Analyse av anvendelsen av hydrogenlagringsteknologi i brenselcelleskip

Med den økende globale oppmerksomheten til energibesparing og reduksjon av utslipp,Drivstoffcelleskip, som en viktig retning for den grønne transformasjonen av skipsfartsindustrien, får mer og mer oppmerksomhet. Som en nøkkelkobling i utviklingen av brenselcelleskip, forsknings- og applikasjonsstatusen tilHydrogenlagringTeknologi er enda mer iøynefallende.

Det er forskjellige måter å lagre hydrogen i brenselcelleskip, for tiden hovedsakelig inkludertHøytrykks gassformig hydrogenlagring, Lavtemperatur flytende hydrogenlagring, organisk væskehydrogenlagring og metallhydridhydrogenlagring. Disse hydrogenlagringsmetodene har sine egne fordeler og ulemper og er egnet for forskjellige typer skip og etterspørselsscenarier.

1. Høytrykks gassformig hydrogenlagring

Høytrykkshydrogenlagring lagrer hydrogen i en gass med høy tetthet i en gasssylinder gjennom komprimeringsprosessering. Det har blitt den mest brukte hydrogenlagringsmetoden innen skip på grunn av dens raske fylling, lave kostnader og enkel drift. Nøkkelen til denne teknologien ligger i forskning og utvikling av hydrogenlagringssylindere. Høytrykks hydrogenlagringssylindere er delt inn i fire typer: rene stålmetallsylindere (type I), stålforing karbonfiberpakket flasker (type II), aluminiumforing karbonfiber helt innpakket flasker (type III) og plastforing karbonfiber fullpakket flasker (type IV).

Blant dem er type III og type IV gasssylindere sammensatt av foring, karbonfiberviklingslag og glassfiberforsterket harpikslag. Den totale vekten er relativt lett og masselagringstettheten er høy. De er hot spots forDrivstoffcelleskipapplikasjoner. For tiden er brenselcelleskip hjemme og i utlandet utstyrt med type III -flasker med et arbeidstrykk på 35MP. På grunn av begrensningene for hydrogenlagringstetthet og volumet av gasssylindersystemet, er typene skip hovedsakelig innlandsferger og yachter med liten effekt.

I utfordringen med misforhold mellom skip energilagring og utholdenhet bruker 70MPa type IV gass sylindere lett høy styrke plast for å erstatte metaller for å forbedre kvaliteten, påvirke seighet og korrosjonsmotstand, men står overfor tekniske hindringer, inkludert:

1) Materiale og strukturelle problemer: Grensesnittet mellom plastforingen og metallet er utsatt for lekkasje, og prosesseringsteknologien og overflatebehandlingen må optimaliseres for å forbedre tetning og liming.

2) Utfordringer om termisk styring: En stor mengde varmeenergi genereres under rask hydrogenering, som må kontrolleres for å unngå sikkerhetsfarer. Selv om simuleringen viser at den oppfyller sikkerhetsstandarder, krever det faktiske miljøet med høy temperatur for hytta strengere temperaturkontrolltiltak.

3) Påvirkning av fyllingsbetingelser: Den opprinnelige temperaturen og fyllingshastigheten for hydrogen påvirker temperaturøkningen betydelig, og fin kontroll er nødvendig for å optimalisere fyllingsprosessen.

Høytrykks hydrogenlagring er for tiden en vanlig hydrogenlagringsmetode for skip av brenselceller, som er praktisk og økonomisk. På grunn av trykket og volumet på gasssylinderen, brukes imidlertid 35MPa type III-sylindere for tiden til småmaktskip. For å forbedre utholdenheten blir bruken av 70MPa, lettere IV -sylindere utforsket for å utvide applikasjonen til større skip.

Japans Yanmar Corporation og Toyota brukte spesielt lisensiert høyttrykksutstyr for å oppnå verdens første skip 70MPa Gas Cylinder Refueling.

Imidlertid har hydrogenlagring av høyt trykk sikkerhet og styringsproblemer, hydrogen-tankingstasjoner er knappe, og erstatningen av hydrogensylindere er upraktisk og har skjulte farer. Samtidig skyver trykkøkningen opp utstyrskostnadene og hydrogenstyrende energiforbruk, og den totale kostnaden øker betydelig.

2. Metallhydrid Hydrogenlagring

Prinsippet om metallhydridhydrogenlagring er å bruke overgangsmetaller eller legeringer for å reagere med hydrogen for å generere metallhydrider for å oppnå hydrogenlagring under visse temperatur- og trykkforhold, mens du slipper varme; Når temperaturen stiger, dekomponerer metallhydridet for å frigjøre hydrogen.

Sammenlignet med gassformig hydrogenlagring, er den største fordelen med denne hydrogenlagringsmetoden at hydrogenlagringstrykket er lav og sikkerheten er høy, etterfulgt av et stort volum hydrogenlagringstetthet (1000 ~ 3000 ganger sånt av gasshydrogen under samme temperatur- og trykkforhold). Hydrogenlagringslegeringene som for tiden er under utvikling inkluderer hovedsakelig sjeldne jordlegeringer, titanlegeringer, zirkoniumlegeringer, magnesiumlegeringer og vanadiumlegeringer.

Metallhydridhydrogenlagring har flere fordeler enn gass og væske når det gjelder sikkerhet og volumetrisk hydrogenlagringstetthet, men de eksisterende materialene har høye hydrogenfrigjøringsreaksjonstemperaturforhold, og reaksjonsprosessen kan ha problemer som legeringsstrukturødeleggelse, og legeringen vil utvide seg og trekke seg sammen under hydrogenfrigjøringsprosessen, og forårsake lagringstank til å deme.

I faktiske skipssøknader må nøkkelforskning utføres i følgende aspekter:

1) Utvikle nye hydrogenlagringslegeringsmaterialer for å forbedre masselagringstettheten i massen,

2) Optimaliser hydrogenabsorpsjon og desorpsjonsytelse av hydrogenlagringsmaterialer gjennom overflatebehandling, tilsetning av katalysatorer osv.,

3) Optimaliser lagringstankdesign for å unngå deformasjon av beholderen på grunn av utvidelse forårsaket av reaksjonen av legeringspulver med hydrogen;

4) Gjennomføre varmeinnsamlings-, lagrings- og applikasjonssystemer for solid-state hydrogenlagringssystemer, og kombinere forskning med hele skipet for å forbedre energiutnyttelseseffektiviteten og redusere belastningen på volumet og massen på enheten.

Fordi hydrogenlagringslegeringen i seg selv er tung, er dens massehydrogenlagringstetthet lav, men det er mer fordelaktig for undervannsbåter og kan øke ballasten til båter. Å utvikle hydrogenlagringsmaterialer av høy kvalitet og optimalisere arbeidsforholdene er viktige forskningsretninger i fremtiden.

Den brenselcelleutstyrte typen 212A-ubåten utviklet av det tyske HDW-verftet har 38 titan-jernlegering av hydrogenlagringstanker som kan lagre 84 kg hydrogen hver. Kilde: Internett

Når du velger en hydrogenlagringsmetode for et brenselcelleskip, er det nødvendig å omfattende vurdere flere faktorer som hydrogenlagringstetthet, sikkerhet, kostnad, levetid, stabilitet og energiforbruk. Følgende tabell sammenligner forskjellige hydrogenlagringsmetoder:

Metallhydridhydrogenlagring har enestående ytelse, renhet og sikkerhet, og forventes å bli mainstream i fremtiden.