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近室温固态储氢材料及其应用技术的创新引领者丨安泰创明氢能技术的发展历程

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近室温固态储氢材料及其应用技术的创新引领者丨安泰创明氢能技术的发展历程

发布日期:2022-10-14 作者: 点击:

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【摘要】

安泰创明深耕固态储氢材料技术数十年,在常州研究院率先开发出固态储氢为氢源的燃料电池发电系统,成功应用于氢能助力车、氢能外卖车和氢能共享车,具有供氢系统压力低、储氢罐更换便捷、续航里程长、安全可靠等优势,国内首先推出固态储氢为氢源的氢能共享车示范工程项目,实现了市场机制下的商业运营模式。作为近室温固态储氢材料及其发电集成应用技术的国家队和创新引领者,目前承担国家和地方政府科技和示范工程项目25项,在固态储氢材料、氢能发电系统和氢能两轮车领域拥有系统的自主知识产权保护,已申请专利61项,其中发明专利34项。公司围绕固态储氢技术,将以突破氢的储运和储用产业链核心材料和应用为目标,加速研发与成果转化和产业化。致力于成为具有国际竞争力的固态储氢为氢源的燃料电池发电系统及其应用技术的供应商。


【正文】


江苏集萃安泰创明先进能源材料研究院有限公司(简称“安泰创明”)是由央企控股的上市公司安泰科技原研发中心骨干团队现金出资控股成立的高新技术企业,是常州市首批“新型研发机构”、“江苏省先进能源材料科技公共服务平台”、“江苏省关键新材料军民融合创新平台”和“江苏省潜在独角兽企业”。公司落户在常州国家高新区,依托雄厚的科研实力和优秀的人才团队优势,公司与省、市共建成为江苏省产业技术研究院“先进能源材料与应用技术研究所”。

公司拥有一支由多名留学归国博士和资深专家构成的高端人才研发团队和具有丰富市场和运营经验的管理团队,诚聘了14名院士和知名专家组成战略咨询委员会为公司决策提供咨询指导,并与国内知名大学、研究机构建立了战略合作伙伴关系。公司获得江苏省“双创团队”、4 名博士获得江苏省“双创人才”、2 名博士获得江苏省“333 高层次人才”、3 名博士获批常州市“领军型创新人才”、2名博士获批常州市“龙城英才计划”、8名科技和管理骨干被评为省产业技术研究院集萃研究员等。  


围绕“新能源材料技术与应用”,在节能材料、储能材料和发电材料等领域,公司承担着多项国家和省部级重点研发专项,取得了多项具有自主知识产权的科技成果,并成功应用于国家战略性新兴产业。


一、近室温固态储氢材料技术的国家队和创新引领者


1、“绿色氢能”——人类解决能源困局的终极能源


在众多清洁能源中,氢能资源丰富(约占宇宙总质量的75%)、热值高(汽油的3倍)、能效高、使用无污染,被视为理想的清洁能源。氢的用途非常广泛,既可通过燃烧产生热能,在热力发动机中转换为机械功,又可作为能源材料用于燃料电池,广泛应用于航空航天、交通运输、工业制造和节能建筑等行业,正逐步成为全球能源转型的重要载体;同时自然界中Z容易实现聚变反应的是氢的同位素(氘与氚),氢能技术或将引发继“钻木取火”、“蒸汽机”、“原子能”三次能源革命之后的第四次能源革命,成为人类解决能源困局的终极能源。发展氢能产业是我国实现“碳达峰”和“碳中和”目标的重要举措之一。

氢能创新和产业链涉及制氢、氢气储运和应用三大环节,技术领域不同,但在产业链条上互相紧密关联,其中氢气的储运承上启下,是氢能发展链条中的关键环节。在目前“气态、液态、固态”三大氢气储运技术中,固态储氢具有高安全、高体积储氢密度以及加氢站公辅设施投资低等优势,关键零部件可实现国产化,是Z具商业化发展前景的储运方式,可强有力支撑氢燃料电池在实际生产和生活中大规模应用。


2、“安泰创明”——固态储氢材料技术的国家队和创新引领者


深耕固态储氢材料技术数十年,安泰创明开发出稀土系AB5型储氢合金及相关衍生合金,吸放氢动力学优异、近室温放氢温度、良好的循环稳定及其批量化制备技术,已实现工业化生产和商业化应用。开发出常温AB2型储氢合金,高容量多元多相储氢合金新体系,室温可逆储氢容量可达到 1.8wt.%。突破了铸态、纳米晶和非晶A2B型Mg2NiH4基储氢合金成分体系、平面流快速凝固制造技术和氢气储运/储用的系统集成技术。在AB5型、AB2型和A2B型储氢合金精准专利布局,解析储氢合金吸放氢机理,为企业的发展夯实基础。


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图1储氢合金吸氢机理示意图


作为国家队和创新引领者,2019年~2022年期间,安泰创明承担了国家和地方政府各类科技项目25项,其中国家重点研发计划项目4项、国家自然科学基金4项、装备预研项目2项、江苏省先进能源材料科技公共服务平台项目和常州市科技计划项目等15项。

2019年5月18日,安泰创明储氢合金材料示范线投产仪式在常州滨江国际企业港隆重举行,年产能500吨,是国内首条规模化生产AB5型、AB2型和镁基储氢合金的生产线。储氢合金材料示范线的正式投产,是固态储氢技术产业化的一个重要里程碑。



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 图2 储氢合金材料示范线投产仪式


美国能源部车载储氢系统(DOE)的Z新目标:到2025年,储氢系统的储氢质量密度达到5.5wt.%、体积密度达到40 kg/m³;终极目标,在-40~85 °C温度与5~12 bar氢压条件下储氢系统的储氢质量密度达到7.5 wt.%、体积密度达到70 kg/m³。以传统的LaNi5H6为例,虽然质量储氢密度远低于高压氢及液态氢,但单位体积储氢密度是35MPa下气态氢的4倍左右,70MPa下气态氢的2倍左右,而且氢是以原子的形式储存在材料中,可以通过温度、压力等条件来控制放氢速度,具有高安全性。Mg基储氢合金等新型固态储氢材料是满足美国能源部储氢系统终极目标的唯一存储方式。

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图3  美国能源部终极目标和关键固态储氢材料体积和质量储氢密度


二、固态储氢燃料电池集成应用技术的创始者和资源整合者


1、固态储氢瓶——“固体油箱”


固态储氢瓶既是一个反应器,又是一个热交换器,是安全高能量密度“固态油箱”。安泰创明开发了固态储氢瓶系列产品和自动化生产技术,实现了储氢瓶自动化灌装、活化和封装。突破了储氢瓶氢热耦合热管理技术,开发了无热源供给、压力可控、宽温区、超高纯固态储氢瓶,实现1标升固态储氢瓶充氢压力小于1MPa,有效放氢55g,放氢流速2L/min可持续放氢达320min,氢气纯度99.999%,被科技日报赞誉为高纯氢“固态油箱”。

2、安泰创明——固态储氢燃料电池集成应用技术的创始者


公司在常州首创的固态储氢为氢源的氢燃料电池氢能助力车、氢能外卖车和氢能共享车,具有供氢系统压力低、储氢罐更换便捷、续航里程长、安全可靠等优势,实现系统集成模块化、整车控制智能化,成为经济社会绿色、低碳、环保、互联网+微出行的理想选择。

2020年1月5日,氢能助力两轮车实现1标升固态储氢瓶有效放氢55g,续航80km;2020年5月18日,氢能外卖车和氢能共享车双双问世,固态储氢瓶有效放氢110g,续航120km,标志着安全高能效固态储氢发电系统商业化。2021年5月26日科技日报刊登安泰创明专题报道,氢气变身“固态油箱”应用场景实现商业化,“固态储氢瓶压力仅相当于普通气球,作为一种便携产品,在便利店和超市可购买更换”,在氢能源圈引发极大关注。

“固态油箱”深受市场青睐,成为耀眼的明星:


亮点一:减排“神器


以运行10000公里一年测算,每辆氢能轻便型两轮车比轻便型电动两轮车CO2减排225.4kg,碳减排成效显著。


亮点二:超长续航


使用了两个以先进的固态储氢材料为核心的1标升固态储氢瓶,搭配了氢燃料电堆发电系统、控制系统、DC/DC转换器等辅助系统,每次放氢量为110g,续航里程长达120km。在结构上,储氢瓶隐藏在车架下管处,氢燃料电池系统则安装在坐垫下方,车辆运行过程中通过氢燃料转换电能为整车供电,具有长续航、轻量化、高安全等突出优势。


亮点三:便捷更换


未来,固态储氢瓶可以作为一种产品,在便利店或超市随处可以购买,也可以将使用完的氢能源空瓶放置存储箱,定期更换,大大增加出行效率。

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图4 氢能助力车


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图5 氢能外卖车


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图6 氢能共享车


3、安泰创明——固态储氢燃料电池集成应用技术的资源整合者


2022年,安泰创明固态储氢燃料电池应用走出常州、走向全国,通过技术输出、战略合作,与国内众多氢能知名企业开展了卓有成效的业务合作。

结合深圳市在氢能产业链的整体布局及龙华区对“全域未来城市场景试验”的规划,安泰创明与美团外卖合作在龙华区开展氢电自行车商业化应用示范场景,赋予Z经典、Z传统的短途交通工具“氢动力”,畅享“氢动力”短途微出行,独辟蹊径开展新国标氢电自行车区域示范运行,率先打造氢电外卖车示范应用的城市。


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图7  氢能共享车助力广东省第十三届中学生运动会


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图8  氢能共享助力广东省第七届少数民族运动会


结合韶关市政府与安泰创明签署的氢能战略合作协议,在氢能产业链整体布局,安泰创明充分发挥固态储氢领域的优势,率先在武江区全区域、生态景区进行氢能电动两轮车示范运营,打造节能、环保的“双碳”示范城市。2022年7月24日,百辆“氢哇出行”氢能两轮车首次助力广东省第十三届中学生运动会;2022年8月4日,氢能两轮车在广东省第七届少数民族运动会惊艳亮相。通过固态储氢的方式,让车辆彻底告别充电的束缚,为用户提供“氢”便服务,倡导绿色低碳新生活。在佛山,与某知名氢能企业开展了固态储氢瓶的战略合作。在北京、上海、成都、济南、青岛等城市与政府和多家优势企业签订了战略合作协议,开展以固态储氢作为氢源的燃料电池发电系统及其应用技术开发和示范应用工程。


三、创新催生知识产权——发明专利精准布局


随着材料技术、发电系统和应用技术的持续突破,2018~2022年,安泰创明在氢能方面申请发明、实用新型和外观专利合计61项,其中发明专利34项。发明专利涵盖储氢材料专利13项,储氢瓶专利8项,氢能助力车和氢电动车用发电系统应用专利13项,PCT 国际专利 3 项,覆盖美国、韩国及欧盟地区。其中,授权专利“一种氢能助力自行车”发明专利号(ZL202011139237.X);“一种基于低压固态储氢为氢源的氢能自行车”发明专利号(ZL201910877956.2)等形成了系统的自主知识产权保护,为氢能产业生态链健康有序发展保驾护航。2021年“氢燃料电池两轮车”荣获常州市创新创业大赛一等奖,入围第十届中国创新创业大赛全国赛。2022年6月,中国产学研合作促进会发布了安泰创明参与起草的T/CAB 0151-2022《电动两轮车用燃料电池动力系统技术要求》团体标准。


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图9 2018年~2022年氢能申请专利数量


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图片图片表1 2018~2022年安泰创明核心发明专利一览表 图片 


四、氢动力,赢未来


安泰创明通过不断的技术革新,降低氢电自行车用固态储氢燃料电池发电系统成本,Z终价格媲美锂电。未来,安泰创明在国家“2030重大科技项目”、国家“十四五”重点专项的大力支持下,将继续以突破氢的储运和储用产业链核心材料和核心技术为目标,重点在新型高容量储氢材料、燃料电池膜电极关键材料、工艺技术、检测评估、应用探索等多领域开展工作,加速氢科技前沿研发与成果转化和产业化。围绕固态储氢技术,从高端固态储氢材料、储运、储用、微出行、重卡等方面助推氢能产业链。公司将以固态储氢材料和技术为突破口,面向规模化“储运”技术用安全高容量储氢材料、面向全电氢电动车、叉车和轻型氢能源汽车“储用”核心产业链配套固态储氢材料为氢源发电系统,助推建设“碳达峰”和“碳中和”示范城市,成为氢能“储运/储用”创新引领者、资源整合者和价值创造者;面向氢能源产业发展重大需求,致力于成为具有国际竞争力固态储氢为氢源的燃料电池发电系统供应商。


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