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氢能操作与高外貌活性炭吸附储氢技能

发布日期:2018-10-19 04:17 来源:活性炭网编辑整理 作者:活性炭网 浏览数:

氢能是指氢燃烧释放的能量.氢的燃烧有两种方法:热化学方法和电化学方法.尽量产品都是水,但因前者是在高温下释放

利用氢能的日子并不遥远
氢能是指氢燃烧释放的能量.氢的燃烧有两种方法:热化学方法和电化学方法.尽量产品都是水,但因前者是在高温下释放能量,有大概陪伴少量氮氧化物生成;后者是在常温下释放能量,产品只是水,因此是对情况没有任何污染的零排放(zero emission)进程.氢能的电化学释放进程是在氢燃料电池中完成的.以氢燃料电池驱动电念头的氢能汽车是真正的无污染的绿色汽车(ZEV).就与情况的干系而言,任何其它"情况友好"汽车都不能与这种汽车对比美,因此都属于在不长时间内的过渡车型.我国倘能在氢能汽车上迎头遇上世界先历程度,不单可节减用于开拓其它过渡车型的大量资金,并且对付加快提高国度的整体科学技能程度,都有重要意义.
近几年,氢能汽车的样车在发家国度相继问世.之所以未在市场畅通,是因为价值比市场风行汽车跨越近1倍.但这个价值差距并不大,说明氢能汽车畅通的日子并不遥远.氢能汽车的要害技能环节有2个:储氢与燃料电池.车用氢燃料电池技能在发家国度已臻成熟,我国的技能程度间隔实用另有差距.但氢气在车上的储存技能,纵然是发家国度也还没有得到满足的办理.合金储氢技能,无论在单元合金重量的储氢容量方面,照旧在吸放氢条件的温和水平方面,均不适于氢能的局限化储存与运输.早期的氢能汽车回收压缩储氢步伐,在车上安排20~25MPa压力的氢力钢瓶,占用的空间和自重都是严重问题.近期的氢能汽车储存液氢.氢气液化本钱很高,相当于耗损了1/3的液化氢气[1].液氢温度约-250℃,蒸发损失也不小.今朝的氢能汽车,储氢部门的本钱约占总本钱的一半.低落储氢本钱,将使氢能汽车畅通时间大大提前.
除氢能汽车外,便宜的大局限氢能储运技能,将使氢能的遍及操作当即成为现实.在炼油,炼焦,氯碱,化肥等多种家产部分副产大量含氢气体,从中提取纯氢的技能也是成熟的,只是因为没有适宜的大局限储存与运输氢气的技能,副产的氢气没有被有效操作.我国每年如此烧掉或放空的氢气至少在1010标立米以上[2].若在天然气中掺入15%的氢气,作为内燃机汽车燃料,则可办理天然气汽车的功率下降问题,并可使都市大气污染问题办理的难度大为低落.
由此可见,如能提供利便,便宜的大局限储存与运输氢气的技能,则大量地利用氢能快要在来日诰日.
吸附储氢技能崭露头角
作为局限化的实用储氢技能,必需具备吸放氢条件温和,储氢容量大和本钱低3个根基特征.金属合金储氢的机理是,首先打开联络两氢原子的化学键,然后氢原子与合金晶格中的金属原子形成氢化物键.放氢时,则需首先打开氢化物键,释放出氢原子,然后两个氢原子团结为氢分子.由于涉及到化学键的打开与形成,吸放氢条件难以"温和".譬喻,镁基合金的吸放氢温度为300℃.与此对比,氢气在基质料上的物理吸附,是基于浸染力弱得多的van de Waals力,没有联络原子的化学键的打开与生成进程,因此吸放氢条件必需温和,吸附热效应也相对较小.
作为储氢容量指标,国际能源机构认为必需高出5wt%.除镁基合金外,其它储氢合金皆不能到达此容量.而基质料的储氢容量却不难高出这一指标.个中储氢容量最大的吸附质料是碳纳米管,已被证实的储氢容量是10wt%[1],可是批量出产碳纳米管的技能尚不成熟,其昂贵的价值使其不具备实际应用代价;可大局限出产的碳基储氢质料是超等活性炭活性炭纤维.二者的储氢容量临近,但后者本钱约低10倍.因此,在高比外貌积的超等活性炭上吸附储氢,具有吸放氢条件温和,储氢容量较大,本钱低的根基素质,揭示出办理局限储氢问题的但愿.
超等活性炭吸附储氢的基本数据
在国度自然科学基金的支持下,笔者研究了超临界氢在高比外貌积活性炭(亦称为超等活性炭)上的吸附特性,测定了77~298K温度范畴和0~7MPa压力范畴内的系列吸附等温线[3].功效表白,在2~4MPa压力下吸附即达饱和,说明吸附储氢的压力不高;吸附量随温度的下降增长很快,说明吸附储氢适宜低温.最便宜的冷源即是液氮(<1 600元/吨).下面将液氮温度(77K)下的吸附储氢量与压缩储氢量做一较量.
图1中曲线1为按照298K差异压力下的氢气密度计较的压缩储氢量,氢气的压缩因子由三阶维里方程计较.曲线2为77K氢气在活性炭上的吸附等温线,表白在77K恒定温度下氢气吸附量随压力的变革.这里取活性炭的堆密度为500g/L.500克活性炭的最大氢气吸附量为26.7克,仅仅按氢气的吸附量计较,储氢容量已经到达5.3wt%,高出了国际能源机构确定的5wt%的尺度.可是,在1升装满活性炭的容器空间中的实际储氢量不只仅是吸附量,尚有活性炭原子骨架外空间中的压缩储氢量,使得总的吸附储氢量大大高出吸附量.现以1升容器空间为基准,试算个中的压缩储氢量和总的吸附储氢量.1升容器中填弃500克活性炭.凡是认为活性炭的"真密度"与石墨沟通,即2.2g/cm3.则500克炭骨架占据的空间为500/2.2/1 000=0.227升,骨架周围的旷地体积为1-0.227=0.773升.按照77K氢气的压缩因子计较出77K氢气密度随压力的变革,进而计较出差异压力下在0.773升旷地体积中的压缩储氢量.将此值与曲线2出的吸附量相加,获得1升容器空间中储存的氢气总量,如图中曲线3所示.在吸附量到达最大点的4MPa压力下,1升容器空间的总储氢量为37克,重量基准的储氢容量到达7.4wt%.纵然在2MPa压力下,储氢容量也有100×(30.3/500)=6.1wt%.
图1 77K吸附储氢与常温压缩储氢的较量
吸附储氢技能的可行性评价
基于以上的基本数据,我们针对在局限储氢用途中最体贴的几个问题接头吸附储氢技能的可行性.
1.储氢设备的体积和重量
对付载重400公斤的5座轿车,若每百公里耗油6升,则对付500公里的额定行程耗油30升.在回收氢燃料电池的环境下,完成同样行程只需4公斤氢气[4].若回收常温压缩储氢技能,氢气压力20MPa,则储存4公斤氢气的容器体积为280升.若回收以液氮为冷源的吸附储氢,在4MPa压力下的容器体积为108升,装填54公斤活性炭.由于氢气压力低落了4/5,器壁厚度可低落,容器重量的淘汰亦可补充附加的活性炭重量;而容器所占据的空间淘汰了61%.
2.经济指标
与压缩储氢对比,压力低落了4/5,大大节减了氢气压缩本钱,而且节减了对高压氢气压缩机的投资本钱.与液氢对比,节减了氢气液化本钱.而且,情况温度和放氢气化引起的蒸发损失,都是耗损液氮而不是液氢,故其本钱比之液氢大为低落.至于增加的活性炭用度,因属于设备投资,其利用寿命愈长,在氢气本钱中占据的份额愈小.储氢活性炭的寿命是无限的.超等活性炭的本钱约为活性炭纤维本钱的1/10,且可以大局限出产.
3.吸放氢条件
氢气在活性炭上的吸附是一种物理均衡.温度恒按时,加压吸附(吸氢),减压脱附(放氢).从实测吸附等温线看,脱附线与吸附线重合,没有滞留效应.即在给定的压力区间内,增压时的吸氢量与减压时的放氢量相等.吸氢与放氢仅仅取决于压力的变革,因此吸放氢条件十分温和.
此后的研究事情将致力于改进活性炭对氢气的吸附机能,以及活性炭的机器加工机能,研究吸附储氢罐的布局,材质和灌注技能,实车考查吸附储氢技能对车辆事情情况的适应性.
参考文献
[1]"Hydrogen energy Technologies",Emerging Technology Series,Prepared for UNIDO by T. Nejat Vaziroglu and Frano Barbir,United Nations Industrial Development Organization,Vienna,1998
[2]鲍德佑.氢能的最新成长.新能源,16(3):1-3,1994
[3]周理,周亚平.关于氢在活性炭上吸附特性的尝试研究.中国科学,26(5):473-480,1996
[4]B.Duret and A.Saudin,Int.J.Hydrogen Energy,19(9):757-764,1994
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