儲氫系統的性能指標:儲氫密度

2020-11-23 易車網

在前幾期中，小編和大家一起學習了氫瓶有哪幾類。後臺有小夥伴提了有關儲氫密度的問題，今天就結合一些材料專門討論一下儲氫密度的參數。請大家多多指教~

儲氫能力的定義

根據DOE官網的分類，常見的氫瓶儲氫方式可以分為壓縮氣體儲氫、低溫儲氫與液態儲氫。目前燃料電池汽車上採用的是壓縮氣體儲氫方式。壓縮氣體儲氫通過專門的高壓容器實現，這就引出了之前推文中提到的I型、II型、III型、IV型氫瓶。

一般採用質量儲氫密度與體積儲氫密度這兩個參數來評估其儲氫系統的儲氫能力。DOE是這樣定義這兩個參數和儲氫能力的：

Capacitiesaredefinedastheusablequantityofhydrogendeliverabletothefuelcellsystemdividedbythetotalmass/volumeofthecompletestoragesystem,includingallstoredhydrogen,media,reactants(e.g.,waterforhydrolysis-basedsystems),andsystemcomponents.

儲氫能力是指可向燃料電池系統輸送的氫氣的可用量除以整個儲存系統的總質量/體積，這個儲存系統包括所有儲存的氫氣、介質、反應劑（如水解系統內的水）和系統組件。

下面咱們依次來討論一下這三種儲氫方式的儲氫密度。

壓縮氣體儲氫

就質量儲氫密度而言。III與IV型瓶的質量儲氫密度與體積儲氫密度如下圖所示，可以看到質量儲氫密度和儲氫壓力呈接近線性增長的關係，而在200bar時，III與IV型瓶與I和II型瓶差異不大（分別為1%和1.5wt%），且相同儲氫壓力下，氫瓶體積越大其質量儲氫密度越大。

就體積儲氫密度而言。體積儲氫密度則不是和儲氫壓力呈接近線性關係。隨著氫瓶體積的增大，III與IV型瓶的體積儲氫密度最高點越靠近低儲氫壓力區。以儲氫壓力約700bar為界，小於700bar時儲氫體積越大體積儲氫密度越高，大於700bar時，體積的增大則不利於提升體積儲氫密度。

目前燃料電池車上採用的氫瓶體積（以50L和100L為例），將其質量儲氫密度與體積儲氫密度在上圖查詢的話，再對照美國國家能源部DOE最新制定的儲氫目標，以及市面上見到的燃料電池整車的情況，我們可以一起來看看目前大家是否已經實現了DOE制定的目標。

可以看出如果採用III型與IV瓶，達到DOE2020年與2025年的部分目標還是比較輕鬆的。尤其是體積儲氫密度，III型與IV型瓶與目前三個燃料電池整車儲氫均達到了DOE的2020年目標，100L的35MPaIII/IV型瓶、70MPa的III/IV型瓶與三個燃料電池整車儲氫甚至都達到了DOE的2025年目標。其中豐田Mirai更是在質量儲氫密度和體積儲氫密度這兩個參數上都達到了DOE的2025年目標。而從質量儲氫密度上看，只有採用70MPa儲氫壓力的方法才有可能接近或達到DOE的2020年目標，35MPa只能達到此目標的60%。

低溫儲氫與液態儲氫

如DOE對儲氫方式的定義可以看到，除了在燃料電池汽車上常見的壓縮氣體儲氫，還有低溫儲氫與液態儲氫。液態儲氫比氣態儲氫更高效，平均1L的液態氣大約相當於800L的氣態氣。液態氫氣容易蒸發氣化，對儲存系統的要求很高，很難長時間的存儲，一般只用於固定能源存儲。國際上針對液態儲氫出臺了ISO21009-1和ISO21009-2兩個國際標準來規範低溫存儲罐的設計和操作。而低溫儲氫則通過降低儲存溫度可以一定程度上提高其儲存效率。

那麼具體這兩種儲氫方式的儲氫性能又是怎麼樣的呢？我們可以從下圖中了解：

圖上溫度單位為熱力學溫度K（℃=K+273）。可以看到三種儲氫方式對應的儲氫溫度不同，其中低溫壓縮儲氫所覆蓋的操作溫度範圍最大，可以從-233℃~-40℃。而從-40℃~27℃，則是燃料電池車上常用的壓縮氣體儲氫的常見操作溫度區域。可以看到對於70MPa的壓縮氣體儲氫來說，當儲氫溫度降低到約-190℃時，儲氫體積質量就可以翻一倍，從40g/L上升到80g/L。總的來說，溫度越低，同樣的儲氫壓力下儲氫效率越高。以Mirai兩個氫瓶總體積約122L，如採用-40℃儲氫，可比目前15℃儲氫多儲存約600g，以其百公裡氫耗1100g來核算，採用低溫壓縮儲氫可多運行約50Km。

從圖上還可以看出，如果保持儲氫壓力為35Mpa，儲氫溫度需要降低到大約-120℃採用低溫儲氫方式，才能達到目前70Mpa在15℃常溫儲氫的體積儲氫密度。

總結：

1、如採用III型與IV型瓶，則DOE的2020年體積儲氫密度應該是以及達到了。目前豐田Mirai、本田Clarity、現代Nexo均已達到該目標。

2、對於DOE的2020年質量儲氫密度目標，看起來只有通過加大儲氫壓力的方式才有可能達到。豐田Mirai的儲氫系統已達到DOE的2025年質量儲氫密度目標。

3、低溫儲氫和液態儲氫均可以提高儲氫效率。但是應該是受限於其較複雜的儲氫系統，目前在常見的燃料電池車上沒有看到應用。（來源：燃料電池百科）

文章由易車號作者提供

相關焦點

  • 固態儲氫材料要走出「象牙塔」
    開發新型儲氫材料是氫能利用的重要研究方向。近日，Materials Today Nano、Journal of Materials Chemistry A等期刊相繼發表了儲氫材料的相關研究，其中，固態儲氫材料因其具有儲氫密度高、工作壓力適中、安全性能好等優勢，被認為極具應用前景。
  • 固態合金儲氫要為燃料電池汽車鬆綁
    深圳市佳華利道新技術開發有限公司（簡稱「佳華利道」）首席科學家黃寶泉發表的《固態合金儲氫和低壓加氫技術的應用》主旨演講引發在場專家的關注。他指出，固態合金儲氫和低壓加氫技術是契合現階段我國國情的儲氫技術重大突破。　　氫的儲存方法有高壓氣態、低溫液態和固態三種，目前國內主推的氫燃料電池汽車都應用高壓氣態儲存技術，壓力為35MPa（日本、美國加州已嘗試推廣70MPa高壓儲氫技術）。
  • 大連化物所金屬有機化合物用於儲氫材料研究取得新進展
    氫以其能量密度高、無汙染等優點，一直被認為是能量儲存和運輸的理想載體。然而，缺乏安全高效的儲氫介質被認為是氫能應用技術的瓶頸。目前，世界各大汽車公司均採用高壓氣罐作為商業燃料電池汽車的儲氫系統。然而，該系統壓力高達350-700bar，安全性一直受到關注；此外，高壓氣罐的罐體材料為高強度碳纖維，其造價昂貴，這也是限制燃料電池汽車迅速推廣的原因之一。
  • 儲氫材料的儲氫原理與研究現狀
    具有環境友好、資源豐富、熱值高、燃燒性能好、潛在經濟效益高等特點。目前，能源危機和環境危機日益嚴重。許多國家都在加緊部署、實施氫能戰略，如美國對運輸機械的「FreedomCAR」計劃和針對規模製氫的「FutureGen」計劃，日本的「NewSunshine」計劃及「We-NET」系統，歐洲的「Framework」計劃中關於氫能科技的投人也呈現指數上升趨勢。
  • 燕山大學韓樹民教授課題組撰寫的儲氫合金學術專著近期被德國德古意特出版社出版
    各國競相投入大量經費發展相關技術，其中開發安全高效的儲氫系統是氫能得以應用的關鍵環節之一。稀土基儲氫合金可以常溫低壓高密度儲氫，是一種理想的儲氫介質。特別地，這種常溫常壓下可逆吸/放氫的特性，使其成為鎳/金屬氫化物（Ni/MH）電池的理想負極材料。
  • 儲氫技術總結
    目前使用比較廣泛的儲氫手段主要有高壓儲氫，低溫液化儲氫，物理吸附儲氫，金屬氧化物儲氫等。低溫液化儲氫低溫液化儲氫指的是將純氫氣冷卻到-253℃，使之液化，而後將其裝到低溫儲罐中。液態氫的密度為70.6kg／m3，其質量密度和體積密度都遠高於高壓儲氫，然而，氫氣的深冷液化過程十分困難，首先需要將氫氣進行壓縮，再經熱交換器進行冷卻，低溫高壓的氫氣最後經節流閥進行進一步冷卻，製得液態氫。液態儲氫製備成本過高。另外，液態儲氫對低溫儲罐的絕熱性能要求苛刻，因此對低溫儲氫罐的設計製造及材料選擇也成本高昂，亟待解決。
  • 能量密度比鋰電池更高的清潔電池——氫燃料電池
    第一，鋰電池技術突破能量密度難。雖然目前大多數電動車的續航都能達到600KM左右，但電池能量密度還是處於170KWH/KG的行業水平，長續航只是增加了了更多的電池，這會導致車輛交通浪費在運送電池本身上，既不經濟也不合理。而且鋰電池在過去十年能量密度已經提高了2.5倍，已經達到物理化學極限，再提高就是安全極限的突破。因此，想要再提高能量密度是很困難的。
  • AB5型稀土儲氫合金的研究進展
    氫作為質量分數最小的元素，常溫常壓下，氫氣的密度僅為水的萬分之一；在-253℃時，氫氣變為液氫，其密度也僅為水的五分之一，因而很難實現氫氣的高密度儲存。安全高效的儲存和運輸氫氣成為氫能利用的核心問題，開發合適的儲氫技術成為關鍵。目前，人們開發了高壓氣態儲氫、液化氫罐儲氫、固體態材料儲氫等三種典型儲氫方式。
  • HIDIS 2020 |佛吉亞綠動智行中國區零排放總經理白立松:佛吉亞儲氫...
    2、佛吉亞正在向兩類產品進行開發：一是儲氫瓶、二是儲氫的系統。 3、佛吉亞儲氫產品的儲氫效率可以達到6.5%-7%。 以下內容為現場演講實錄： 白立松（Alban Brisset）：各位領導，各位來賓，大家下午好！
  • 百科|儲氫合金
    儲氫合金，一種新型合金，一定條件下能吸收氫氣，一定條件能放出氫氣。循環壽命性能優異，並可被用於大型電池，尤其是電動車輛、混合動力電動車輛、高功率應用等等。目前儲氫合金主要包括有鈦系、鋯系、鐵系及稀土系儲氫合金。
  • 機電工程學院舉行「多元Ti-V-Mn系儲氫合金的顯微組織與吸放氫性能...
    新聞網訊 9月26日下午，機電工程學院在學院會議室舉行了題為「多元Ti-V-Mn系儲氫合金的顯微組織與吸放氫性能」的學術報告。報告會由學院新引進青年教師陳曉宇博士主講，學院副院長張洪信主持報告會，學院師生50餘人參加了報告會。
  • 對鋰電池為什麼不能兼顧高功率和高能量密度的分析
    從電芯層面而言，鋰離子電池的倍率性能一方面受到正極/電解液/負極電極材料搭配體系本徵傳輸特性的制約，另一方面極片工藝和電芯結構設計也對倍率性能有較大影響。但是從最本徵的載流子傳導與輸運行為而言，鋰電並不適合「快充」。鋰電體系的本徵載流子傳導與輸運行為取決於正負極材料的電導與鋰離子擴散係數以及有機電解液的電導率這幾個主要因素。
  • 新能源材料的研究熱點：稀土儲氫材料
    （2）非金屬儲氫材料玻璃微球、碳系材料等非金屬材料是近年來剛發展起來的新型儲氫材料。這類儲氫材料均屬於物理吸附型的。這種儲氫材料的吸氫量一般均大於金屬吸氫材料，是一類很有前途的新型儲氫材料。（4）其他儲氫材料還有一些無機化合物和鐵磁性材料可用作儲氫，磁性材料在磁場作用下可大量儲氫，儲氫量比鐵鐵材料大6~7倍。
  • 稀土儲氫合金讓電池更好用
    【能源人都在看，點擊右上角加'關注'】近日，在中科院包頭稀土研發中心孵化企業中科軒達新能源科技有限公司（以下簡稱中科軒達）內，該公司技術總監肖明正一邊清點防控疫情的消殺用品，一邊向筆者介紹新型稀土鎂鎳基儲氫合金電極生產線的近況：「生產線為產能
  • 氫燃料電池出擊:加氫、儲氫和高溫膜環節投資發力
    儲氫/運氫：多種方案均在積極探索中儲氫目前有多種解決方案，主要的四種方式為高壓氣態氫、液化氫、化學儲氫、吸附儲氫等。 在我國使用較為普遍的為高壓氣態儲氫，技術成熟、成本較低，但其儲氫密度很難達到國際能源署（IEA）或者美國能源部（DOE）的技術要求。
  • 我國新型稀土儲氫合金電極材料投產
    科技日報訊 （記者張景陽 通訊員李寶樂）記者12日從包頭稀土高新區獲悉，我國具有自主智慧財產權的新型稀土儲氫合金電極材料生產線投產運行，產品已開始供應國內鎳氫動力電池企業。依託稀土資源優勢和最新核心技術應用，該生產線生產高容量、寬溫區、高工藝、低耗電鎳氫動力電池關鍵材料，一舉打破日本在新型稀土A2B7儲氫科技、工業技術和產品方面對我國的壟斷。