客观日本

日本正在开发不使用稀有金属的储氢合金,目的是实现低成本运输

2021年10月19日 化学材料

随着氢燃料在实现“脱碳”的过程中受到关注,有效运输氢的技术研发也取得了进展。日本量子科学技术研究开发机构等组成的研究团队成功开发出了无需使用稀有金属即可有效储存氢的合金。确立低成本的运输方法可以扩大氢的利用,有助于实现2050年温室气体净零排放的政府目标。

关于储氢合金的主要研究和技术验证及前景
2018年 东京大学发现在钯中混合金可以提高氢吸收速度
2019年 清水建设和产业技术综合研究所在福岛县郡山市运行采用储氢合金的氢系统
2021年 东京电力和东丽等试运行利用合金储存通过可再生能源电力制造的氢并利用的系统
量子科学技术研究开发机构等开发出采用铁和铝的储氢合金
2030年代 不使用稀有金属的储氢合金实现实用化
2050年之前 为实现政府的脱碳目标,利用储氢合金等有效运输氢

即使燃烧也不排放二氧化碳(CO2)的氢作为新一代环保燃料备受期待。制造方法包括利用可再生能源电力电解水制造氢的方法等,但可以设置大规模可再生能源设备的土地有限。因此,在日本的发电站利用中东等海外地区制造的氢时需要进行运输。

气体氢体积大,运输效率低,如何有效运输是亟待解决的课题。解决对策之一是利用“储氢合金”——利用合金储存和运输氢,然后通过加热等方式提取。单纯换算的话,1升氢可以被吸收到3个1日元硬币大小的合金中。

储氢合金以前一直使用容易与氢发生反应的钛和稀土元素镧等稀有金属,与不容易与氢发生反应的铁等制成合金,用来贮氢。但稀有金属价格昂贵,被认为是普及的瓶颈。

日本量子科学技术研究开发机构、东北大学和高能加速器研究机构改良了合金的成分,发现无需使用稀有金属,使用铝和铁也可以储存氢。研究发现,虽然二者都是不容易与氢发生反应的金属,但使其在7万个大气压以上的环境下与650℃以上的高温氢发生反应,则可以储存氢,变成新的金属氢化物。

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利用高压合成器通过铁和铝制造储氢合金(图片由量子科学技术研究开发机构提供)

在高温高压下,氢的性质会发生变化,利用不容易发生反应的金属也可以储存。制造的合金在常温下也不会泄露氢,在高温下则可以释放氢。与常规的储氢合金一样,有望用于氢的运输。

量子科学技术研究开发机构等此前发现铜和铝的合金也可以储存氢。但课题是储氢量只有稀有金属合金的一半左右。而新开发的铁铝合金的储氢量与稀有金属合金基本相同。

新合金采用相对比较便宜的金属,因此有望将成本降至稀有金属合金的一半以下。由于要在高温高压环境下制造,对此,量子科学技术研究开发机构关西光科学研究所的斋藤宽之组长介绍说:“目前尚处于基础研究阶段,商用化还需要时间”。今后的目标是,即使降低压力也可以制造合金。

企业还在对储氢合金实施技术验证等。东京电力控股和东丽等已从2021年6月开始试运行把利用可再生能源电力制造的氢储存到合金中的系统。预计氢的应用今后会扩大,确立易于使用的储氢合金技术还有助于实现灵活的氢采购。

争相开发各种方法和技术

氢的运输方法除了储氢合金外还有液化、压缩或者转化成氨进行运输的方法等。但这些方法各有利弊,更加优秀技术的开发竞争今后仍会持续。

实用化取得进展的是利用压缩机等压缩氢气,缩小其体积后填充到储气瓶中储存的“压缩氢”方法。但这种方法难以大量运输。将氢气液化缩小体积,利用大型船舶等运输的技术也比较有前景,但在运输过程中会气化,容易产生损失。另一方面,储氢合金即使价格降低但还存在重量方面的课题。

还有将氨作为氢的运输媒介使用的方法。氨已经确立了运输技术,比直接运输氢的效率高。火力发电也可以燃烧氨,但氨是有害物质,因此需要严格进行安全管理。

日本政府为实现温室气体净零排放的目标,提出了使氢氨发电占电源构成比的10%的目标。无碳城市燃气的“甲烷化”也使用氢作为原料。大阪燃气和东京燃气等正在推进技术开发。随着各个领域对氢的需求都不断高涨,通过产学合作等实现氢的有效运输意义重大。

日文:落合修平、《日经产业新闻》,2021/10/08
中文:JST客观日本编辑部