华集团开发的电源系统,可以连续工作96个小时,用于备用电源是非常合适的。我们为国家电投开发了一个便携式的电源系统。另外把镁氢材料用于无人机,最高续航里程超过550公里,续航时间长达10个小时。这是我们合作开发的备用电源,可以连续供电50个小时,重量小于6公斤,总容量大于3600Wh,最低可以在零下40度工作。这个也是燃料电池很重要的特点,因为工作的时候发热,可以在比较低的温度下工作。
镁合金材料除了储运氢量非常大之外还有一个显著的特点,就是可以把氢进行净化,特别是氢气中的一些杂质,比如说一氧化碳和硫化物,这个材料可以把氢气中的一氧化碳和硫化物净化掉,比如氢气中含100个ppm浓度的一氧化碳,吸氢后再进行释放,一氧化碳的浓度可以降低到1ppm之下,大约降低了三个数量级。我们也测试了含杂质气体对循环的影响,可以看到掺加这些杂质的气体对吸放氢容量没有任何的影响。有了这个材料,我们把它装到罐体中进行测试,这是我们在如皋的基地进行测试,单罐吸放氢可以达到60公斤以上。这是我们设计的大型镁基固态储运氢车,设计的容量是1.2吨氢气,在常温常压下储运,具有净化氢的能力,同时也能实现智能化的远程监控。这是在储运氢车的基础上设计的镁基固态加氢站体系,通过镁基固态储氢车将氢运输到加氢站,需要的时候把氢释放出来再加注到汽车上。
上交大邹建新:高容量镁基固态储运氢技术及应用
这个是我们和宝武集团合作,完成了一个“氢行者”的制、储、加氢的示范项目。因为电解水制氢之后压力跟镁合金材料的匹配是非常好的,直接就可以把氢存储到材料中,不需要经过任何的压缩。后端把氢释放出来之后,再通过加压装置加注到氢燃料电池叉车上,形成一体化的储氢装备。另外我们也在与宝武集团合作把固态储氢材料用于氢冶金的储供氢。
接下来看一下我们认为镁基在氢能源领域方面可能的应用。我们希望能够通过可再生能源发电,再通过电解水制氢存储到镁基固态储氢系统中,因为这是在比较偏远的地方,我们希望把氢运输到需要的地方。比如说加氢站,我们把氢释放出来,再给氢能源汽车供氢。我们和宝武集团合作,签订了战略合作协议,计划通过固态储氢的方式给钢厂供氢,同时钢厂有很多的废热,可以给镁基固态储氢系统提供放氢所需的热量,形成一个比较高效的体系。
上交大邹建新:高容量镁基固态储运氢技术及应用
SOFC是一种非常好的分布式发电装置,它的发电效率非常高,未来通过镁基固态的方式给SOFC供氢。同时SOFC又产生高温尾气,通过热管理系统给镁基固态储氢系统加热进行放氢,整体可以形成一个非常高效的分布式发电系统。
我们认为未来氢内燃机在氢燃料船舶、氢燃料巴士和重卡方面可能会获得一些应用,虽然效率低一些,但是成本尤其是在大功率动力系统方面,成本是优于燃料电池的。通常氢内燃机燃烧时候尾气排放温度在几百度以上,可以和镁基固态储氢装置结合,形成一套固态储氢与内燃机相结合的系统,未来可能在氢能船舶、飞机以及发电系统方面获得应用。
另外我们在氢健康方面也做了很多的研发,我们建立了自己的青元气品牌,同时与日本的公司合作,把我们的固态储氢材料应用到健康领域,可以对人体有很好的作用,主要是通过氢来还原氧化自由基,改善亚健康状态,提升人的健康水平。同时我们也做了很多农业方面的研究,我们把固态镁储氢材料当作农肥洒到稻田中,它产生的氢对植物有很好的生长调节作用,这个过程中也能够实现减碳。因为植物在生长过程中,我们发现氢使它的叶子长的更大,光合作用更强一些,亩产也更高一些,小麦产量最高可以提升15%左右。另外在花卉保鲜方面氢也有一定的作用,因为氢气可以延缓鲜花的衰败过程。将来在农业方面,我们认为氢也有很大的潜在应用价值。
以上是我汇报的内容,最后用我们丁院士的一句话做总结:轻氢之镁,创新栽培。不管是氢能源还是氢健康、氢农业,我们希望有更多的创新,也希望各位专家、各位领导给予更多的支持。
谢谢大家!

[汽车总站网 www.chianautoms.com欢迎你]
读者留言
看不清?点击更换

汽车总站网

  • www.chinaautoms.com/由北京茂胜文化传媒有限公司版权所有@2019

    京ICP备18056018号

    合作QQ: 305140880

    地址:北京市朝阳区清河营国际城乐想汇3号楼1612室