氢动力具有清洁低碳、高能量密度、续航里程长等优点,在交通领域已形成规模性发展趋势。在氢能产业发展过程中,氢气的储存与运输是连接上游制氢和下游用氢的关键环节;目前氢气的储运有高压气态、液态和固态3种方式。其中,固态储氢具有体积储氢密度高、安全性好、储存时间长等优势,被认为是最有发展前景的储氢技术。
1、固态储氢发展如何?固态储氢是指利用材料对氢气的物理吸附和化学吸附作用将氢气存储在固体材料中。
金属氢化物吸/放氢原理图
2、与其他储氢方式相比,固态储氢最显著的两个优势: 1)体积储氢密度高。以MgH2储氢为例,其体积储氢密度可达106kg·m3,为标准状态下氢气密度的119倍,70MPa高压储氢的2.7倍,液氢1.5倍。 2)安全性能好。固态储氢可在常温常压下进行,储罐易密封,在突发事件下即使发生氢气泄漏,储罐也可自控式地降低氢气泄漏速度和泄漏量,为采取安全措施赢得宝贵时间。 (1)一般地,根据吸附原理,固态储氢材料分为物理吸附储氢材料和化学吸附储氢材料。物理吸附机制是指通过范德华力将氢分子可逆地吸附在比表面积高的多孔材料。物理吸附储氢材料包括碳基材料(如石墨、活性炭、碳纳米管)、无机多孔材料(如沸石)和金属有机骨架化合物(MOFs)等。由于大多数物理吸附类材料在较低的温度下才能达到一定的储氢密度,常温常压下吸氢量很低,因此限制了其应用。 (2)化学吸附机制中,氢一般是以离子键或共价键与其他元素结合,生成金属氢化物等材料,在一定条件下可逆地吸收和释放氢气。化学吸附储氢材料主要包括金属氢化物(如LaNiH、MgH)、配位氢化物(如NaAIH)、化学氢化物(如NHBH)等;目前以金属氢化物最为成熟。同时,金属氢化物储氢材料极为丰富,包括镁系、钛系、钒系、稀土系及锆系等。
3、固态储氢应用场景:应用方面,当前固态储氢的应用可分为固定式应用和移动式应用。 1)固定式应用场景包括分布式供能、电力调峰电站、应急备用电源、制氢或用氢现场缓存等领域。固态储氢装置可将氢气进行长时间的常温常压储存,使用时,可利用燃料电池重新将氢气转化为电能供应,或直接释放氢能供应。固定式应用对固态储氢系统的重量要求不高,但对储氢系统的安全性、寿命和成本提出了较高要求。 2)移动式应用包括车(船)载储氢、运氢等领域的应用。移动式应用的需求与固定式应用不同,需要特别关注固态储氢系统的重量以及储氢罐体与系统间的热交换。在移动应用中,热交换剂必须控制在最低限度,热交换装置应尽可能紧凑和有效。
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