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        超臨界氫存儲技術(shù)的研究進展

        2022-06-08 10:37:50王利峰張笑宇楊樹林宋雨欣張螢瑩郭燁宏
        能源研究與信息 2022年1期
        關(guān)鍵詞:氣態(tài)儲氫碳納米管

        王利峰,陳 曦,張笑宇,楊樹林,宋雨欣,張螢瑩,郭燁宏

        (上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,上海 200093)

        據(jù)美國石油業(yè)協(xié)會研究,目前全球化石燃料存儲量只夠使用數(shù)百年,同時化石燃料燃燒時會產(chǎn)生大量有害氣體,加劇溫室效應(yīng)。氫氣作為一種清潔能源,燃燒熱值高,比內(nèi)能約為1.25×10kJ·kg,此外,還具有儲量豐富、來源廣泛、制取方法多等優(yōu)點,因此將氫能作為替代能源是一種理想選擇。為實現(xiàn)將氫能作為能源載體,亟需解決以下三個問題:氫的廉價制取、安全高效儲運以及大規(guī)模應(yīng)用。其中,安全高效儲運問題是現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中一個巨大難題。表1為美國能源部設(shè)定的儲氫系統(tǒng)階段化實用目標(biāo)。

        表1 美國能源部設(shè)定的儲氫系統(tǒng)階段化實用目標(biāo)Tab.1 Targets of hydrogen storage system based on real-world experience from Department of Energy, United States of America

        氫氣的常規(guī)儲存方法主要有氣態(tài)儲存、液態(tài)儲存、固態(tài)儲存三種方式。氣態(tài)儲氫是目前應(yīng)用最廣泛的儲存方法,具有成本低廉、簡單易行等優(yōu)點,但需要厚重耐壓容器且易發(fā)生泄露;液態(tài)儲氫安全性較好,循環(huán)性能優(yōu)良,但亦有儲存成本昂貴、技術(shù)復(fù)雜等缺點;固態(tài)儲氫主要通過物理吸附作用或化學(xué)反應(yīng)將氫氣儲存于固體材料中。

        超臨界氫是研究人員在液氫研究基礎(chǔ)上,提出的一種新型儲運形式。就存儲性能和安全水平而言,超臨界儲氫已被證明是非常有前景的。本文通過對目前國內(nèi)外超臨界氫存儲技術(shù)的調(diào)研,綜合分析超臨界氫存儲方法,探討其未來可能的發(fā)展方向。

        1 氫的物性及超臨界儲氫

        圖1為氫的相位圖。由圖中可知:在極低溫下氫以固態(tài)形式存在;在三相點和臨界點之間為液態(tài)氫,密度約為70.8 kg·m;當(dāng)壓力和溫度均超過臨界點時氫處于超臨界狀態(tài),即為超臨界氫。其中臨界點壓力為1.296 MPa,溫度為33.15 K,密度為29.77 kg·m。不同溫度、壓力下氫的密度如圖2所示。

        圖1 氫的相位圖Fig.1 Phase diagram of hydrogen

        圖2 不同溫度、壓力下氫的密度Fig.2 Hydrogen density at different temperature and pressure

        與高壓氣態(tài)氫相比,超臨界氫存儲密度更大,且不受加注時溫升的影響,有利于提高氫能利用效率;液氫存儲時需要外部耗能將氫氣降溫至20.0 K,而超臨界儲氫不需要20.0 K低溫,因此節(jié)約能源,同時避免了液氫蒸發(fā)所造成的一系列問題。3種儲氫方法主要性能對比如表2所示。

        表2 3種儲氫方法主要性能對比Tab.2 Comparison of main performance among three hydrogen storage technologies

        2 超臨界氫存儲技術(shù)

        2.1 超臨界吸附儲氫

        超臨界吸附儲氫使用多孔固體吸附劑吸附儲氫。圖3為常溫下壓縮儲氫與77 K液氮溫度下吸附儲氫密度曲線。由圖中可知,當(dāng)存儲壓力為4.0 MPa時,液氮溫度下吸附儲氫密度可達37.5 g·L,而常溫壓縮儲氫密度僅為 4.0 g·L,即吸附儲氫密度可達壓縮儲氫密度的9倍。

        圖3 常溫下壓縮儲氫與77 K吸附儲氫密度曲線Fig.3 Density curves of compressed hydrogen storage at room temperature and adsorption hydrogen storage at 77 K

        超臨界吸附儲氫常用的吸附材料有四類:碳基吸附材料、金屬有機骨架化合物(MOFs)、共價有機物骨架(COFs)及礦物多孔材料。儲氫技術(shù)實現(xiàn)規(guī)?;瘧?yīng)用需同時滿足以下3個基本條件:吸放氫條件溫和、儲氫容量大及成本低。氫氣在碳基吸附材料上的吸附過程屬于物理吸附,沒有化學(xué)鍵的打開與生成,故而吸放氫條件溫和;經(jīng)氣體吸附實驗測定,碳基吸附材料吸附容量巨大,以活性炭為例,其比表面積為3 000.0 m·g;碳基吸附材料化學(xué)穩(wěn)定性好,在較高溫度下解吸再生,其晶體結(jié)構(gòu)無變化,可重復(fù)使用,經(jīng)濟性好,因此,碳基吸附材料儲氫被認為是目前最具前景的儲氫方式之一。

        碳基吸附儲氫材料有活性炭、碳納米管和碳纖維三種?;钚蕴坎牧峡紫督Y(jié)構(gòu)發(fā)達、比表面積大且吸附性能優(yōu)良。周亞平等首次利用自主研制的大容量超低溫恒溫槽,在77~298 K、0~7 MPa范圍內(nèi)系統(tǒng)研究了氫在超級活性炭AX-21上的吸附特性,實驗結(jié)果如圖4所示。Zhou等提出在液氮溫度下對活性炭進行壓縮吸附儲氫,并通過之前實驗數(shù)據(jù)證明該方法可以提高儲氫密度,同時可以減小存儲系統(tǒng)壓力,提高安全性。Jiménez等研究了活性炭、活性碳纖維、碳納米纖維的吸附特性;3種材料物性如表3所示,其中活性炭微孔面積和微孔容積最大,由吸附儲氫機理可知其儲氫性能最優(yōu)。Benard等提出在低溫下使用活性炭儲存氫氣,并對比研究不同溫度(77.0、150.0、293.0 K)下活性炭吸附儲氫與氣態(tài)儲氫密度,結(jié)果表明,在低溫下活性炭吸附儲氫性能優(yōu)于氣態(tài)壓縮儲氫。

        表3 3種儲氫材料的性能對比Tab.3 Comparison of the performance among three hydrogen storage materials

        圖4 氫在AX-21上的吸附等溫線Fig.4 Adsorption isotherms of hydrogen on AX-21

        碳納米管是一種具有完整分子結(jié)構(gòu)的納米尺度新型碳材料,由石墨的一層碳原子卷曲而成的無縫、中空管體。Dillon等研究了單壁碳納米管(SWNTs)儲氫性能,此后更多學(xué)者對碳納米管儲氫進行了深入、廣泛的研究。Zhang等研究了不同尺寸碳納米管的儲氫性能,發(fā)現(xiàn)碳納米管尺寸是影響其儲氫性能的一個重要因素。Poirier等研究了單壁碳納米管和金屬有機骨架(MOF)在77.0~300.0 K范圍內(nèi)的吸附性能,發(fā)現(xiàn)在77.0 K下單壁碳納米管最大過量吸附范圍為1.5%~2.5%(質(zhì)量分數(shù))。為了提高碳納米管儲氫性能,相關(guān)學(xué)者利用金屬元素和碳納米管摻雜以改變碳納米管電子結(jié)構(gòu)來提高其儲氫量,此外碳納米管陣列排布亦能明顯提高其儲氫能力。表4為不同材料的儲氫性能的研究結(jié)果。

        表4 不同材料的儲氫性能Tab.4 Hydrogen storage performance by different materials

        2.2 低溫壓力容器儲存超臨界氫

        Aceves等提出使用低溫壓力容器儲氫,通過分析低溫壓力容器中氫能損失情況,發(fā)現(xiàn)相較于液態(tài)儲氫,低溫壓力容器儲氫可以延長氫能穩(wěn)定時間并減小蒸發(fā)率,而且低溫壓力容器可以用液態(tài)氫或氣態(tài)氫進行燃料供應(yīng),因此具有廣闊的應(yīng)用前景。表5為燃料電池客車不同儲氫方法性能對比。由表中可以看出,低溫壓力容器儲存超臨界氫的性能要顯著優(yōu)于高壓氣態(tài)儲氫。

        表5 用于燃料電池客車的低溫壓力容器儲氫和高壓氣態(tài)儲氫性能對比Tab.5 Comparison of hydrogen storage performance between cryogenic pressure vessel and highpressure hydrogen for fuel cell bus

        目前,對于低溫壓力容器儲存超臨界氫的研究主要包括儲氫性能、熱動力學(xué)評估、安全可靠性。

        在儲氫性能方面,Aceves等對車用低溫壓力容器儲存超臨界氫系統(tǒng)進行研究,分析低溫壓縮儲氫的可行性與優(yōu)勢,證明低溫壓縮存儲系統(tǒng)可以獲得高密度氫,并從車載性能、安全性、儲氫成本等方面對低溫壓力容器進行研究,結(jié)果表明低溫壓力容器具有很大的安全優(yōu)勢且成本較低。Ahluwalia等主要從性能和成本兩個方面對用于汽車的低溫壓縮氫存儲系統(tǒng)進行評估,結(jié)果表明第三代低溫壓縮氫存儲系統(tǒng)重量儲氫密度可達 5.5%,體積儲氫密度可達 41.8 g·L。趙延興等提出在低溫高壓下儲存超臨界氫,并通過分析儲氫密度和能耗等因素,得到幾組較好的儲氫參數(shù),結(jié)果如表6所示。

        表6 推薦的幾組低溫高壓儲氫參數(shù)Tab.6 Hydrogen storage recommendations at low temperature and high pressure

        在熱動力學(xué)評估方面,Ahluwalia等設(shè)計出動力學(xué)模型,用于分析加氫、放氫時低溫壓力容器中氫所處狀態(tài)。Petitpas等基于集中參數(shù)熱力學(xué)模型對低溫壓縮儲氫和低溫吸附儲氫兩種方法進行對比:分別確定其對應(yīng)的最優(yōu)方案,探討將低溫壓縮和低溫吸附結(jié)合組成“混合”系統(tǒng),該系統(tǒng)將更為有效地提高儲氫密度和延長穩(wěn)定時間。

        作為有前景的商業(yè)化儲氫技術(shù),需要對低溫壓力容器的安全可靠性進行全面研究。Petitpas等對低溫壓力容器發(fā)生故障的情況進行建模分析,結(jié)果表明相較于高壓氣態(tài)壓縮氫,低溫壓力容器內(nèi)超臨界氫膨脹時的關(guān)鍵參數(shù)(如壓力、能量釋放速率等)都大大減小,因此具有一定的安全優(yōu)勢。在此基礎(chǔ)上他們繼續(xù)分析在氫氣突然泄露時產(chǎn)生的爆裂能量,發(fā)現(xiàn)該能量和溫度有很大關(guān)系,相較于常溫高壓儲氫,低溫壓縮儲氫泄露時產(chǎn)生的爆裂能量可以降低90%以上,所以低溫壓縮儲氫可以大大降低氫氣泄漏時的安全隱患。

        3 總結(jié)與展望

        超臨界吸附儲氫具有吸放氫條件溫和、儲氫容量大和成本低等特點。目前,國內(nèi)外眾多學(xué)者已在超臨界吸附儲氫技術(shù)上取得一定成果。若要繼續(xù)提高吸附儲氫性能,未來可從兩方面進行改進:一方面開發(fā)新穎的超臨界氫吸附材料,獲得性能更加優(yōu)良的材料;另一方面改進和完善工藝方法,對吸附和解吸氫氣過程中涉及到的系統(tǒng)不斷進行工藝改進與完善。

        低溫壓力容器能夠儲存高密度氫,相較于高壓氣態(tài)儲氫和低溫液態(tài)儲氫均具有顯著優(yōu)勢。未來,若要實現(xiàn)低溫壓力容器儲氫技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用,主要可從兩方面進行完善:一方面提高系統(tǒng)安全性,通過降低壓力來提高系統(tǒng)安全性,同時延長系統(tǒng)穩(wěn)定時間;另一方面降低低溫壓力容器制造成本。

        此外,將低溫壓縮和低溫吸附結(jié)合起來成為具有更高儲氫密度和穩(wěn)定時間的“混合”系統(tǒng),也極可能會成為未來超臨界儲氫領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向。雖然目前氫能存儲技術(shù)還不夠成熟,但是隨著科學(xué)技術(shù)和儲氫材料不斷發(fā)展,氫能在不久的未來一定會得到廣泛應(yīng)用。

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