一種新型儲氫容器

1、一種新型儲氫容器一、前言隨著社會的發(fā)展，環(huán)境保護問題已經(jīng)越來越為人們所重視。酸雨、溫室效應(yīng)、城市熱島效應(yīng)等等或初露倪端，或已對人類造成巨大的危害，這些環(huán)保問題的產(chǎn)生在很大程度上與人類大量使用化石能源有關(guān)。同時，由于能源消耗量的迅猛增加，化石能源將不能滿足經(jīng)濟高速發(fā)展的需求，需要開發(fā)新的能源。在我國開發(fā)清潔的新能源體系更具有重要意義。氫可以地球上近于無限的水為原料來制備，其燃燒產(chǎn)物也是水，具有零污染的優(yōu)點，有望在石油時代末期成為一種主要的二次能源。氫能技術(shù)的發(fā)展，已在航天技術(shù)中得到了 成功的應(yīng)用。氫是一種危險，易燃易爆的氣體，在使用中必須保證安全，因此，一種安全、高能量密度（包括體積能量密度和重

2、量能量密度）、低成本、使用壽命長的 氫儲、輸技術(shù)的應(yīng)用需求已越來越迫切。二、目前主要的儲氫方式近年來研究較多的儲氫方式有：（1）金屬氫化物儲氫；（2）液化儲氫；（3） 吸附儲氫；（4）壓縮儲氫。2.1金屬氫化物儲氫氫和氫化金屬之間可以進行可逆反應(yīng)，當外界有熱量加給氫化物時，它就分解為氫化金屬并釋放出氫氣。用來儲氫的金屬大多是由多種元素構(gòu)成的合金，目前世界上研究成功的合金大致分為：（1）稀土鑭鎳，每公斤鑭鎳合金可儲氫 153L; （2）鐵鈦合金， 儲氫量大，價格低月在常溫常壓下釋放氫；（3）鎂系合金，是吸氫量最大的元素， 但需要在287C條件下才能釋放氫，而且吸收氫十分緩慢；（4）釩、鈮、鉛等多

3、 元素系，這些金屬本身是稀貴金屬，因此只適用于某些特殊場合。與其它儲氫方式相比，金屬氫化物儲氫具有壓力平穩(wěn)，充氫簡單、方便、安全等優(yōu)點，單位體積貯氫的密度，是相同溫度、壓力條件下氣態(tài)氫的1000倍。 該儲氫方式存在的問題為在大規(guī)模應(yīng)用中如何提高儲氫材料的儲氫量和降低材料成本，節(jié)約貴重金屬。國際能源機構(gòu)確定 的未來新型儲素材料的標準為儲氫量應(yīng)大于5Wt%，并且能在溫和條件下吸放氫。根據(jù)這一標準，目前的儲氫合金大多尚不能滿足這一性能要求。液化儲氫將氫氣冷卻到-253C時氫氣即可液化。液氫儲存方式的質(zhì)量能量密度最大， 是一種輕巧緊湊的方式。但氫氣液化成本高，能量損失大（氫液化所需能量為液 化氫燃燒產(chǎn)

4、熱額的30%）,且存在蒸發(fā)損失。液氫貯存工藝首先用于宇航中，但需要極好的絕熱裝置來隔熱，才能防止 液態(tài)氫不會沸騰汽化，導致液體貯存箱非常龐大。吸附儲氫和是首先提出在低溫條件下氫氣能夠在活性炭中吸附儲存的兩位學者。他 們提出可以考慮將低溫吸附劉運用到大型氫氣儲存中，并研究得到了在溫度為 -195C和-208C，壓力為0 4. 15MPa時，氫在多種活性炭上的吸附等溫線：壓 力為4. 2MPa時，氫氣在活性炭上的吸附容量分別可以達到 6 . 8wt%和8 . 2wt% 在果等溫膨脹到0. 2MPa則吸附容量為4. 2wt%和5. 2wt%。在一個最近的研究中，Hynek在27C和-83C條件下測試

5、了一系列吸附劑，如活 性炭、碳黑、碳氣凝膠以及碳分子篩等。測試結(jié)果為：在 0 20MPa壓力范圍內(nèi)，隨著壓力的增大，吸 附劑的儲氫量只有少量的增加。目前吸附儲氫材料研究的熱點是碳納米材料。由于碳納米材料中獨特的晶 格排列結(jié)構(gòu)，其儲氫數(shù)量大大的高過了傳統(tǒng)的吸附儲氫材料。碳納米管產(chǎn)生一些帶有斜口形狀的層板，層間距為0. 337um而分子氫氣的動力學直徑為0.289um 所以碳納米管能用來吸附氫氣。另外，由于這些層板之間的氫的結(jié)合是不牢固的， 壓力降低時能夠通過膨脹來釋放氫氣。1998年，清華大學開始了儲氫材料領(lǐng)域 的研究，試驗發(fā)現(xiàn)：在常溫下，碳納米管吸氫速度很快，可在3 4個小時內(nèi)完成，放氫可以在

6、0. 5 1小時內(nèi)就可完成，儲氫能力達到了 9. 9Wt%但是碳納 米管用作商業(yè)儲氫材料還有一段距離， 批量生產(chǎn)碳納米管的技術(shù)尚不成熟， 且價 格昂貴，還需在儲氫機理、結(jié)構(gòu)控制和化學改性方面做更深人的研究。壓縮儲氫壓縮儲氫方式是將氫氣以氣態(tài)形式壓縮儲存于高壓容器中，可在常溫下使 用。目前壓縮儲氫方式所采用的壓力一般不超過 35MPa但”氫動3號”氫燃料 電池動力轎車上所安裝的儲氫罐儲氫壓力高達 70MPa二、壓縮路方式的優(yōu)、缺點與金屬化合物儲氫、液化儲氫和吸附儲氫方式相比，壓縮儲氫是一種應(yīng)用 廣泛、簡便易行的儲氫方式，而且壓縮儲氫方式成本低，充放氣速度快，充放氣在常溫下就可進行。豐田FCHV-

7、4型燃料電池車采用4個高壓儲罐，每個高壓儲罐的容積為34L， 壓力為25MPa重量100Kg左右，與采用吸附氫氣的方式相比，總重量減輕2/3， 氫氣燃料的充氣時間只需7 8分鐘。壓縮儲氫方式的缺點為能量密度低，當提高容器內(nèi)氫氣壓力時，需要消耗 較多的壓縮功，而且存在氫氣易泄漏和容器爆破等不安全因素。為汽車提供動力是氫能的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域。假定（1）轎車的油耗為5升 /100公里，續(xù)駛里程為400公里，則需消耗汽油15Kg；（2）質(zhì)子交換膜燃料電池的氫氣利用率為100%,行駛400公里需要3. 54Kg氫氣。采用金屬化合物儲氫方式，合金的儲氫能力為 2Wt% ;吸附儲氫方式，碳納米管的儲氫能力按

8、8Wt%碳納米管的填裝比重為0. 85;壓縮儲氫方式，氫氣壓力為30MPa各種儲氫方式數(shù)據(jù)對比如表1所示：美國能源部制訂的儲氫材料標準是 65Kg/m3（包括儲氫淑）和6. 5wt%， 由表1數(shù)據(jù)可以看出，壓縮儲氫方式兩項指標均未達到標準。 按國內(nèi)外現(xiàn)有氣瓶 性能計算，采用北京科泰克科技有限責任公司的 CFPIII404 200 20C型鋁膽復 合氣瓶。氣瓶質(zhì)量為64. 5Kg，容積為200L，儲氣壓力為20MPa其儲氫的質(zhì)量 能量密度為5. 2wt%，體積能量密度為17. 4Kg/m3b指標也未達到要求。四、改進型儲氫容器通過上述數(shù)據(jù)可知，雖然壓縮儲氫方式應(yīng)用廣泛，但在有限容積內(nèi)儲氫量小。若

9、要提高容器的儲氫能量密度，則需提高氫氣的壓力，現(xiàn)有容器已不能滿足要求。以表1中數(shù)據(jù)為例，如要滿足美國能源部對儲氫材料體積能量密度大于 65Kg/m3的要求，壓縮儲氫系統(tǒng)的體積不能 大于56L，壓縮氫氣的體積不能大于 50L，則氫氣的壓力高達79MPa因此需要 開發(fā)一種新型容器來作為壓縮儲氫系統(tǒng)的儲存容器。常規(guī)的復合容器為在一個金屬內(nèi)膽或塑料內(nèi)膽上纏繞纖維制成，內(nèi)膽主要 起密封作用，纖維纏繞層承受絕大部分載荷。因為塑料內(nèi)膽存在滲漏問題，當用作氫氣的儲存容器時 都采用金屬內(nèi)膽的復合容器金屬內(nèi)膽用作儲氫容器時存在以下問題：（1）內(nèi)膽腐蝕和氫脆，特別是當 存儲的氫氣含有腐蝕性介質(zhì)時，問題更為突出，對氫

10、氣純度要求高；（2）疲勞，儲氣系統(tǒng)需要重復克裝氫氣，對容器的疲勞壽命要求高，但金屬內(nèi)膽的疲勞性能 不好；（3）在高壓情況下，金屬內(nèi)膽的復合容器也存在氫氣滲透問題。將壓縮儲氫方式和吸附儲氫方式相結(jié)合，充分利用各自的優(yōu)點，制造全復 合材料容器，則可較好的解決上述問題。夾層板具有重量輕、剛性好、強度高的優(yōu)點，利用夾層板來作為復合容器 的內(nèi)膽，可以提高容器的強度，減少纖維纏繞量，降低系統(tǒng)重量，提高重量能量 密度。同時因為復合材料的高耐腐蝕能力和抗疲勞性能，利用夾層板來作為復合 容器的內(nèi)膽，大大提高了復合容器的使用壽命。碳凝膠是一種類似泡沫塑料的物質(zhì)，特點是具有超細孔，大表面積，并且有一個固態(tài)的基體。這種材料具有納米晶體結(jié)構(gòu)，試降果表明，在8. 3Mpa的條件下，其儲氫量可達 3. 7wt%。在夾層板的芯板中充填進這種吸附材料，容器 內(nèi)部氫氣被壓縮到碳凝膠的微孔中，由氣態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，大幅度降低了夾層板外表 板處的氫氣壓力。此時在夾層板外表板處采取常規(guī)密封措施就可防止高壓氫氣泄 漏的發(fā)生。以夾層板為內(nèi)膽的復合容器，其內(nèi)膽的加工成本校金屬內(nèi)膽低，質(zhì)量容易 控制，成品率高，但咀部密封的難度較高。經(jīng)計算，對于采用夾層板為內(nèi)膽的復 合容器，容積為50L,工作壓力為80MPa寸，容器質(zhì)量為50K其質(zhì)量能量密度 和體積能量密度分別為：和/m3 （計算未包括碳凝膠吸附氫的質(zhì)量）