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氢能源产业链知识大全

2018-5-28 11:39| 发布者: admin| 查看: 14761| 评论: 0

摘要: 人类历史上每一次能源利用的里程碑式发展,都会开启一个新的时代。从木柴到煤炭再到石油,人类文明也随之飞速进步,同时也越来越离不开能源。而目前煤炭和石油等石化能源正面临着枯竭,人类文明又将面临一个重大的转 ...


3、中游储运:高密度储氢是关键,储氢材料突破将助力氢能大发展


氢是所有元素中最轻的,在常温常压下为气态,密度仅为0.0899 kg/m3 ,是水的万分之一,因此其高密度储存一直是一个世界级难题。储氢问题一旦突破,氢能必将迎来繁荣发展。


(1)储氢技术分类:低温液态储氢、高压气态储氢和储氢材料储氢


目前储氢方法主要分为低温液态储氢、高压气态储氢,储氢材料储氢三种。

(2)低温液态储氢不经济


液态氢的密度是气体氢的845倍。液态氢的体积能量密度比压缩状态下的氢气高出数倍,如果氢气能以液态形式存在,那它替换传统能源将水到渠成,储运简单安全体积占比小。


但事实上,要把气态的氢变成液态的并不容易,液化1kg的氢气需要耗电4-10 kWh,液氢的存储也需要耐超低温和保持超低温的特殊容器,储存容器需要抗冻、抗压以及必须严格绝热。


所以这种方法极不经济,仅适用于不太计较成本问题且短时间内需迅速耗氢的航天航空领域。


(3)高压气态储氢是产业应用最成熟的技术,但是致命缺点是体积比容量小


高压气态储氢是目前最常用并且发展比较成熟的储氢技术,其储存方式是采用高压将氢气压缩到一个耐高压的容器里。


目前所使用的容器是钢瓶,它的优点是结构简单、压缩氢气制备能耗低、充装和排放速度快。但是存在泄露爆炸隐患,安全性能较差。


并且该技术还有一个致命的弱点就是体积比容量低,DOE的目标体积储氢容量70g/L,而钢瓶目前所能达到最高的体积比容量也仅有25g/L。

而且要达能耐受高压并保证安全性,现在国际上主要采用碳纤维钢瓶,碳纤维材料价格非常昂贵,所以它并非是理想的选择,可以作为过渡阶段使用。

(4)储氢材料储氢——储氢密度大,最具发展潜力


储氢材料储氢就是利用氢气与储氢材料之间发生物理或者化学变化从而转化为固溶体或者氢化物的形式来进行氢气储存的一种储氢方式。


储氢材料最大的优势是储氢体积密度大,相同质量的氢气用储氢材料储存占用空间最少。


并且操作容易、运输方便、成本低、安全等,恰好克服了高压气态储氢和低温液态储氢的缺点,成为最具发展潜力的一种储氢方式。但是它们仍然存在一些技术问题待解决。


储氢材料种类非常多,主要可分为物理吸附储氢和化学氢化物储氢。其中物理吸附储氢又可分为金属有机框架(MOFs)和纳米结构碳材料,化学氢化物储氢又可分为金属氢化物(包括简单金属氢化物和简单金属氢化物),非金属氰化物(包括硼氢化物和有机氢化物)。


物理吸附储氢材料是借助气体分子与储氢材料间的较弱的范德华力来进行储氢的一种材料。


纳米结构碳材料包括碳纳米管、富勒稀、纳米碳纤维等,在77K下最大可以吸附约4wt%氢气。


金属有机框架材料(MOFs) 具有较碳纳米材料更高的储氢量,可以达到4.5wt%,并且MOFs的储氢容量与其比表面积大致呈正比关系。


但是,这些物理吸附储氢材料是借助气体分子与储氢材料间的较弱的范德华力来进行储氢,根据热力学推算其只能在低温下大量吸氢。

化学氢化物储氢的最大特点是储氢量大,目前所知的就有至少16种材料理论储氢量超过DOE最终目标7.5wt%,有不下6种理论储氢量大于12wt%。


并且在这种储氢材料中,氢是以原子状态储存于合金中,受热效应和速度的制约,输运更加安全。


但同时由于这类材料的氢化物过于稳定,热交换比较困难,加/脱氢只能在较高温度下进行,这是制约氢化物储氢实际应用的主要因素。


目前各种材料基本都处于研究阶段,均存在不同的问题。金属有机框架(MOFs)体系可逆,但操作温度低;纳米结构材料操作温度低,储氢温度低;金属氢化物体系可逆,但多含重物质元素,储氢容量低;二元金属氢化物体系可逆,但热力学和热力学性质差;复杂金属氢化物储氢容量高,局部可逆,种类多样;非金属氢化物储存容量高,温度适宜,但体系不可逆。


实现“高效储氢”的技术路线主要是要克服吸放氢温度的限制。

4、下游应用:万事俱备只欠东风,交通领域起飞在即,无人机上的应用有望成为突破口


氢能源的应用有两种方式:一是直接燃烧(氢内燃机),二是采用燃料电池技术,燃料电池技术相比于氢内燃机效率更高,故更具发展潜力。


目前以燃料电池技术为基础的应用已经很广阔,现阶段主要分布在叉、固定式和便携式三个方面,燃料电池车正在大力推进中,未来将遍及所有能源相关下游包括汽车、发电和储能等领域。


从燃料电池出货量来看,目前市场主要集中在亚洲和北美,其中北美增长较快,经过几年的发展已经成为全球燃料电池最主要的市场,占比达到76%。


燃料电池应用领域以固定式领域为主,其次是交通运输领域,便携式领域虽然数量比交通领域多,但因为容量小,因此出货功率非常小,占比几乎可以忽略不计。


(1)便携式领域阻碍重重,有望在军用领域异军突起


便携式领域的应用主要有玩具、小型电源、消费性电子产品和军用电子产品。便携式燃料电池具备体积小、质量轻、效率高、寿命长、运行温度低、红外信号低、隐身性能好、运行可靠、噪声低、污染少等优点。


此外后勤优势显著,因为它的电容量大,能够极大地减轻电池带来的后勤负担。


但是由于氢气成本过高以及锂电在便携式领域市场成熟,燃料电池很难在短期内快速占领这块市场。不过在军用领域,燃料电池红外信号低、隐身性能好、运行可靠、噪声低和后勤负担低的优势,具有良好的发展前景,其发展或将由此处突破。

美军燃料电池分类中便携式占比38%,比重较大。2012年,美国、德国、加拿大军方对燃料电池的资金投入都非常大。所以我们有理由期待它在军用领域异军突起。

(2)固定式领域是领军,市场逐步壮大


燃料电池因其效率高、持久性好、环境适应度强等优点被广泛应用于通信基站和热电联产系统。



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