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一种新型储氢容器

时间:2007-1-27栏目:石油能源论文

  一、前言
  随着社会的发展,环境保护问题已经越来越为人们所重视。酸雨、温室效应、城市热岛效应等等
  或初露倪端,或已对人类造成巨大的危害,这些环保问题的产生在很大程度上与人类大量使用化石能
  源有关。同时,由于能源消耗量的迅猛增加,化石能源将不能满足经济高速发展的需求,需要开发新
  的能源。在我国开发清洁的新能源体系更具有重要意义。
  氢可以地球上近于无限的水为原料来制备,其燃烧产物也是水,具有零污染的优点,有望在石油
  时代末期成为一种主要的二次能源。氢能技术的发展,已在航天技术中得到了成功的应用。
  氢是一种危险,易燃易爆的气体,在使用中必须保证安全,因此,一种安全、高能量密度(包括体积能量密度和重量能量密度)、低成本、使用寿命长的氢储、输技术的应用需求已越来越迫切。
  二、目前主要的储氢方式
  近年来研究较多的储氢方式有:(1)金属氢化物储氢;(2)液化储氢;(3)吸附储氢;(4)压缩储氢。
  2.1金属氢化物储氢
  氢和氢化金属之间可以进行可逆反应,当外界有热量加给氢化物时,它就分解为氢化金属并释放
  出氢气。用来储氢的金属大多是由多种元素构成的合金,目前世界上研究成功的合金大致分为:(1)稀土镧镍,每公斤镧镍合金可储氢153L;(2)铁钛合金,储氢量大,价格低月在常温常压下释放氢;(3)镁系合金,是吸氢量最大的元素,但需要在287℃条件下才能释放氢,而且吸收氢十分缓慢;(4)钒、铌、铅等多元素系,这些金属本身是稀贵金属,因此只适用于某
  些特殊场合。
  与其它储氢方式相比,金属氢化物储氢具有压力平稳,充氢简单、方便、安全等优点,单位体积贮氢的密度,是相同温度、压力条件下气态氢的1000倍。该储氢方式存在的问题为在大规模应用中如
  何提高储氢材料的储氢量和降低材料成本,节约贵重金属。国际能源机构确定的未来新型储素材料的标准为储氢量应大于5Wt%,并且能在温和条件下吸放氢。根据这一标准,目前的储氢合金大多尚不能满足这一性能要求。
  2.2液化储氢
  将氢气冷却到-253℃时氢气即可液化。液氢储存方式的质量能量密度最大,是一种轻巧紧凑的方式。但氢气液化成本高,能量损失大(氢液化所需能量为液化氢燃烧产热额的30%),且存在蒸发损
  失。液氢贮存工艺首先用于宇航中,但需要极好的绝热装置来隔热,才能防止液态氢不会沸腾汽化,
  导致液体贮存箱非常庞大。
  2.3吸附储氢
  C.CarPetis和W.Peschka是首先提出在低温条件下氢气能够在活性炭中吸附储存的两位学者。他们提出可以考虑将低温吸附刘运用到大型氢气储存中,并研究得到了在温度为-195℃和-208℃,压力为0-4.15MPa时,氢在多种活性炭上的吸附等温线:压力为4.2MPa时,氢气在活性炭上的吸附容量分别可以达到6.8wt%和8.2wt%在果等温膨胀到0.2MPa,则吸附容量为4.2wt%和5.2wt%。
  在一个最近的研究中,Hynek在27℃和-83℃条件下测试了一系列吸附剂,如活性炭、碳黑、碳气凝胶
  以及碳分子筛等。测试结果为:在0-20MPa压力范围内,随着压力的增大,吸附剂的储氢量只有少
  量的增加。
  目前吸附储氢材料研究的热点是碳纳米材料。由于碳纳米材料中独特的晶格排列结构,其储氢数量大大的高过了传统的吸附储氢材料。碳纳米管产生一些带有斜口形状的层板,层间距为0.337um,而分子氢气的动力学直径为0.289um,所以碳纳米管能用来吸附氢气。另外,由于这些层板之间的氢的结合是不牢固的,压力降低时能够通过膨胀来释放氢气。1998年,清华大学开始了储氢材料领域的研究,试验发现:在常温下,碳纳米管吸氢速度很快,可在3-4个小时内完成,放氢可以在0.5-1小时内就可完成,储氢能力达到了9.9Wt%。但是碳纳米管用作商业储氢材料还有一段距离,批量生产碳纳米管的技术尚不成熟,且价格昂贵,还需在储氢机理、结构控制和化学改性方面做更深人的研究。
  2.4压缩储氢
  压缩储氢方式是将氢气以气态形式压缩储存于高压容器中,可在常温下使用。目前压缩储氢方式所采用的压力一般不超过35MPa,但”氢动3号”氢燃料电池动力轿车上所安装的储氢罐储氢压力高达70MPa。
  三、压缩路方式的优、缺点
  与金属化合物储氢、液化储氢和吸附储氢方式相比,压缩储氢是一种应用广泛、简便易行的储氢
  方式,而且压缩储氢方式成本低,充放气速度快,充放气在常温下就可进行。
  丰田FCHV-4型燃料电池车采用4个高压储罐,每个高压储罐的容积为34L,压力为25MPa,重量100Kg左右,与采用吸附氢气的方式相比,总重量减轻2/3,氢气燃料的充气时间只需7-8分钟。
  压缩储氢方式的缺点为能量密度低,当提高容器内氢气压力时,需要消耗较多的压缩功,而且存
  在氢气易泄漏和容器爆破等不安全因素。
  为汽车提供动力是氢能的一个重要应用领域。假定(1)轿车的油耗为5升/100公里,续驶里程为
  400公里,则需消耗汽油15Kg;(2)质子交换膜燃料电池的氢气利用率为100%,行驶400公里需要3.54Kg氢气。采用金属化合物储氢方式,合金的储氢能力为2Wt%;吸附储氢方式,碳纳米管的储氢能力按8Wt%,碳纳米管的填装比重为0.85;压缩储氢方式,氢气压力为30MPa。各种储氢方式数
  据对比如表1所示:

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