稀土在储氢与储能领域应用【SMM稀土论坛】lg...

5月30日，在SMM主办的2024年稀土产业论坛上，包头稀土研究院教授闫慧忠对稀土在储氢与储能领域的应用进行了阐述。

一、稀土储氢材料概述

一、稀土储氢材料概述

储氢方式

稀土储氢合金材料

能够在通常的温度及压力条件下可逆、大量地快速吸氢和放氢。

其还对储氢材料应用、储氢材料主要应用领域进行了阐述。

其还介绍：

高压储氢：技术成熟；质量储氢密度高。加氢成本高。

液态储氢、 储氢密度高；输运效率高。成本较高，绝热系统复杂。

固态储氢：体积储氢密度高；安全性好。材料成本高；质量储氢密度低。

有机液体储氢：质量储氢密度高；安全性好。再生复杂。

其还分享了稀土院研发历程、超晶格La-Y-Ni系储氢合金材料等内容。

二、化学电源

金属氢化物-镍电池：储氢材料作为镍氢电池的负极材料通过电化学充/放电过程实现氢化/脱氢反应。

圆柱形镍氢电池制作工艺技术，粉体粒度和分布、振实密度和松装密度符合标准。

方形镍氢电池制作工艺技术，材料组成和用量、和浆工程化技术。

NaBH₄液流燃料电池（DBFC）：在碱性条件下，直接使用硼氢化物为燃料，阴极氧化剂O2或H2O2通过还原反应转变为 OH−。

阳极反应：BH4-＋8OH- → BO2-＋6H2O＋8e-

阴极反应：2O2＋4H2O＋8e-→ 8OH-

总反应：BH4-＋2O2 → BO2-＋2H2O

液流电源作为发电设备在应急领域替代燃油发电机。与燃油机比，有不燃不爆、易保存易维护、使用寿命长、无污染无噪音、携带方便等特点。在通讯基站、电厂等场所可替代传统应急电源。

问题：阳极发生氧化反应的同时还会发生水解反应，释放出氢气。

作为DBFC阳极催化剂，首先要能抑制水解反应，尽可能使反应的电子数达到8个，其次是在强碱性溶液中的化学稳定性好。

DBFC阳极催化剂

1、贵金属催化剂：主要有Pt、Pd、Au、Ag等金属及其合金。但贵金属价格昂贵，限制其商业化。

2、非贵金属催化剂：非贵金属材料主要有Ni、Cu、Co等，价格低廉，储量充足，对NaBH4电氧化具有良好的催化活性。

3、储氢合金催化剂：储氢合金对氢具有存储能力。储氢合金LaNi4.5Al0.5催化KBH4氧化，在电流密度为50 mA cm-2时，KBH4利用率达到95%以上。用Si修饰的LmNi4.78Mn0.22合金做阳极催化剂，在小电流放电情况下燃料利用率增加约四倍。

三、金属氢化物-氢压缩机

氢能：基础建设是发展氢能经济的突破口

金属氢化物（MH）氢（H2）压缩机（MHHC）可以降低投入

MHHC的主要组成部分是能够形成MH的储氢合金材料

利用低品位热质——废热（ T < 200 ℃）或太阳能转换成压缩氢能

其对MHHC对储氢合金的要求、可用于MHHC的储氢合金进行了介绍。

国家重点研发计划：利用低品位热源在宽压（直到80MPa）范围输出氢压的氢储存和供给系统。

其对1-4级储氢材料的主要特性、MHHC的其它应用领域进行了阐述。

四、分布式热电联供系统

氢能——能源与环境问题的终极解决方案，具有高体积能量密度的储氢合金材料是开发氢能/储能应用技术的关键材料之一。

5千克的氢燃料使用不同储存方式，它们的容器体积也不同，储氢合金的存储体积密度普遍高于液氢。

储氢合金安全、无污染、可重复利用，在分布式氢能热电联供系统以及潜艇、船舶、叉车等需要配重的交通运输领域具有广阔的应用前景。

以氢燃料电池为核心的分布式能源网络，可以在城市或农牧区的某个区域实现电力、热能和冷能的联合供应，能源输送距离短，能源利用率明显高于传统能源网络。

日本家用燃料电池热电联供系统（ENE-FARM）：与燃气轮机（化学能转化为电能的其他单阶段过程）相比，燃料电池的电效率大于50％，最高可达70%。

内蒙古重大专项：开发高能量密度稀土储氢材料（有效储氢量≥1.7wt%, 室温放氢平台压≥0.3 MPa，2000次吸放氢循环后容量保持率≥80%。），建设风力/光伏电能—制氢—储氢—燃料电池发电—热电联供集成示范系统，开辟稀土储氢材料和镍氢电池更广阔的应用市场。

4.1 均匀设计法设计LaNi5型(LaCeCa)1(NiMnAl)5储氢合金材料

4.2 La0.4Ce0.4-xYxCa0.2Ni4.9Mn0.1 (x = 0.1, 0.2, 0.3, 0.4)储氢合金材料

4.3 稀土元素Y改性TiZr基储氢合金材料

4.4 稀土元素Ce改性Ti- Mn-Fe储氢合金材料

4.5 AB2型LaY5-xMgxNi12（x = 0~3）合金的储氢性能

4.6 AB3型LaY5-xMgxNi18（x = 0~3）合金的储氢性能

最后，其还对包头稀土研究院氢能综合利用方案进行了介绍。

五、氢能两轮车

1. 前景可期：

⑴ 氢气能量密度高、⑵ 运行寿命长（3年以上）、⑶ 储能便捷、⑷ 轻量化（36.4kg）、⑸ 小型化（0.39L/300W）、⑹ 续航里程长、⑺ 全天候运行、⑻ 安全性能好、⑼ 经济性相当（2元/100km）、⑽ 车联网技术。

截至2022年底，中国电动两轮车市场保有量4亿辆，年销量6007万辆，共享运营数量1500万辆。电动两轮车的发展凸显诸多挑战：给电网带来巨大压力、充电慢、电池衰减、安全隐患等。

2. 储氢密度

其对稀土储氢材料和固态储氢装置“十四五”期间，高能量密度稀土储氢材料研发目标进行了介绍。

3. 补氢方式

阳氢集团： 单撬日产氢600kg，氢纯度高于99.99％，每公斤产氢能耗不足1度电，醇氢转化效率超过80％，氢气即产即用。

4. 存在的问题

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》2024 SMM稀土产业论坛专题报道