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《换热器设计对固态贮氢装置性能的影响》

  • 来源专题：可再生能源
  • 编译者： 董璐
  • 发布时间：2015-08-04

  • 热交换器的设计在固态贮氢装置的性能中起着重要的作用。在本研究中，着重观察圆柱形储氢装置的嵌入式环形热交换器。用存储设备的三维数学模型来研究金属氢化物吸附性能（MH）。该装置的原型制作的材料为MH合金，合金重1公斤。在氢的稳定供应的压力测试重验证了仿真结果。通过改变不同的操作参数，如氢气供给压力和冷却流体温度和速度检查，存储装置的吸收特性得以体现。吸收过程中完成时间为18分钟。该实验研究了铜翅片的几何参数（如穿孔、数量、厚度等），并对其吸收过程进行了研究。

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  • 《发展固态储氢材料 让氢能利用叫好又叫座》
    • 来源专题：能源情报网信息监测服务平台
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2021-12-27
    • 装上2个小巧的氢气罐，电动自行车就可以行驶120公里；氢气用完也无须担心，街头巷尾的便利店就能购买更换；氢气罐即使破损也没有危险，罐子里倒出来的全是合金粉末…… 这可不是什么科幻片里的场景，而是江苏某企业在2021第二十届中国北方国际自行车电动车展览上，展示的两款采用氢能源作为发电系统的样车。 近几年来，以固态储氢为能源供应的大巴车、卡车、冷藏车、备用电源等在我国相继问世。虽然只是试验示范项目，但还是在氢能源圈内引发了极大的关注。 固态储氢改变氢气高密度储存和安全应用两个难题，究竟是如何实现的？氢气的储运难题一旦获得解决，氢能源将在哪些领域发挥作用？带着这些问题，科技日报记者5月22日采访了江苏省产业技术研究院集萃先进能源材料与应用技术研究所所长周少雄博士。 存储和运输问题影响了氢能利用 化学元素氢（H），在元素周期表中位列第一，是所有原子中最小的。 但这个无色无味的“小家伙”却是宇宙中最常见的元素，氢及其同位素占到了太阳总质量的84%，宇宙质量的75%都是氢。 “我们现在还生活在碳时代，但是在未来，氢能将是举足轻重的能源。”周少雄告诉记者，氢资源丰富，可以由水制取，氢供给燃料电池的产物还是水，不仅是世界上最干净的能源，还能实现能源物质循环利用、可持续发展。 当前，我国正面临着能源安全和碳排放两大挑战，在碳中和、碳达峰的目标下，必须调整当前过度依赖化石能源的能源结构，而将氢能纳入整个能源体系中，有助于改善我国的高碳能源结构，保障能源安全。 但是，从人类认识到氢气可以燃烧至今，已经过去200多年，氢能的高效利用仍然进展缓慢。 “氢能的利用，涉及制氢、储运、应用3个环节，其中高密度安全储运氢是主要的瓶颈问题。”周少雄说，氢在通常条件下以气态形式存在, 且易燃、易爆、易扩散，这就给氢的储存和运输带来了很大的困难。 目前，氢气的储运主要分为气态、液态和固态3种方式。 气态储氢较为常见，可分为低压和高压两种。过去，街头巷尾卖气球的小贩，会载着一个大钢瓶，这就是低压储氢罐。而高压气态储氢最高气压可达70兆帕，目前我国常见的高压储氢气压也达到35兆帕，这就对压力容器提出了极高要求，目前高压储氢罐采用碳纤维制造，成本极高且要消耗较大的能源进行压缩。 氢气在一定的低温下，会以液态形式存在。因此，可以将氢气压缩、冷却实现液态储存。常温、常压下液氢的密度为气态氢的845倍，但低温液态储氢不经济。氢气液化要消耗较大的冷却能量，而且必须使用超低温用的特殊容器，目前仅在储存空间有限的场合使用，如火箭发动机等。 与化石能源或电力等其他非化石能源相比，氢能由于尚未很好地解决储运问题，所以一直处在叫好不叫座的尴尬境地。因此，开发新型高效的储氢材料、安全的储氢技术对氢能的开发利用至关重要。 含镁固态储氢系统成本接近锂电池 “固态储氢相对于高压气态和液态储氢，具有体积储氢密度高、工作压力低、安全性能好等优势。”周少雄介绍，固态储氢是未来高密度储存和安全氢能利用的发展方向。 固态储存需要用到储氢材料，目前技术较为成熟的储氢材料主要是金属合金。 储氢合金一般由两部分组成，一部分为吸氢元素或与氢有很强亲和力的元素，它控制着储氢量的多少，是组成储氢合金的关键元素，主要包括钛、镁等；另一部分是吸氢量小或根本不吸氢的元素，常见的有铁、镍等。 这些合金材料与氢气在低温的条件下发生化学反应，氢气在其表面分解为氢原子。合金材料内部有大量细微的晶格，氢原子扩散进入到晶格内部空隙中，形成金属氢化物。 想要把氢原子“释放”出来也很简单，只需施加一定热量，储氢材料就可以析出氢气。 周少雄告诉记者，目前他们开发的低温固态储氢材料可以存储其体积上百倍的氢气，因而其储氢密度比液氢还高。这些合金材料性能非常稳定，不会燃烧爆炸，可逆性好，重复使用不低于5000次。 “以我们开发的一种新型储氢材料为例，主要成分是镁和稀土元素镧、铈等，在炉中熔化冶炼，冷却成型，再破碎成粉末就可以了。”周少雄说，镁是自然界普遍存在的一种元素，镧、铈在稀土元素中储量丰富，因此综合成本已逼近锂电池。 近年来，世界各国在固态储氢应用和新型储氢材料的研发上取得了诸多进展，成熟的储氢材料已在热电联供、储能、车载燃料电池氢源系统等多个领域得到应用，德国一家公司甚至将固态储氢系统用于燃料电池潜艇中。 据周少雄介绍，他们最新研制的含镁储氢材料，储存容量可达每立方米110千克，远超美国能源局提出的储氢“终极目标”，但是制约其应用的是放氢温度过高，需要达到250℃以上。目前，科学家正通过各种方法来调控其热力学、动力学和循环寿命性能，希望可以早日实现商用。 氢气变身“固态油箱”或改变未来能源格局 日本丰田、韩国现代等企业投入巨资、耗时数十年研发氢能源汽车，但受制于加氢站建设的瓶颈，市场推广并不顺利。 “由于氢能储运问题没有解决，燃料电池成本较高，所以氢能源汽车还处在政府补贴、示范运行的阶段。”周少雄说，当固态储氢材料得到发展后，氢能利用将会有极大地改变。 比如，将固态储氢装置与燃料电池一体化集成，可充分利用燃料电池余热，吸热放氢，降低系统热能消耗，使得整个燃料电池动力系统的能源效率得以提高。 “目前，我们已建成国内唯一一条年产800吨储氢材料的生产线，并与九号公司、永安行等企业开展合作，推出固态储氢动力系统的摩托车、电动自行车等。”周少雄告诉记者，低温固态储氢材料技术成熟，成本可控，整套装置全部实现国产化，无需政府补贴也可以实现商业化应用。 周少雄介绍，他们开发的以固态储氢为氢源的百瓦级氢燃料电池发电系统，只需55克氢气就能驱动自行车行驶80公里，而这55克氢气就储存在一个普通矿泉水瓶大小的罐子里，储氢压力仅相当于普通气球。 周少雄大胆预言：“固态储氢罐可以做成像干电池一样的产品，未来可在便利店或超市随处购买，也可以将使用完的氢能源空瓶放置存储箱，由快递员每日更换。” 未来，解决了储运难题，氢能的应用不仅是备受关注的燃料电池汽车，还包括氢能发电、工业应用及建筑应用等，不仅可以作为建筑热电联供电源、微网的可靠电源与移动基站的备用电源，还能够与数字化技术结合，让以固态储氢为氢源的氢燃料电池动力系统在无人驾驶、军用单兵、深海装备等诸多领域发挥重要作用。
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  • 《镁基固态储氢材料 能否成下一个储能风口？》
    • 来源专题：能源情报网信息监测服务平台
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2023-02-18
    • 镁基储氢材料是金属固态储氢材料中储氢密度最高的材料。 面对能源安全、环境保护等压力，氢能有望在能源转型过程中扮演重要角色，氢能作为目前最具潜力的二次清洁能源在我国能源转型中将占据重要地位。而每当聊起氢能源，有一个重要话题总是“如影随形”：储存和运输是氢气大规模应用的前提。 在氢气制、储、运、加、用的产业链环节中，储、运环节是高效利用氢能的关键，也是影响氢能走向产业化的重要环节。高效安全的储能技术是全球新能源开发与应用的重大技术瓶颈。氢能的安全高效储存和运输对国家氢能战略意义重大，特别是对燃料电池汽车、风能光能产业、电力行业、航空航天等领域有重要的直接应用价值。 镁基储氢材料是金属固态储氢材料中储氢密度最高的材料。随着近几年全球镁及镁合金的研究呈现爆发式增长，我国也已经成为全球重要的镁生产国、应用国和研究国，在国际上具有一定的技术优势。 镁基储氢材料将迎来怎样的市场发展空间？我国又如何在这个新领域持续保持领先优势？今天，请随《中国科技信息》一起来聊聊这些问题。 最有发展潜力的固态储氢材料之一 目前主要的氢储运方式分为气态储氢、液态储氢和材料储氢。与气态储氢和液态储氢相比，固态储氢既可以大幅提高体积储氢密度，又可以提高储运氢的安全性，因此，寻找性能优越、安全性高、价格低廉且环保的储氢材料是当前固态储氢研究的关键。 将眼光投向广阔的自然界中，某些金属具有很强的捕捉氢的能力，在一定的温度和较低的压力条件下，这些金属能够大量“吸收”氢气，反应生成金属氢化物，同时放出热量。其后，将这些金属氢化物加热，它们又会分解，将储存在其中的氢释放出来，可实现上万次循环充放氢。这些会“吸放”氢气的金属，即为固态储氢材料。 如此看来，固态储氢具有储氢密度高、成本低、安全稳定和使用周期长等特点，而金属镁在储氢研究领域具有成本低、质量轻、无污染等优点，被认为是最有发展潜力的固态储氢材料之一。专家认为，镁基储氢材料是金属固态储氢材料中储氢密度最高的，一旦大规模应用，将根本上改变传统储能模式中效率低、成本高、安全性差等问题。 成本低、优点多 镁基储氢材料极具应用前景 那么，镁基储氢材料具体有哪些优势？首先，它具有储氢量高、镁资源丰富以及成本低廉等优点，被认为是极具应用前景的一类固态储氢材料。我国在镁资源方面非常有优势，全球大概90%的镁都是生产于中国，镁年产量占全球85%以上，原料来源丰富且成本低，不存在材料被“卡脖子”的问题。因此，镁系储氢合金适合用于氢气的规模储运应用场景，可用于氢冶金、规模储能、加氢站等应用场景的氢气储存与运输。 此外，镁的性能非常好，储氢密度非常高，可以实现长循环寿命。具体来看，镁储氢密度是气态氢的1000倍、液态氢的1.5倍。由于镁及镁金属是常温常压，所以安全性远高于气态和液态储氢。此外，镁储氢还可纯化氢气。据悉，镁固态储氢材料在储氢过程当中可以转化为99.999%的绿氢。镁本身也是绿色制氢材料，如果把镁和水相结合，1克镁相当于2升氢气，它的储氢率可以达到15.2%。 其次，用镁合金来储存氢的技术可以应用到交通领域，如汽车、摩托车等。普通汽车的油箱储油量相当于5公斤至6公斤的氢产生的能量，需要80公斤至90公斤的镁合金容器，这与普通油箱的重量差不多，但体积较小。用氢作为动力并不是通过燃烧氢来获得，而是把氢直接转化为电能，进而为汽车提供动力。汽油燃料的效率在20%-30%，而氢通过能源电池直接转换为电能，效率可达70%-80%。 目前国内外正在开发面向应用场景的Mg基固态储运氢技术，但技术水平仍处于产业化初期阶段，仍需解决材料的规模低成本制备、大容量储氢罐设计、高温余热耦合集成等技术，实现储氢合金的高效安全吸放氢。 镁基储氢可能成为电池领域的颠覆者 目前，储能行业虽然热度高涨，但资源有限、成本高、安全性问题没有根本解决仍是制约行业发展的难题，尤其是锂离子电池资源短缺、安全隐患、污染等问题凸显。同时，数字显示到2050年，可再生能源装机容量可以比2020年增加10倍，需要大量的能源储存，按照目前的储能量远远不够，现有储能技术遇到了严重的瓶颈。 相比而言，镁电池成本低、安全性高、燃料密度与锂电池相当，业内认为镁基储氢可能成为电池领域的颠覆者。例如，作为负极来说，镁电池是现在商用锂电池负极的6倍。在市场上可以看到，目前已经有不少企业入局镁基固态储氢材料领域，相继取得进展。镁基固态储运氢技术的发展，将为未来中国能源体系变革、交通运输方式低碳化转变奠定基础。 根据中国氢能联盟预计，到2025年我国氢能产业产值将达到1万亿元；到2050年氢能在我国终端能源体系中占比超过10%，产业链年产值达到12万亿元，这将对镁基储氢材料提出了大量市场需求。专家表示，镁领域技术一旦成熟，将带领镁产业由目前的百亿级市场直接升级为万亿级市场。
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