FCVC 2019 | 丁文江 ：镁材料在氢能领域的应用及产业化思考

丁文江 中国工程院院士，上海交通大学氢科学中心主任

尊敬的李理事长，以及参会的贵宾，非常感谢会议给我这样的机会向大家汇报一下镁材料在氢能领域的应用及产业化的展望。我是专门搞材料的，在镁材料里面做了快35年，一直在做镁，今天上午听了很多关于汽车行业的情况，也学习了很多。

我这个报告主要是镁在氢能领域里面有三个最重要使用的情况：

第一个镁材料与新能源汽车轻量化；

第二个镁材料与氢气净化储运一体化；

第三个镁材料与氢能源动力系统。

给大家做一个非常简单的介绍，镁在地球上面的丰度是2%，海水当中含量占第三，这个资源实际上取之不尽、用之不竭的，我们国家的镁的储量占了世界首位，2018年镁的产量占了全世界的80%，所以我们在世界上面就镁这个材料说中国的资源是非常丰富的。

它在氢能材料的应用第一个轻量化，镁比重非常轻，只有1.74，跟塑料差不多，一个镁原子可以带上两个氢原子，这样跟氢发生关系了，可以固化氢，而且氢可以在一定条件下面进去，也可以在一定条件下面出来，而且可以在具有催化的水里面放出去以后，可以把水里面的氢也带出来。这样一来储氢量非常可观，这个是镁材料基本的背景情况。

电动车对轻量化的需求，对重量的减重是越来越迫切，可以看到燃油车跟电动车两条线变的话斜率要大得多，对新能源车轻量化就显的更为重要。整个镁材料在轻量化里面相对于铝的结构件，镁合金的结构件可以实现30%的减重效果。

以前在发动机、活塞都有一些研发和适用，我就讲几个零件，比如说轮毂，这个轮毂是我们在日本成型的，汽车的轮毂大量的都是铝合金，镁合金的轮毂会比铝合金轮毂的减重效率会更有特点，而且强度也好，无论疲劳也好，无论各种性能指标都不会亚于铝合金。

这个是各种各样镁合金的轮毂，我们也在日本做过一些实验，同样的两辆车一辆装了镁合金的轮毂，一辆装了铝合金的轮毂，实际高速公路跑的时候，就是一辆车换了四个轮毂，它在高速公路跑的时候可以节省能源达到20.7%。如果在市内6公路跑可以降低15%，在堵车的状态下面可以降2-3%。

另一方面，我们也做了镁合金在汽车上面减震塔，这个是用含固态的真空压铸的工艺来做的减震，使它的重量至少减轻了30%。另外，我们用大型液态模锻技术，来做汽车的后车架，以及电动汽车的电磁箱，这个还在开发当中，都可以帮助新能源车来实现进一步的轻量化，使得它在充满电以后或者是在跑的更快，跑的距离更长，跑的时间也更长，使用性能会进一步提高。

第二个给大家介绍镁材料与氢气净化储运一体化，这个图大家可以看到，同样体积的氢，同样重量的氢有这么大，如果用固态储氢，储氢的密度就要高得多。因为我们做了镁，所以就发展了镁的固态储氢的事情。

另一方面，镁储氢还有一个好处，为什么把它叫做净化储氢呢？我们用工厂里面氢气不太纯有一氧化碳杂质气体，镁只要氢，不要其他东西，所以相对比较不纯的氢，通过镁的固态储氢可以释放出来的氢测定的纯度可以达到99.999%。输进去的氢气可以不太干净，但是放进去的氢气可以非常干净，所以我们把它叫成净化储运一体化。6

储氢大家可以看到，这个实际上是储氢密度质量密度可以达到7.6%，这个我们叫储运氢，顺的、逆的都可以，重复的灌氢，这个做了2000次的循环，基本上储氢性能没有任何衰减。

可以看到，如果我们参照美国能源部的目标，中期希望能够达到质量百分比的6.5%，实际上这个固态储氢已经达到7.6%了，这个是一种固态储放氢。还有一个是水解反映，这个就更厉害了，把镁氢放在水里面就产生这样的反映，使得两个氢气过来的时候把水里面的两个氢也带过来了，这样以来储氢的质量密度就翻了一倍，达到了15.2%，大概是一氢的三倍。而且这个储氢基本上是没有压力，是很安全的，而且储氢的能力也要比一般的要高。

第二个讲讲成本优势，对现在场馆拖车来运输氢，这个成本大概可以下降40%，而且距离没有关系，再长的距离都可以，不要说1000公里，1万公里也可以跑，汽车可以跑他一直可以弄，所以成本相对会比较低。

净化的时候就可以把一些工业副产氢，比如说工业副产氢有75%的氢气，煤化工的副产氢有55%的氢气，合成氨有55%，这些氢现在都是烧掉的，如果用我们这样的工艺去做，通过净化储氢，把不够纯的氢气放出来达到5个9的氢气，完全可以用于燃料电池，所以有四个特点，直接充装、氢气在运输过程当中得到了纯化、储存运输的距离不受限制，而且成本更低。

另一方面刚才也介绍用弃风、弃电、弃光的电作为储能材料，这个电通过电解制成氢，通过固态的储运系统运到各种使用场景。

因为这个事情已经做了十年，十年做下来现在已经可以生产50吨水平的装置已经成功了，正在做一些大型的储运罐，实验室已经走出来了。这个储运罐现在就叫镁氢固态储氢罐体的研制，做成一个一个罐，这个罐直接放到一辆大卡车上面。

这个大卡车上面大概放了15个罐，20个罐。单车可以装载1.2吨的氢气，而且是常温、常压进行运输，不带来任何的危险性。我们正在做罐，我们在做示范的两个罐子，今年可以完成，真的做成可以变成这样的车，这样长距离的运输都可以实现。更纯的氢气，更远的距离，更低的价格，更高的安全性，无论是汽车、火车、集装箱、常温常压安全运输都可以实现。

另一方面，通过氢的净化储存以后，固态氢运输有一个很好的优点，你要建加氢站，直接把集装箱车吊下来就放在加氢站里面，两辆车放在这个里面，它就是一个加氢站，上面的集装箱可以换的，你放下来就是加氢站，用完了你再换一个，这样一个应用场景是我们初步的设想，两辆车过去，这样下来两辆车就可以储运2.4吨的氢气，那么就变成一个加氢站了。这样一来使得我们远距离，特别是我们现在氢资源最丰富都是在西部，在内蒙、陕西这种地方大量氢能就可以运到上海或者是运氢的地方来，人力方面也可以直接用于储氢站。

储氢站就这样的一些有点，占地面积小，而且因为有4.2吨，加氢的车辆就多，氢气的成本就低，而且加氢的能力就大。

第三部分讲能源，我在休息的时候跟李骏市长在讨论能不能直接用在车上，我说我们做的小的，大的东西没用过，我们叫水解燃料电池反映，就直接做成高能量、高密度的氢化镁燃料电池系统，这个是200瓦、400瓦，我们现在做到500瓦，这个主要是因为我们对系统不是很熟，所以它主要难在什么地方呢？它的材料怎么可控的释放？怎么来可控的停止这样的一个难题，小的几百瓦的在做，可以做小型的应用场景上面。

我们就用到无人机，无人机用了这样一个电池，由于氢化镁的能量密度比较高，所以他可以在空中持续飞行10个小时，平均每个小时55公里，持续航程可以达到500公里。大家现在看到的无人机自控时间都不会超过半个小时，锂电池的半小时就要换，所以如果用了这样一个系统，它的应用场景一下子就突破了，比方说在城市安全、森林防火，高压电线的巡视都可以用这样一些无人机来应用。

这个就是我们这样的一件事，因为我们主要是搞材料的，通过氢化镁这样一种材料，它有两种应用场合，一种是通过水解产氢，这个可以像加汽油一样的，用完就不要了就变成存的氧化镁，然后再添加氢化美作为一个加汽油一样的。

还有一种叫可液储，可以存放的，就是在储运加氢站上面有这样一个应用展望，特别是水解产氢这个里面，包括我们国防里面的无人战车用的氢源，包括单兵作战系统里面都会用到，因为它要求能量密度比较高要比较安全，氢气罐相对来说压力比较大，相炸弹一样的。

我的汇报就到此为止，谢谢大家。