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车载燃料电池储氢技术现状及发展方向

                        车载燃料电池储氢技术现状及发展方向
                                 秦忠海1胡三清1岳勇2
1.长江大学化学与环境工程学院湖北荆州434000;2.中国石油安全环保技术研究院北京100083
    【摘要】本文对比了当前车载燃料电池的储氢技术,包括低温液态储氢、高压气态储氢、金属合金储氢、吸附储氢及有机液体储氢等并指出了超级活性炭吸附储氢是未来储氢技术的发展方向。
    【关键词】车载 燃料电池 储氢 超级活性炭
    车载燃料电池的氢能发电系统以其高效率、高可靠性、良好的工作环境和操作性能,在为汽车提供动力方面具有得天独厚的优势,成为当前车用动力系统领域研究的热点之一[1]。
    1·车载氢储存系綂概述
    车载燃料电池安全应用的最重要环节是氢储存系统,这个系统的研发也是车载燃料电池技术在实际中应用的难点之一。对于车用氢存储系统,世界能源署提出的基本要求是[2]:质量储氢密度最小为5wt%,体积储氢密度最小为5.0kg/m3,放氢温度要低于423K,循环寿命要超过1000次;而美国能源部(DOE)提出的要求则是[3][4]:质量储氢密度不能低于6.5wt%,体积储氢密度不能低于6.2kg/m3。为了达到这一目标,研究人员进行了大量的研究。现如今,氢的储存方案主要包括低温液态储氢、高压气态储氢、金属合金储氢、吸附储氢和有机液体储氢等5种形式。
    低温液态储氢一般用在高新科技等用氢量大、国防或高投资领域;高压气态储氢用于用氢量不大的领域,而对于大规模应用还存在很大的困难;有机液体储氢由于对其机理还不完全清楚、吸放氢的工艺还不成熟,还需要进行更深入的研究;而由于金属合金自重的原因,虽然金属合金储氢的体积储氢量很大,但其重量储氢量太低,这阻碍了金属合金储氢的发展;而对于超级活性炭吸附储氢,由于现在的研究表明其在重量储氢和体积储氢方面都具有很大优势,虽然吸附储氢还没有实际应用,但却是现如今最具前景的储氢方式。
    2·超级活性炭储氢研究现状
    超级活性炭由于具有高的比表面积和多孔结构,使其具有储氢容量大、吸放氢条件温和等良好的储氢性能,越来越受到世界各国科研工作者的关注。早期的一些研究表明[12]:在吸附压力为4.2MPa时,78K下的吸附氢量可达6.8wt%,而68K则达8.2wt%。当放氢压力为0.2MPa时,释放出的氢量分别为4.2wt%和5.2wt%;美国Schwarz J A等[13]人经过大量研究,得到的最好储氢效果是在87K、59atm的条件下,超级活性炭的储氢吸附量为4.8wt%,这个数据已经接近世界能源署提出的基本要求,但是由于其实现温度过低,限制了其进一步的应用。
    为了提高活性炭储氢的温度,不外乎进一步提高超级活性炭的性质,即研究具有更高比表面积和更发达空隙的超级活性炭。而我国学者在吸附储氢方面也有深入研究,走在了世界的前列:天津大学周理教授[14]使用美国Amoco公司生产的高比表面积活性炭AX-21,并测量其在0-7MPa、77K-298K大范围内氢气在超级活性炭的吸附等温线,根据其测得的结果发现在77K下,AX-21的吸氢量可达到26nmmol/g;周理教授[16]还对超级活性炭吸附储氢技术进行了评价,最后认为吸附储氢在重量、体积和经济方面都有很大的优势,是未来重点研究方向;詹亮等[15]用自制的高硫焦制得的比表面积为3886m2/g的超级活性炭,通过对其吸附性能进行研究发现,在293K、5MPa的条件下,高硫焦超级活性炭的储氢质量分数能达到1.9wt%;而在93K/6MPa条件下,这种超级活性炭的储氢质量分数达到9.8wt%,其脱附速率也达到95.9%,这已经符合美国能源部的储氢要求了,虽然达到较好吸附效果的温度比其他人高,但还是处于低温,其进一步应用也受到了影响。
    制造超级活性炭的原料价格低廉且资源丰富,用超级活性炭储氢具有良好的前景,但目前距离其用作商业储氢材料还需要一段时间的研究,主要原因在于对超级活性炭储氢结构、化学改性和环保的成产超级活性炭方面还需做更深入的研究,并且由于超级活性炭储氢基本是在低温环境下进行的,所以如果算上低温槽后成本升高很多,这也是限制活性炭储氢应用的一个重要因素,故迄今为止尚未上车试用,所以研究更适合储氢用的超级活性炭势在必行。
    3·总结
    氢的高效储运是氢能大规模应用的前提,许多国家对储氢材料和技术的研究都极为重视。现在虽然在各国科学家的努力下取得了一些成绩,但是大多数还是停留在实验室,距离工业化生产还有很远的距离,由于吸附储氢尤其是超级活性炭储氢具有较大的优势,今后科研人员还要对此进行更加深入的研究,为早日安全高效利用氢能打下基础。
参考文献
[1]王金全,孙琮琮,徐晔.PEMF氢能发电现状与展望[J].中国电力,2006
[2]方守狮,董远达.高容量贮氢材料的最新进展[J].自然杂志,2001
[3]陈长聘,王新华,陈立新等.燃料电池车车载储氢系统的技术发展与应用现状[J].太阳能学报,2005
[4]陈进富,赵永丰,朱亚杰.贮氢技术及其发展现状[J].化工进展,1997
作者简介:秦忠海(1987-),硕士研究生,就读于长江大学化学工艺专业,现在中国石油安全环保技术研究院环保所实习,从事油气田环境保护研究工作。


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