鋰電世界 車載燃料電池的氫能發電系統以其高效率、高可靠性、良好的工作環境和操作性能,在為汽車提供動力方面具有得天獨厚的優勢,成為當前車用動力系統領域研究的熱點之一[1]。
1·車載氫儲存系綂概述
車載燃料電池安全應用的最重要環節是氫儲存系統,這個系統的研發也是車載燃料電池技術在實際中應用的難點之一。對于車用氫存儲系統,世界能源署提出的基本要求是[2]:質量儲氫密度最小為5wt%,體積儲氫密度最小為5.0kg/m3,放氫溫度要低于423K,循環壽命要超過1000次;而美國能源部(DOE)提出的要求則是[3][4]:質量儲氫密度不能低于6.5wt%,體積儲氫密度不能低于6.2kg/m3。為了達到這一目標,研究人員進行了大量的研究。現如今,氫的儲存方案主要包括低溫液態儲氫、高壓氣態儲氫、金屬合金儲氫、吸附儲氫和有機液體儲氫等5種形式。
低溫液態儲氫一般用在高新科技等用氫量大、國防或高投資領域;高壓氣態儲氫用于用氫量不大的領域,而對于大規模應用還存在很大的困難;有機液體儲氫由于對其機理還不完全清楚、吸放氫的工藝還不成熟,還需要進行更深入的研究;而由于金屬合金自重的原因,雖然金屬合金儲氫的體積儲氫量很大,但其重量儲氫量太低,這阻礙了金屬合金儲氫的發展;而對于超級活性炭吸附儲氫,由于現在的研究表明其在重量儲氫和體積儲氫方面都具有很大優勢,雖然吸附儲氫還沒有實際應用,但卻是現如今最具前景的儲氫方式。
2·超級活性炭儲氫研究現狀
超級活性炭由于具有高的比表面積和多孔結構,使其具有儲氫容量大、吸放氫條件溫和等良好的儲氫性能,越來越受到世界各國科研工作者的關注。早期的一些研究表明[12]:在吸附壓力為4.2MPa時,78K下的吸附氫量可達6.8wt%,而68K則達8.2wt%。當放氫壓力為0.2MPa時,釋放出的氫量分別為4.2wt%和5.2wt%;美國Schwarz J A等[13]人經過大量研究,得到的最好儲氫效果是在87K、59atm的條件下,超級活性炭的儲氫吸附量為4.8wt%,這個數據已經接近世界能源署提出的基本要求,但是由于其實現溫度過低,限制了其進一步的應用。
為了提高活性炭儲氫的溫度,不外乎進一步提高超級活性炭的性質,即研究具有更高比表面積和更發達空隙的超級活性炭。而我國學者在吸附儲氫方面也有深入研究,走在了世界的前列:天津大學周理教授[14]使用美國Amoco公司生產的高比表面積活性炭AX-21,并測量其在0-7MPa、77K-298K大范圍內氫氣在超級活性炭的吸附等溫線,根據其測得的結果發現在77K下,AX-21的吸氫量可達到26nmmol/g;周理教授[16]還對超級活性炭吸附儲氫技術進行了評價,最后認為吸附儲氫在重量、體積和經濟方面都有很大的優勢,是未來重點研究方向;詹亮等[15]用自制的高硫焦制得的比表面積為3886m2/g的超級活性炭,通過對其吸附性能進行研究發現,在293K、5MPa的條件下,高硫焦超級活性炭的儲氫質量分數能達到1.9wt%;而在93K/6MPa條件下,這種超級活性炭的儲氫質量分數達到9.8wt%,其脫附速率也達到95.9%,這已經符合美國能源部的儲氫要求了,雖然達到較好吸附效果的溫度比其他人高,但還是處于低溫,其進一步應用也受到了影響。
制造超級活性炭的原料價格低廉且資源豐富,用超級活性炭儲氫具有良好的前景,但目前距離其用作商業儲氫材料還需要一段時間的研究,主要原因在于對超級活性炭儲氫結構、化學改性和環保的成產超級活性炭方面還需做更深入的研究,并且由于超級活性炭儲氫基本是在低溫環境下進行的,所以如果算上低溫槽后成本升高很多,這也是限制活性炭儲氫應用的一個重要因素,故迄今為止尚未上車試用,所以研究更適合儲氫用的超級活性炭勢在必行。
3·總結
氫的高效儲運是氫能大規模應用的前提,許多國家對儲氫材料和技術的研究都極為重視。現在雖然在各國科學家的努力下取得了一些成績,但是大多數還是停留在實驗室,距離工業化生產還有很遠的距離,由于吸附儲氫尤其是超級活性炭儲氫具有較大的優勢,今后科研人員還要對此進行更加深入的研究,為早日安全高效利用氫能打下基礎。