燃料电池氢气储存装置

燃料电池氢气储存装置

一、要求

储氢标准中的体积密度(kgH2/m3)和储氢质量百分比(wt%)是最主要的衡量储氢效果的标准,吸放氢过程的可逆性亦是衡量储氢方法的重要指标。总的来说就是尽量在环境温度以及小体积、质量的储存系统和相对小的压力下能存很多氢气,还有就是系统充、放氢气要很快,使用寿命也是个标准。[1]

二、主要方法

a)高压气态存储

高压气态储氢是目前应用最广泛储氢方式，简便易行而且成本较低，充放氢迅速，且在常温下就可进行。高压钢瓶是常用的储氢容器，其储存压力一般为12～15MPa。目前，储存压力在20MPa以下的压缩技术已经比较成熟，但储氢质量效率还比较低。近年来开发了一种由纤维复合材料组成的新型耐压储氢容器，其储氢压力可达80MPa。这种耐压容器是由碳纤维、玻璃、陶瓷及金属组成的薄壁容器，储氢质量容量可达5%～10%。但这类高压钢瓶须配备特殊的减压阀及控制阀门才能使用。高压压缩储氢应用广泛、简便易行，而且压缩储氢成本低，充放气速度快，常温下就可进行。压缩储氢的缺点是能量密度低，当增大容器内气体的压力时，需要消耗较多的压缩功，而且存在氢气易泄漏和容器爆破等不安全因素。氢气还可以像天然气一样使用巨大的水密封储存罐在低压下储存，此方法适合大规模储存气体时使用，由于氢气的密度太低，所以应用不广。[2]氢燃料电池作为交通工具的动力来源，要具有长途续航能力，还要经受各种路况，因此高压气态存储有待进一步发展，应着重从两个方面着手：第一，寻找高强度的钢瓶合金材料，提高钢瓶单位质量的储氢量；第二，提高高压氢气存储的安全性。[3]

b)液态存储

液化储氢是一种深冷的氢储存技术。氢气经过压缩之后，深冷到－252℃或以下而变为液氢，其比容要缩小800多倍，密度大大提高，是气态氢密度的845倍。这样，对同等体积的储氢容器，其储氢量大幅度提高。若仅从质量和体积上考虑，液化储氢是一种极为理想的储氢方式。但是氢的液化面临两个主要难题:

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一是氢气的深冷液化能耗高，理论上液化1kg氢气约需耗电4kWh，占1kg氢气自身能量的10%，而实际上约为此值的3倍，即占液化氢能的30%;二是液氢的储存和保养问题，由于液氢储器内的温度与环境的温差大［(253±25)℃］，给液氢的保冷、防止挥发、储存器材料和结构设计、加工工艺等提出了苛刻的要求，液氢储存容器必须使用耐超低温的特殊容器，需用多层、绝热的真空夹套结构;三是液氢在绝热不完善时导致蒸发损失，因而其储存成本较高。[2]

液化储氢特别适用于储存空间有限的场合由于目前液态储氢技术还不够成熟，成本高，危险系数高，难以作为汽车的燃料电池得以广泛应用。

c)金属氢化物储存

金属氢化物储氢是刚发展起来的储氢技术，目前应用正在逐步增多，其原理是把氢气以金属氢化物形式储存在合金中。一个理想的储氢金属氢化物应具有如下特性:[2]

(1)储氢量大;(2)氢化物的离解热和生成热小;(3)吸氢和放氢时的平衡压力和温度变化平缓;(4)化学稳定性好;(5)成本低，使用寿命长;(6)使用安全性好。

目前，常用的储氢合金和纯金属主要有Ｍｇ、ＦｅＴｉ、ＭｇＮｉ等，其中以Ｍｇ的质量储氢密度最高，达到了７．６５％；其次是ＭｇＮｉ，达到了３．６％。通过比较发现，通过金属氢化物储氢可以得到相对于高压气态储氢较高的质量储氢密度，而且也相对安全一些。但是储氢合金的储氢条件较为苛刻，放氢需较高的温度，吸放氢动力学性能差，储氢量相对较低，但合金类储氢材料较易大规模生产，成本较低，因此综合考虑，金属氢化物储氢的应用前景很广。[3]

三、总结

氢气的储存知道现在也没有一个理想的解决办法，但是，我们有理由相信随着社会的进步，科学技术的发展，人们肯定会发明创造出较为理想的氢气储存装置来克服现有的储存装置的种种不足。现将几种储氢方法总结如下：

几种储氢方法比较[2]

方法储氢质量效

率/%

体能量密度

/kg·L^-1

主要评价

高压储氢0.7~10 0.015 技术成熟，应用广泛

液化储氢14.2 0.04 技术成熟，广泛应用于大型储存，但能耗高。金属氢化物储氢 3 0.028 价格昂贵，适合小型系统

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参考文献

[1] 杨志冠储氢研究进展概况文章编号:1001-3679(2005)02-0191-06 JIANGXI SCIENCE Vol.23 No.2 Apr,2005;

[2] 沈承，宁涛燃料电池用氢气燃料的制备和存储技术的研究现状中图分类号: TM911．4 文献标识码: A 文章编号:1004－3950( 2011) 01－0001－07;

[3] 冯小保黄明宇问朋朋贾中实倪红军燃料电池车及车用燃料电池的发展现状及展望Vol.42No.1 2013年1月。

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