北京有色院院长蒋利军：制氢和储氢技术的进展

氢能源作为未来能源，对它的应用研究一直在进行中。蒋利军院长的报告为我们解答了目前制氢、储氢等氢能源的研究进展：

第一，光催化分解水制氢和生物制氢前景光明，制氢效果持续得到改善，但仍需进一步提高效率，降低成本；

第二，静态压缩高密度储存一体化装置，有利于降低压缩机开启频率，提高压缩机可靠性，有望应用于加氢站中；

第三、钢带缠绕式高压制氢容器是一种低成本的大容量高压制氢装置，已在加氢站中得到成功应用；

第四、高压氢环境材料耐久性实验装置为评价材料高压氢环境下的机械性能提供了手段。

2018年7月26-27日，2018第三届中国国际氢能与燃料电池产业发展大会于中国国际展览中心召开。北极星储能网将对会议进行现场直播。北京有色院院长、中国可再生能源学会氢能专委会主任蒋利军：发表了《制氢和储氢技术的进展》演讲。

北极星储能网为您带来发言实录：

蒋利军：大家下午好!

非常高兴也非常荣幸，非常感谢大会组委会给我这个机会跟大家进行这样一个交流。非常遗憾，我不太清楚，原来我看通知好像说是用中文，所以我的报告也准备的用中文，今天我就用中文给大家讲一下这个报告。

我的报告题目是制氢和储氢研究进展，报告分三方面。

大家都知道，氢能现在包括制氢、储氢和氢的应用三个环节，制氢和储氢的基础，储氢现在是瓶颈问题，同时在整个过程当中，氢的安全、标准和规范是贯穿于整个氢的应用全过程，真正能够为我们的氢能的健康发展提供保证。

现在可再生能源制氢应该是实现氢能低碳环境的关键，我们现在聚焦两方面，一方面是光催化分解制氢，另外一个就是生物制氢。在储氢方面，我们主要针对目前的加氢站用的一些方面，聚焦在加氢站用的高压储罐和固态符合储氢技术。

可再生能源制氢来讲，高效太能分解水制氢是主要方面，当制氢效果达到10%的时候就具有工业性质，目前我们做的所有工作离这个目标还有相当差距，我们必须从三个方面，一个是微观分析、宏观方面、介观方面分别解决光谱的响应、电荷分离迁移和化学反应、辐射传输及转化这样的科学问题，进一步提高效率，改变催化反应过程当中的稳定性，并且降低成本。

生物制氢也是可再生能源的制氢方面的重要方式。通常我们要把生物质分解之后，再通过微生物的发酵或电解方式进行制氢，目前也存在制氢效率偏低，同时底物的利用还不太充分。

目前，全球运行的到去年年底328座加氢站，加氢站运行当中故障率最的是压缩机，储氢罐差不多占10%左右，位居第四，怎么把加氢站目前存在的问题解决，提高可靠性、降低故障，也是我们目前关注的重点。

氢安全是一个永恒的话题，由于材料的清脆导致氢气泄露甚至爆炸的安全事故经常发生，如何准确的评价材料，合理的选用材料，同时避免材料清脆的发生，也是我们必须解决的问题。所以针对上面这些问题，科技部组织了先进制氢和储氢技术的项目，这个项目目标就是要研究出低成本规模化太阳能连续制氢系统和高效低成本生物制氢装置，同时开发出高储氢密度的固态/高压混合储氢系统，同时建立材料在高压氢气环境中的性能评价方法，形成高压氢系统安全性能检测方法及标准。

这个项目由我作为首席专家，项目分为四个课题，第一个课题是太阳能光催化制氢，这是由西安交大承担的。第二个课题生物制氢由河南农业大学和浙江大学承担。第三个课题是固态高压混合储氢技术，是由我所在的北京研究组承担的。第四个课题是高压氢安全评价技术，是由浙江大学承担的。我们这个项目的目标就是要解决上述问题。

首先来看一下光催化制氢目前进展情况，整个光催化制氢过程当中，最核心的问题就是要找出一个高效的催化剂。在我们的项目当中，我们通过大量的筛选，研制出了一种纳米催化剂，在一维空间可以有效排列，形成有序的结构促进光电荷高效迁移，并且使得含硫无机盐水溶液牺牲剂体系中，直接太阳光照射下能量转化效率达6.2%，500小时之后效率仍然保持在6.2%左右。

把催化剂做好，第二个要找到合适的反应器，这种反应器基于光谱、深度和分配三匹配的准则前提下，选择了管流式反应器，这种反应器通过我们控制流量，还有催化剂的浓度，使得在整个传输过程中催化剂不至于沉降，然后跟反应液化能够充分结组，获得比较好的反应效果。同时，建立基于氢气泡生长的局部光催化产氢速率的评价模型，通过这个的建立，使我们能够准确知道氢气在反应过程中的产氢动力学，可以进行动力学的预测。

有了这个反应器之后，我们还必须要建成制氢系统，因为太阳能力度是比较低，所以我们需要聚焦。在这个系统当中选用了一个非常成本低廉的抛物面聚光器，通过聚光之后使得太阳能力度进一步提高，过程中主要解决聚焦跟光的结合，使得我们在反应器的表面和内部光的分布均匀的。同时，在这里面要建成系统，我们还必须让它有一个很好的对流，我们采用了一个比较巧妙的方式，采用动力的，使得自然对流和强制对流相结合，解决了比较好的交换问题，使整个系统催化剂一直处于悬浮状态，不会沉积在某一个地方。

我们采用这种模式形成了19个单管为一排，然后4×19的贞烈，采光面积达100多平米，总容积达到1400L，光氢转化效率达6.2%，稳定产氢时间300小时。这个系统当中，目前一天的产氢量大概700公升，全部达到90%。这是光催化制氢。

生物制氢在我们这个项目当中，我们首先进行了生物预处理粉碎技术，当我们把秸秆粉碎后酶解处理，减少了酶用量，酶符合仅为105mg/g，常规要150到250，这样更加减少酶的用量，做到低污染、低成本。

对于酶解后的产物，我们首先进行第一步厌氧发酵，通过模型找到厌氧菌的条件，我们找到高效产氢的混合菌，通过响应面的优化得到光合制氢的最佳反应条件。这就是最终建立的10个立方米的生物质光和厌氧联合制氢示范系统，我们采用了太阳能光线照明的方式，整个是折流式的生物质的传递过程，目前整个产氢的原谅转化率达62.7%，平均产氢量每天达56。

微生物电化学制氢装置，这个有点类似于水电解制氢，这个往往可以利用一些污水进行处理。在这个里面，我们主要对电极表面进行表面处理，在阳极采用碳布阳极，经100%甲酸处理后其最大功率密度比一般加热处理提高了25。我们发现当电压高于0.9V之后，甲烷生成就得到很好的例子，这样我们能得到一个纯度比较好的情形。

通过突破以上技术之后，我们建成了一个有机废水原谅的2立方米微生物电化学制氢中试装置，目前系统运行一年多了。目前，原料转化率达70%，产氢量每天达到20几立方，同时甲烷产生量0.8%到0.9%。同时，还有一个非常有竞争力的，在这个过程当中，跟我们刚才所说的水电解制氢电耗大大下降，现在一立方用1.2到1.3，而且这个可以跟有机废水相结合，这个如果进行推广是很有前景的技术。

再介绍一下45mpa级固态/高压混合储氢系统。目前在加氢站当中，故障率最高的是压缩机，目前用的大部分都是机械式，寿命比较短，经常要更换隔膜。这样一来，可靠性降低。我们目前是想，能不能够利用储氢材料的温度指数变化的特性，形成一个静态压缩机，没有动态固件，提高压缩机可靠性。要想做到静态压缩机，首先要制备出一个高平台、低热焓储氢合金，在45度放氢平衡压47.39mpa，放氢热焓17.17kg/mol.h2，这样可以使整个系统持续稳定输出高压的本正特性，低热焓可以快速响应，能够为加氢站快速加氢。

我们建立了自己的仿真软件，通过这个软件传质进行优化，找到一个比较好的传热，按照三级加氢，最后一级为35mpa加氢大概可以连续为汽车加13次氢，不用充氢，这样比较好的减少了压缩机的连续运转，整个频率大大降低，可靠性也得到比较好的提高。

这就是我们做的罐子，采用紧密配合的笼式结构，同时我们又采用了一些高压密封结构，采用了一些多功能一体化组合阀保证安全。计划今年在张家口的加氢站用上去，这种罐子除了具有静态加氢的功能外，同时还有高密度储氢功能，这个罐子密度是同样的压力、同样水容积的两倍，这样也可以减小加氢站储存氢气的空间。同时，由于减少压缩机的开启频率也降低，提高了使用可靠性。

高压氢环境材料耐久性试验装置。这个过程当中，主要解决两个关键技术，一个是在高压环境下，如何提供这样一个环境。二是如何在高压氢环境下精确的测量出应变，后面的挑战更大。这个过程中，浙大团队巧妙的设计了一个平衡枪，通过连通器的原理使得高压环境箱跟平衡枪之间能够实现压力的均衡，使得整个过程中能够稳定、准确的测量出来我们所需要的。同时对这样一些传感器也做了工作，首先在这里面设计一些专用的支架和夹具，同样在外载荷传感器，通过一系列工作保证设备可靠运行。现在建成的设备目前是世界上第三个具有在140mpa下最大牵引力静态120千米，动态100千米，具有这样一种材料耐久性测试装置，这个装置建立之后，这个实验室已经为三大国际企业公司制定为检测机构，并且为他们做一些检测服务，同时也为丰田、中石油进行相关检测。为这个项目本身服务找到了一个材料的最佳列当量，这样一个材料列当量大于47%的时候，我们发现材料清就可以完成消除。这是我们为98mpa寻找材料的时候做的曲线，从这个曲线当中可以看到在氢气和氩气当中，材料完全一样的，这块清脆性已经得到很好的抑制。

由于98mpa压力很高，属于高压容器范畴，所以我们根据国际相关标准和国内标准进行相关结构和强度设计，采用钢带式缠绕的结构制出了98mpa储氢装置，水溶解在0.5立方，并配置远程安全状态监控系统，现在这个装置已经在日本的丰田加工站得到应用，在保定也已经中标，同时98mpa装置也得到其他国家的认可。

下面是我报告的最后总结。

第一，光催化分解水制氢和生物制氢前景光明，制氢效果持续得到改善，但仍需进一步提高效率，降低成本；

第二，静态压缩高密度储存一体化装置，有利于降低压缩机开启频率，提高压缩机可靠性，有望应用于加氢站中；

第三、钢带缠绕式高压制氢容器是一种低成本的大容量高压制氢装置，已在加氢站中得到成功应用；

第四、高压氢环境材料耐久性实验装置为评价材料高压氢环境下的机械性能提供了手段。

我的报告到此结束，谢谢大家!

来源：北极星储能网

(根据现场速记整理，未经嘉宾审阅)