小功率质子交换膜燃料电池电源贮氢系统开发砂磨机

小功率质子交换膜燃料电池电源贮氢系统开发

小功率质子交换膜燃料电池电源贮氢系统开发 2011年12月04日 来源： 摘 要：质子交换膜燃料电池具有能量转换效率高，比功率高，工作条件温和，无污染等优点，近年来为人们看好。本文对适用于质子交换膜燃料电池系统的贮氢方法进行了比较，认为对小型电源而言，可逆金属贮氢是较好的选择。同时，还对贮氢系统进行了讨论，提出了贮氢系统设计的一些原则和方法。最后，本文对国家“十五”发展提出了一些建议。关键词：质子交换膜燃料电池电源，贮氢方法，贮氢系统一．前 言燃料电池自1839年由英国人格罗夫首先研制成功以来，已有近160年的发展历史。本世纪五、六十年代，燃料电池曾被美国航天局选中作为其航天飞机的备用电源，从而掀起了一股研究热潮。近二十年来，因能源和环境问题的日益紧迫，燃料电池再次赢得世人的瞩目。质子交换膜燃料电池（PEMFC）是燃料电池中较为新颖的一种类型，近年来最为人们看好，同时进展也最为迅速。PEMFC能量转换效率高，比功率高，工作在相对温和的条件下（温度70～90℃，压力1～5atm），启动迅速，性能稳定，工作寿命长，对负载变化响应快，无噪音污染，也无任何烟尘排放，不含腐蚀性电解液，是一种性能优异的电源。PEMFC用途广泛，既可作固定电站，也可作成小型便携式电源，同时还可作为航天、潜艇、电动汽车等的动力电源。PEMFC系统由四个单元构成，即反应物供给单元、电池本体单元、控制单元及功率变换单元。反应物供给单元的作用是向电池本体提供一定压力和流量的燃料(H2)和氧化剂(O2)，是电池能否正常工作的前提。目前，有两种不同的燃料供给方式，即纯氢供给和重整制氢供给。其中，重整制氢供给因设备复杂，重整及转化成本高，仅适合大中型PEMFC；纯氢供给则可应用于各种PEMFC。当采用纯氢供给方式时，贮氢方法的选择非常重要，是PEMFC能否实现高比能量、高可靠性、操作简便的一个关键。二．PEMFC系统贮氢方法选择1．几种不同的贮氢方法在实际应用中，氢气贮存有多种方法，包括：玻璃/沸石贮氢、致冷吸收贮氢、液态贮氢、气态贮氢、不可逆金属贮氢及可逆金属贮氢等，现简介如下：(1) 玻璃/沸石贮氢玻璃/沸石贮氢的原理是在高温高压条件下，将氢气贮存在分子微空间中。其中，玻璃贮氢是将直径为50～100μm的空玻璃加热到400～700K，不断加压，直至1500bar，此时氢气可渗透进入，每个微空间相当于一个微型高压气瓶，而后使玻璃冷却，氢气则贮于其中。重新加热玻璃，即可释放出氢气。此方法理论上可贮氢近40wt％，不过体积密度仅为液态和可逆金属贮氢的几分之一。由于一些技术原因，这一目标远未达到。沸石贮氢是在573K及100bar条件下，氢气吸附在沸石分子微空间中，冷却时，氢气贮存其中，加热时，氢气被释放出来。沸石贮氢量仅为0.08wt％。(2) 致冷吸收贮氢该方法的原理是在中压（不高于60bar）和低温（77～150K）条件下，将氢气贮存于高表面积物质（如活性碳等）中，其贮存量相当于简单气态压缩贮存量的三倍。现在，又开始研究在较高温度条件下采用致冷吸收剂（如超级活性碳，AX-31M）吸收氢气，这样由于贮氢温度的提高，降低了设备复杂性。在40bar和165K时，超级活性碳可吸收7.5wt%的氢气。(3) 液态贮氢液态贮氢是将氢气以液态形式贮存。因氢气的液化温度为20K，为制成液态氢，必须获得低温，同时，为避免液氢以气态形式逸出，还应选用绝热性能优良的容器。一般而言，性能优良的体积大的容器应使每天的氢气气化量不超过0.3%，而中等体积的容器不应超过1～1.5%。液氢具有非常高的能量密度，在航空航天领域中作为一种主要燃料得到广泛应用，但因液化温度低，液化过程大约消耗近30％的液氢燃烧热能量。液态贮氢是一种有效的贮氢方法，但也存在设备复杂等劣势。(4) 气态贮氢气态贮氢是将氢气以气态形式压缩贮存于高压容器中。这是一种应用广泛、简便易行的贮氢方法。压力容器材料可选用低碳钢或高强度非金属复合物。在一些特殊领域中，如航天工业，采用超轻碳缠绕铝容器可贮存压力高达690bar的氢气。目前，一些使用复合物缠绕铝容器可贮存300bar的氢气。气态贮氢方法的贮氢重量和体积比并不大，而且压力太高也容易发生危险。(5) 不可逆金属贮氢不可逆金属贮氢是利用某些金属与氢气反应生成不可逆金属氢化物（如氢化锂、硼氢化锂、铝氢化锂等）贮存氢气，当该氢化物与水接触时，释放出氢气，此反应不可逆。由于形成不可逆金属氢化物的金属通常重量较轻，因此，此方法具有一定的重量比优势，而且比较安全，可用于氢需求量较小的情况，不利之处在于不能重复使用。(6) 可逆金属贮氢可逆金属贮氢是通过某些特定金属与氢气反应生成可逆金属氢化物（如镍氢化镧等）贮存氢气，当需用氢气时，加热该金属氢化物即可，此反应可逆。这种贮氢方法简单实用，贮氢合金可多次使用，在体积方面具有很大的优势，甚至超过液态贮氢，并且可根据不同需求改变贮氢器形状，安全性好。目前不足之处在于贮氢重量比低，而且贮氢合金的成本也较高。2．小功率PEMFC电源贮氢方法选择在选择适当的贮氢方法时，应从以下几方面考虑：系统重量比（被吸收的氢气与系统重量比）；系统体积比（被吸收的氢气与系统体积比）；贮存氢气所需能量；释放氢气所需能量；使用难度（充氢时间，泄漏问题等；安全性等。在前述的几种贮氢方法中，玻璃/沸石贮氢需要高温、高压，放氢也需要高温，同时其重量、体积比并不占优势；致冷吸收贮氢虽具有良好的体积与重量贮存性能，但由于要产生低温，所需设备较复杂，同时还存在诸如毒化、再充时放热等问题，故不宜用于PEMFC系统中。通常用于PEMFC系统的贮氢方法为后四种。一般而言，液态和气态贮氢所用容器重量较大，而另两种方法所用容器重量较小，容器自身的体积都不大。液态贮氢的重量比和体积比均较高，是较好的贮氢方法，但由于为产生低温，将消耗大量的能量，同时需专门的绝热容器，成本较高，不太适合中小型PEMFC系统使用。高压气态贮氢体积比较低，而重量比也不高，采用复合材料，会相应提高其重量和体积比，但价格也将增加很多，同时其安全性不好，故用于大功率PEMFC尚可，中小功率的PEMFC则不适用。至于不可逆金属贮氢方法，其体积比与其他方法相差无几，重量比则介于液态贮氢方法与可逆金属贮氢方法之间，但因反应不可逆，限制了应用。可逆金属贮氢方法因选用的贮氢合金不同，性能会略有差异，特点为具有较高的体积比，但重量比偏低，其优势在于可方便地多次使用，形状能改变，安全性好，体积小，既可用于大型PEMFC，更适合于中小型PEMFC，若能进一步增加贮氢合金的重量比，将更有竞争力。三．小功率PEMFC电源贮氢系统研究近年来，一些先进国家纷纷开展PEMFC的研究工作，并取得了很大的进展。针对这种现状，我国也积极加紧研究开发，国内许多高校和研究机构均开展了此项工作。中科院电工所承担了院重大项目“燃料电池技术”中“百瓦至千瓦级PEMFC移动电源”课题的研制任务，最终目标是研制出高比能量、简便实用的小功率便携式PEMFC移动电源。本项目的研究对象为中小功率PEMFC电源，而可逆金属贮氢具有系统体积比高、安全性能好、使用方便等优点，是一种比较适宜的贮氢方法。PEMFC贮氢系统设计包括金属贮氢器的设计及氢气供给系统的设计。1．金属贮氢器的设计(1) 贮氢合金材料的选择由于贮氢合金的种类很多，应从以下几方面加以选择：首先，贮氢合金一个重要特点是吸氢时放热，放氢时吸热，因此应考虑放氢反应热；其次，贮氢合金的贮氢量；最后，包括贮氢合金的动力学性能、活化状态、循环寿命及价格等。贮氢合金大致可分为四类：稀土镍系（AB5型）、Laves相（AB2型）、镁基（A2B型）、Ti-Fe系（AB型）。由于贮氢合金放氢吸热，而中小型PEMFC的废热较少，因此低温型贮氢合金较为适合。其中稀土镍系和Ti-Fe系贮氢合金属于低温型。两类合金在常温或稍高于常温的条件下均可快速吸放氢；两类合金贮氢量相差不多，稀土镍系贮氢合金贮氢量中等（约为1.4～1.7wt%），Ti-Fe系贮氢合金稍高些（约为1.6～2.0wt%）；稀土镍系贮氢合金合金易于活化，Ti-Fe系贮氢合金较难活化，易中毒。由以上分析可知，稀土镍系和Ti-Fe系贮氢合金较适合本系统。(2) 金属贮氢器结构设计除选择合适的贮氢合金外，金属贮氢器结构设计也至关重要。贮氢合金在进行吸放氢反应的同时，伴随着热量的变化，因此，贮氢器的热传递性能，即反应产生的热量向外部传递，所需的热量由外部导入的能力，很大程度决定了吸放氢反应的速度。为使金属贮氢器具有良好的热传递性能，应从以下几方面考虑：首先，贮氢器内部应采取特殊的结构，诸如采用分离隔板，内部歧管等；其次，贮氢材料中可添加适于传热的物质；再次，贮氢器壳体应选取易于导热的材料；最后，贮氢器与外界环境接触面积应较大。贮氢合金在吸放氢过程中会出现体积膨胀及收缩的现象，设计贮氢器时，应留有一定空余体积。为提高系统的重量和体积比，贮氢器本身的重量和体积应尽量减小，同时还应保证安全。2．氢气供给系统设计对一定金属贮氢器而言，不同放氢条件（热交换条件、温度、压力、流量）下，其放氢性能有很大不同。其中，热交换条件的影响最大。在其它条件固定, 空气自然对流条件下，贮氢器的放氢量远小于恒温水浴条件下的放氢量。空气自然对流时，由于贮氢器与环境的热交换不利，随着反应的进行，贮氢合金得不到充足的热量，其温度逐渐下降，放氢反应越来越缓慢，难以达到实验要求，而贮氢器内还有相当多的氢气未能放出；恒温水浴时，贮氢器与水可以进行良好的热交换，能满足贮氢合金放氢时对热的需求，基本释放出吸入的氢气。为充分发挥贮氢器的性能，必须创造良好的热交换条件。由于PEMFC的工作温度一般在70～90℃之间，反应过程中将产生一定的废热，为实现系统的热平衡，需排掉此部分余热，因此可以充分利用这部分热量，将之传递给贮氢器。这样就不需从系统外提供额外的热量，既能很好地发挥贮氢器性能，又充分利用了系统的热源，简化了系统，提高了效率。四．对“十五”的建议燃料电池是一种高效、洁净的发电方法，在几种燃料电池中，PEMFC最为引人注目，许多世界一流的汽车厂商及公司均看好此项技术，纷纷斥资进行实用化研究。可以预见，在今后若干年内，PEMFC将在技术和成本上取得突破，应用到我们的社会生活中。面对如此紧迫的形势，我国已经起步，并取得了一些进展，但与先进国家相比还存在一定的差距。在“十五”规划中，应加强对PEMFC的支持力度，不仅要重视基础理论的研究，更要注重系统技术的开发，促进研究成果向市场转化。PEMFC不同于一般的二次电池，是由四大部分构成的一个整体，是一个包含诸多学科知识的复杂系统，只有各部分均得到提高改进，并进行合理配合，整个系统才能具有更大的竞争优势。其中，金属贮氢器是反应物供给单元的关键，其供氢能力的优劣对PEMFC系统影响很大。建议应加强对可逆金属贮氢的研究，研究适合PEMFC系统的贮氢合金，提高其贮氢及放氢能力，这必将对简化系统，增强易用性，有很大好处。同时，对其他领域（如Ni-MH电池，氢气贮存与运输等）也会产生积极影响。我们应抓住PEMFC正在走向市场这一机遇，加快研究步伐，加大人力物力的投入，使之尽快实现实用化、商品化，为发展我国洁净能源做出贡献。(end)

男科医院哪家好

宁波泌尿科医院

中山治疗鱼鳞病好的医院

广州专业治疗习惯性流产医院

宁波排名好的男科医院