中北大学“高效储制氢技术与应用山西省重点实验室”:打造国家级氢能技术创新高地
氢能来源丰富、绿色低碳,正逐步成为全世界能源转型发展的重要载体之一。我省风光资源丰富,可再次生产的能源装机量位居全国前列,在清洁低碳的氢能供给上具有巨大潜力。
当氢能成为能源转型的关键词,如何将我省资源优势转化为发展优势?近年来,中北大学“高效储制氢技术与应用山西省重点实验室”(以下简称实验室)科研人员进行了一系列卓有成效的探索。他们以氢能高效制储为突破口,加快氢能创新体系建设,强化全产业链技术攻关,以科研之力助力氢能产业“氢装”上阵。
日前,记者走进实验室,明白他们在制氢、储氢以及产业实践方面的探索和成就。
3月5日,实验室内,排列有序的仪器不停运转,一台电解水制氢装置正发出轻微的“滋滋”声,水中持续冒出小气泡。
这一幕看似简单,却是实践中制氢环节的核心场景之一。田真副教授介绍:“电解水制氢是在电流的作用下,通过电化学过程将水分子分解为氢气和氧气,分别在阴、阳极析出。这是绿氢生产的重要路径。但怎么来实现低成本、规模化制氢,同时解决储运问题,是产业高质量发展的难题。”
在削减制氢成本上,实验室引入新研发的高效催化剂,明显提升了电解水制氢核心部件——膜电极的工作效率。通过对材料和工艺的精心雕琢,膜材料及器件的稳定性与耐久性大幅增强。“我们通过技术方法持续提升膜的导电率,以达到商业用膜的标准。目前项目团队已拥有多项专利,并联合企业入驻了‘晋创谷’,所研发膜材料的性能指标在行业内同种类型的产品中处于领先水平。”王超教授说。
“氢气易燃易爆,密度极小,液化临界温度亦低,成为横亘在氢气储存与运输环节的难题。”刘长城副教授说,团队开发了系列固态材料来实现氢气储存。在此过程中,储氢材料宛如一个“充电宝”,不仅仅可以蓄存富余能量,还可实现远距离输运,并在需要时高效可控释放能量。不过,活泼且丰盈的氢气若要转变为便于携带的“充电宝”,还需经历一次形态上的关键转换。
经过多次攻关,目前实验室已成功开发出高活性镁基储氢材料助力氢气储存,制备工艺流程短、成本低,能够适配不同应用场景。
“团队已具备固态储氢材料吨级/年的规模化量产能力,形成了从材料设计制备到系统集成优化的一系列专利技术成果,并成功应用于百瓦级至千瓦级燃料电池系统,目前已在应急电源、无人机等场景展开产品设计,可显著提升系统的储氢密度、安全性与便携性。”项目负责人张钊副教授说,氢气高效固态储存和低温可控释放,为氢能产业的落地应用开辟了新路径。
实验室里一次次技术上的突破与革新,为山西氢能产业的强链之路不断夯实基础,提供源源不断的智力支撑。
近五年,中北大学氢能研发团队勇挑重担,承担国家重点研发计划等各类科研项目超40项。在成果转化方面成绩斐然,申请发明专利50余项,实现科研成果产业化落地及专利转化10余项。去年,实验室再度发力,一举攻克200千瓦级氢电混合动力系统应用关键技术,持续推动技术迭代升级……
实验室主任郭丽表示:“团队能取得今日的成就,缘于我省良好的氢能产业高质量发展环境、丰厚的产业实践、学校集群式科研平台及稳定的研究团队。”
能源革命进程中,我省稳步推进氢能全产业链发展。鹏飞集团建立了氢能供应、车载储氢、燃料电池系统、加氢综合站等氢燃料电池汽车产业链,晋南钢铁构建了“制、储、运、加、用”全链条氢能生态体系……氢能产业领域丰富的场景和实践中的难题,为展开科学研究提供了广阔的空间。目前,中北大学在氢能技术领域已形成“材料研发—装备设计—系统集成”的全产业链研究能力。
秉持人才是第一资源的理念,中北大学加快布局氢能学科群,抢占产业高质量发展“风口”,搭建平台练“氢功”。面向国家重大需求和山西产业转型发展的迫切需求,该校积极开展前瞻性、系统性基础应用研究,先后建立“高效储制氢技术与应用山西省重点实验室”“氢能炭基电极材料山西省重点实验室”“山西省高纯氢制备工程研究中心”“山西省氢能与燃料电池联合实验室”等研究平台,研究方向涵盖电解水制氢、氢气纯化、固态储氢、氢燃料电池和氢气安全等领域。
紧扣国家“双碳”战略需求,中北大学专门新设新能源科学与工程和新能源材料与器件两个专业。学校依托我省唯一的动力工程及工程热物理一级学科博士点,构建起本硕博贯通培养体系,为能源领域输送急需人才。如今,学校已形成相对完整的雁阵型人才教育培训、科研和教学体系,队伍结构符合常理、稳定,并在长期合作基础上围绕主要研究方向形成若干活跃的创新团队,为服务国家能源转型战略提供了强有力的人才支撑和智力保障。
实验室的科研工作者,大多数来源于中北大学能源与动力工程学院。近年来,该学院将产学研合作及成果转化视为关键发展路径,鼓励科研人员主动出击,与企业携手开展协同创新,大力推进实验成果转化工作,助推能源产业实现转型升级。
去年,学院先后与山西文龙中美环能科技股份有限公司、山西开源益通矿业设备制造有限公司、山西金宇科林科技有限公司、山西成城科技有限公司等企业建立了合作伙伴关系,进行技术攻关和产品研制。多人入选山西省科技副总项目,助力企业科学技术创新和产品研制。科研团队与开封国信新材料有限公司深度合作,共同致力于高性能硅碳负极材料的研发。在双方的不懈努力下,该项目现已顺利通过中试阶段,成功迈向规模化生产阶段,为能源领域带来新的突破与变革。
“氢能安全贯穿制、储、运、用全产业链条,风险隐蔽性强,事故连锁反应快。当下,我国已建成加氢站超400座,安全技术升级迫在眉睫。”黄鹊副教授的话语中满是紧迫感,她表示,“氢能发展,安全必须先行,如今正从被动处置迈向主动防御。”针对行业痛点,该团队从危险源辨识、可燃混合气体燃爆机理分析、气体实时在线监测等角度攻关,打造出“监测—阻断—应急”三位一体的安全技术矩阵,致力于全链条破解氢能安全难题。
中北大学能源与动力工程学院党委书记胡向明表示:“如今氢能产业高质量发展条件逐步成熟,产业在核心技术体系建设、产品研究开发以及减少相关成本方面已取得不少突破。我们将以打造国家级氢能技术创新高地为目标,慢慢地增加基础研究和示范应用,与产业各界携手并进,一起迎接氢能规模化应用大时代的到来。”
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