丁文江，中國(guó)工程院院士，輕合金精密成型國(guó)家工程研究中心主任，上海交通大學(xué)氫科學(xué)中心主任。他潛心研究輕合金材料40年，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)制的鎂稀土合金，在航空航天、醫(yī)療、能源等領(lǐng)域大放異彩。他在鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫材料基礎(chǔ)研究、應(yīng)用開發(fā)、工程化研究和技術(shù)轉(zhuǎn)移等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了多項(xiàng)突破，為解決氫能利用中的儲(chǔ)存、運(yùn)輸難題，提供了建設(shè)性方案。他曾榮獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)、“全國(guó)優(yōu)秀科技工作者”等榮譽(yù)。

氫是自然界的能源之母，綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體，因其清潔、高效、可持續(xù)，氫在新能源發(fā)展中被寄予厚望。由于氫通常以氣態(tài)形式存在，且易燃、易爆、易擴(kuò)散，導(dǎo)致常溫常壓下，氫氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸存在很多現(xiàn)實(shí)難題。目前市場(chǎng)上常用的高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫和低溫液態(tài)儲(chǔ)氫成本高、能耗大，大規(guī)模應(yīng)用存在很多障礙。能否另辟蹊徑找到一種新辦法，讓氫儲(chǔ)運(yùn)成本更低、安全性更好、更適合規(guī)?；瘧?yīng)用需求？經(jīng)過長(zhǎng)期攻關(guān)，找到了一個(gè)新方向：用固體形式來存儲(chǔ)氫氣。我國(guó)科研人員從鎂材料中發(fā)現(xiàn)了機(jī)會(huì)，制備出一種神奇的合金材料，這種材料不僅讓氫進(jìn)出自由，還能對(duì)氫進(jìn)行凈化，讓氫以固體形式留在鎂基材料中，從而使得存儲(chǔ)和運(yùn)輸量更大、成本更低、安全性更高。目前，這項(xiàng)固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)在交通、風(fēng)電、冶金等領(lǐng)域，已開始逐步探索應(yīng)用。這種神奇的合金為什么能有效破解氫能儲(chǔ)運(yùn)難題？在研發(fā)的道路上經(jīng)歷了怎樣的曲折才最終找到這條“金光大道”？在能源結(jié)構(gòu)向低碳、清潔、綠色轉(zhuǎn)型過程中，還需攻克哪些難關(guān)才能實(shí)現(xiàn)“氫”裝上陣？

如何讓昂貴的“氫”變得低廉

氫在元素周期表里排第一位，實(shí)際上氫是自然界的所有能源之母，能源轉(zhuǎn)型的過程中氫是一個(gè)不可或缺的角色。這樣好的能源，距離真正進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用還有很大的距離，它的痛點(diǎn)主要在于成本。首先，氫在自然界是沒有的，它屬于二次能源，一定要從其他東西轉(zhuǎn)化過來。制氫現(xiàn)在一般都是用煤或者用電，用煤制氫的時(shí)候會(huì)排放二氧化碳，用電制氫的時(shí)候，要用鉑金作為催化劑，鉑金就比較貴。其次，氫制造出來要儲(chǔ)運(yùn)，現(xiàn)在儲(chǔ)運(yùn)氫，就是用一個(gè)大概有200個(gè)大氣壓的高壓罐，把氫壓縮在里面，拉來拉去，這就是氣態(tài)運(yùn)氫。一輛49噸的卡車，只能裝300公斤氫氣，效率非常低，所以運(yùn)氫就比較貴。還有一種就是用液態(tài)運(yùn)氫，就是在零下253攝氏度把氫氣液化了，要到零下253攝氏度才能實(shí)現(xiàn)它，這是一個(gè)很大的困難；再加上運(yùn)輸它要密封，對(duì)各種各樣的管道、泄漏都要很好地控制，所以成本也比較貴。最后，加氫站建設(shè)要占地，成本也非常貴。

輕合金材料里面含有鎂，在表現(xiàn)過去的電視劇或者電影當(dāng)中，出現(xiàn)照相場(chǎng)景的時(shí)候有一種鎂光燈，這個(gè)鎂光燈就是利用鎂燃燒的一剎那放出的光進(jìn)行拍照。水蒸氣在一定的狀態(tài)下可以變成霧，也可以變成霜，這個(gè)霜就是李白說的“床前明月光，疑是地上霜”那個(gè)霜。我國(guó)到目前為止生產(chǎn)的鎂占了全世界90%，90%的鎂都是鎂蒸氣變的。我當(dāng)時(shí)有一個(gè)想法，就是能不能讓它變成“霜”呢？就是鎂的“霜”，“霜”的質(zhì)點(diǎn)會(huì)非常細(xì)，就像納米狀態(tài)的細(xì)的鎂粉，在高科技產(chǎn)業(yè)，特別是在一些含能材料里面有非常廣的應(yīng)用前景。15年前，我們的科研團(tuán)隊(duì)開始對(duì)鎂材料進(jìn)行功能性研究，因?yàn)殒V極其活潑，當(dāng)磨得很細(xì)的時(shí)候，非常容易發(fā)生爆炸。為了解決鎂易爆的問題，研究團(tuán)隊(duì)嘗試使用多種氣體來進(jìn)行安全性保護(hù)，比如氮?dú)?、氬氣、二氧化碳、六氟化?#xff0c;但都沒有成功。最后經(jīng)過上千次的實(shí)驗(yàn)，做了各種可能的嘗試，依然無法解決這個(gè)難題。眼看山窮水盡，苦無辦法之際，我們想到了氫。結(jié)果實(shí)驗(yàn)成功了，氫一接觸納米鎂就變成了鎂氫素，不但沒爆炸，而且非常安全。長(zhǎng)期的探索與積累，最終取得了回報(bào)。我們首創(chuàng)的用蒸氣法來制造含鎂氫的合金新材料，初步具備批量生產(chǎn)的可能，也給低成本固態(tài)儲(chǔ)氫的應(yīng)用帶來了希望。

固態(tài)儲(chǔ)氫為能源發(fā)展帶來改變

有了固態(tài)儲(chǔ)氫材料創(chuàng)新和技術(shù)基礎(chǔ)，我們團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步在應(yīng)用上進(jìn)行工程化研究。一輛49噸的卡車，氣態(tài)運(yùn)氫只能裝300公斤氫氣，如果換成固態(tài)儲(chǔ)氫，儲(chǔ)氫量可增加4倍以上，還可在常溫下長(zhǎng)距離運(yùn)輸，安全性也好。朝著這個(gè)方向，我們準(zhǔn)備制造儲(chǔ)氫能力1噸以上的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，不過，這種大型固態(tài)儲(chǔ)氫裝置的建造，需要研究解決的課題也很多。這樣大型鎂儲(chǔ)氫裝置，氫的進(jìn)入和脫出是相當(dāng)困難的，特別是在表面氧化之后，要形成一些催化點(diǎn)在鎂材料上面，相當(dāng)于氫進(jìn)入和脫出的一些窗口。我們經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，不斷嘗試新的方法，才初步實(shí)現(xiàn)了氫的吸入和放出。但是，在這一過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，如何解決熱失控的問題，又成了新的難點(diǎn)。研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過不斷測(cè)試，通過控制氫氣流量，讓它調(diào)節(jié)在一個(gè)合適的范圍才逐步解決了熱失控的問題。在科技創(chuàng)新的路上，我們經(jīng)過5年的研究，終于在2022年12月份試制出世界首臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫車。這種儲(chǔ)氫車可以儲(chǔ)存1.5噸的氫氣，是常規(guī)氣態(tài)儲(chǔ)氫的4到5倍，而且可以在常溫常壓下儲(chǔ)運(yùn)。標(biāo)準(zhǔn)集裝箱式設(shè)計(jì)的鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫裝置能夠適應(yīng)鐵路、公路、輪船等不同的運(yùn)輸方式，適合長(zhǎng)距離、大規(guī)模氫運(yùn)輸。不同的集裝箱組合在一起，可以固定存儲(chǔ)大量的氫能，形成大規(guī)模的固態(tài)儲(chǔ)氫站。不過，因?yàn)楣虘B(tài)儲(chǔ)氫儲(chǔ)放氫的過程需要能量介入。儲(chǔ)氫的成本怎樣呢？據(jù)測(cè)算，氣態(tài)存儲(chǔ)1公斤氫氣從常壓常溫壓縮到35兆帕所需的能耗是5度電；液態(tài)儲(chǔ)氫從常壓常溫液化為1公斤氫氣需耗電15度；常溫常壓下固態(tài)儲(chǔ)氫放1公斤氫氣需耗電14度。鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫裝置在實(shí)際應(yīng)用中需要跟各種場(chǎng)景匹配，控制儲(chǔ)放氫的能量損耗和成本是關(guān)鍵點(diǎn)。這些核心問題一旦解決，氫能就可以登上更廣闊的舞臺(tái)，釋放巨大的能量。

固態(tài)儲(chǔ)氫前景廣闊

固態(tài)儲(chǔ)氫不僅可以在交通運(yùn)輸、儲(chǔ)能、家庭熱電聯(lián)供等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，在工業(yè)生產(chǎn)中它也同樣前景廣闊。比如，半導(dǎo)體行業(yè)在生產(chǎn)過程中需要大量高純度的氫，依靠氣態(tài)存儲(chǔ)瓶，供應(yīng)量小且存在安全隱患，如果用一種75公斤的固態(tài)儲(chǔ)氫罐來供氫，不僅儲(chǔ)氫量相當(dāng)于15個(gè)氣態(tài)氫氣瓶，還更加安全高效。為此，我們團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了專項(xiàng)研發(fā)。但是，在研發(fā)過程中，材料膨脹如何控制的技術(shù)難題又?jǐn)[在面前。經(jīng)過多次不同場(chǎng)景下的模擬測(cè)試，始終無法解決這個(gè)問題，研發(fā)小組一籌莫展。直到在一次激烈的現(xiàn)場(chǎng)爭(zhēng)論中，我們從爆米花中獲得了靈感。按照這個(gè)思路，我們把材料進(jìn)行加熱加壓，再卸壓，在不同的溫度環(huán)境下反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，終于找到控制材料膨脹的訣竅，使得氫氣可以穩(wěn)定地、均勻地儲(chǔ)存和釋放。75公斤的固態(tài)儲(chǔ)氫罐最終被研制成功，給半導(dǎo)體行業(yè)的供氫帶來新選擇。事實(shí)上，這只是固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的一個(gè)場(chǎng)景，它也說明，氫能的應(yīng)用可以更加廣泛，在冶金、電力等行業(yè)的節(jié)能減排過程中，還可以有更大的發(fā)揮空間。那么，固態(tài)儲(chǔ)氫進(jìn)企業(yè)能帶來哪些重大技術(shù)革新？實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)又能作出怎樣的貢獻(xiàn)？

金氫工程，簡(jiǎn)而言之，是在特殊催化劑的作用下，將廢棄物中的碳?xì)浠衔?#xff0c;特別是甲烷，在低能耗條件下，逐級(jí)脫去氫原子，最終裂解生成氫氣和碳材料的過程。這一過程中利用的加熱源是工業(yè)余熱、廢熱蒸氣和地?zé)岬?#xff0c;而傳統(tǒng)處理廢棄物的方式，需要燃燒，并會(huì)大量排放二氧化碳。相比之下，金氫工程碳排放幾乎為零，而且產(chǎn)生的碳會(huì)被固定下來，甚至實(shí)現(xiàn)了負(fù)排放。

我國(guó)甲烷資源十分豐富，既能從大量的濕垃圾、農(nóng)業(yè)廢棄物等富含碳?xì)湓氐挠袡C(jī)固體廢物作為原料來制取，又能從煤層氣、焦?fàn)t煤氣及其油頁(yè)巖裂解氣中分離出來。金氫工程可以廣泛在垃圾發(fā)電廠等場(chǎng)景中使用，我國(guó)每年生產(chǎn)的氫有近80%來源于煤炭重整制氫，不進(jìn)行二氧化碳捕集，這又稱為灰氫。如果將低品質(zhì)的煤先轉(zhuǎn)換成甲烷，再通過金氫工程轉(zhuǎn)化為高純氫和高純碳材料，就可實(shí)現(xiàn)近零碳排放。高純度氫氣可以大批量固態(tài)存儲(chǔ)，運(yùn)輸?shù)较鄳?yīng)的使用場(chǎng)景，將真正實(shí)現(xiàn)灰氫變身綠氫的飛躍，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)貢獻(xiàn)力量。