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氢的储运加注氢能技术应用专业教学资源库
3.1氢气的储存3.1.1储氢概述 3.1.2气态储氢 3.1.3液态储氢 3.1.4固态储氢 3.1.5各类储氢方式对比
3.1.1储氢概述储氢技术是氢气从生产到利用过程中的桥梁。氢的储存方式根据其存在状态可以分为三大类:气态储氢、液态储氢和固态储氢。其中,固态储氢方式很多,分为物理吸附储氢、金属氢化物储氢、复杂氢化物储氢、直接水解制氢(即储氢与产氢一体化)等多种类型。开发不同储氢方式的宗旨是在安全且经济的情况下,尽可能降低氢气的体积,获得高的体积储氢密度和质量储氢密度。我国未来的储氢技术向着高密度、轻量化、低成本和多元化发展,了解不同的储氢技术,以便根据不同的应用场景合理选择储氢方式。
3.1.2气态储氢(1)高压气态储氢高压气态储氢技术比较成熟,是目前我国最常用的储氢技术。高压气态储氢即通过高压将氢气压缩到一个耐高压的容器中,高压容器内氢以气态储存,氢气的储量与储罐内的压力成正比。氢气在常温常压状态下密度仅为0.083kg/m3,质量能量密度约为142MJ/kg,随着压力从0.1MPa增加到70MPa,氢密度从0.083kg/m3增加到40kg/m3,体积能量密度从11.8MJ/m3增加到5637.4MJ/m3。通常采用气罐作为容器,简便易行,其优点是存储能耗低、成本低(压力不太高时),且可通过减压阀调控氢气的释放,因此,高压气态储氢已成为较为成熟的储氢方案。缺点是能量密度低,同时氢气压缩耗能较高,且高压储氢容器造价相对昂贵。
3.1.2气态储氢(2)氢脆现象压力容器的氢脆现象又称为白点,是指容器壁受到氢的腐蚀,造成材料的塑性和强度降低,并因此而导致的开裂或延迟性的脆性破坏,是氢原子与金属相互作用而导致金属失效现象的总称。氢脆现象是由于材料缺陷中存在氢引起,通常表现为延展性、韧性等机械性能的下降。金属材料氢脆主要表现为韧性降低、疲劳裂纹扩展速率加快、氢致开裂应力强度因子门槛值减小等。例如,与空气环境相比,4130X在45MPa氢气环境下的疲劳裂纹扩展速率加快10~15倍,断裂韧度减小70%以上。非金属材料氢脆主要表现为氢气溶解引起的材料弹性模量、拉伸强度、摩擦系数等发生变化,以及快速降压使材料内部产生氢鼓泡和裂纹等缺陷。
3.1.2气态储氢(3)压缩机氢气在273.15K(0℃),100kPa的标准温压下的体积能量密度为0.01079MJ/L,远低于汽油的体积能量密度34MJ/L,因此需对低压氢气进行压缩提高能量密度以使其能够满足各种应用。加氢站的氢气供应一般采用20MPa长管拖车从制氢工厂通过公路运输到加氢站,然后加压至约85MPa给70MPa车载储氢罐加注氢气。这就需要专用的氢气压缩机来压缩氢气。压缩机可以视为一种真空泵,将系统低压侧的压力降低,将系统高压侧的压力提高,从而使氢气从低压侧向高压侧流动。工程上,氢气的压缩主要有两种方式:一是直接用压缩机将氢气压缩至储氢容器所需要的压力后储存在体积较大的储氢容器中,二是先将氢气压缩至较高压力存储起来,需要加注时,先引入一部分气体充装,然后启动氢压缩机以增压,使储氢容器达到所需的压力。目前加氢站多采用第二种方式压缩氢气。
3.1.2气态储氢(3)压缩机往复活塞式压缩机工作示意图隔膜式压缩机工作示意图线性压缩机工作示意图
3.1.2气态储氢(3)压缩机离子液体压缩机工作示意图液体活塞式压缩机示意图二级金属氢化物压缩机工作示意图
3.1.2气态储氢(4)高压储氢瓶高压储氢气瓶主要分为四个类型:全金属气瓶(Ⅰ型)、金属内胆纤维环向缠绕气瓶(Ⅱ型)、金属内胆纤维全缠绕气瓶(Ⅲ型)、非金属内胆纤维全缠绕气瓶(Ⅳ型),四类储氢瓶结构和性能比较如表3-1。其中,Ⅰ型、Ⅱ型重容比大,难以满足氢燃料电池汽车的储氢密度要求。Ⅲ型、Ⅳ型瓶因采用了纤维全缠绕结构,具有重容比小、单位质量储氢密度高等优点,目前已广泛应用于氢燃料电池汽车。
3.1.2气态储氢
3.1.2气态储氢(4)高压储氢瓶高压储氢气瓶主要分为四个类型:全金属气瓶(Ⅰ型)、金属内胆纤维环向缠绕气瓶(Ⅱ型)、金属内胆纤维全缠绕气瓶(Ⅲ型)、非金属内胆纤维全缠绕气瓶(Ⅳ型),四类储氢瓶结构和性能比较如表3-1。其中,Ⅰ型、Ⅱ型重容比大,难以满足氢燃料电池汽车的储氢密度要求。Ⅲ型、Ⅳ型瓶因采用了纤维全缠绕结构,具有重容比小、单位质量储氢密度高等优点,目前已广泛应用于氢燃料电池汽车。
3.1.2气态储氢(4)高压储氢瓶上汽大通EUNIQ7搭载的70MPa碳纤维缠绕铝合金气瓶丰田Mirai车载高压储氢瓶结构丰田Mirai车载高压储氢瓶中层纤维缠绕工艺
3.1.3液态储氢(1)低温液态储氢1)低温液态储氢是先将氢气液化,然后储存在低温绝热真空容器
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