镁基固态储氢材料的研究进展

氢能有望成为脱碳时代的“理想燃料”。高性能储氢材料的发现、开发和改性是未来发展固态储氢和氢能源利用的关键。而氢化镁(MgH₂)具有储氢能力强、自然储量丰富、环境友好等特点,在固态储氢材料领域备受关注。但是氢化镁较高的热力学稳定性、缓慢的动力学性能,以及循环过程中不可避免的团聚和粗化等问题在一定程度上限制了镁基固态储氢材料的大规模投产和实际应用。近年来,大量研究工作聚焦于镁基储氢材料的热/动力学改性,目前已经取得了大量的成果。本文通过回顾国内外相关文献,综述了改善镁基固态储氢材料储氢性能的最新研究进展,着重介绍了合金化、纳米化、引入催化剂等改性策略,阐述了不同策略具体的改性机理。最后对未来的发展方向进行了展望,旨在为高性能镁基储氢材料的研发提供借鉴与指导。     

储氢技术的新进展

全面地介绍了各种储氢方式的性能,特点及当前的研究方向。     

储氢材料的储热功能

介绍了储氢材料的储热功能及其热能转换系统。     

储氢材料的储电功能研究

本文着重介绍了国外电解水－发电系统，储氢材料在化学电源中的应用以及燃料电池发电等方面的研究情况。     

动力学强化水合储氢技术研究进展北大核心CSCD

在碳达峰、碳中和的时代背景下,氢能等清洁绿色能源成为能源转型的关键,储氢技术作为氢能从生产到应用的中间桥梁而备受关注。笼型水合物是一种潜在的氢气存储材料,但储氢速率慢、储氢量低制约了水合储氢技术的工业化进程。因此,本文综述了近年来动力学强化水合储氢技术的研究进展,着重介绍了氢气水合物成核、生长动力学机理、提高驱动力、扩大气液接触面积以及改善扩散通道等动力学强化技术,并从储氢速率、储氢密度等方面总结了当前的动力学强化技术,以期促进相关研究的发展。本文指出未来相关工作应在以下几个方面展开:首先,深化氢气水合物的成核、生长和稳定机制研究;其次,寻求高效高驱动力的热力学促进剂,从根本上提高驱动力;最后,高效热力学促进剂与改善氢气水合物的扩散通道相结合,实现高储量和高速率的双重优化。     

中温固态氧化物燃料电池

综述了当前国际上正在研制的几种中温固态氧化物燃料电池的现状及发展趋势，特别介绍了本实验室新近发展的基于新型复合电解质的中温固态氧化物燃料电池，并讨论和评价了中温固态氧化物燃料电池的应用前景，包括在电动汽车方面的潜在应用优势。     

金属氢化物复合式高压储氢器的研究

为提高高压储氢容器的体积储氢密度,采用具有高体积储氢密度的储氢合金与轻质高压容器复合组成高压金属氢化物复合式储氢器.为获得高压氢源,研究了Mm-Ml-Ni-Al(Mm为富铈混合稀土,Ml为富镧混合稀土)的储氢特性,并试制了化学热压缩器.采用研制的高压氢源,对具有高吸放氢平台压力的Ce-Ni系合金的高压储氢特性进行了研究.实验结果表明:以Ml或Ca部分取代Mm以及Al对Ni的部分置换后合金活化性能和吸放氢压力滞后明显改善,(Mm-Ml)0.8Ca0.2(Ni-Al)多元合金具有较好的储氢性能,适合于作为化学热压缩合金.CeNi5基多元合金在40MPa氢压条件下,合金具有较好的活化性能和吸放氢动力学性能,合金最大储氢容量分别达到1.6wt%.将优化的储氢合金与自制的轻质高压储氢容器复合组成的金属氢化物复合式高压储氢器,当储氢合金的填充量达到0.2(体积分数)时,其体积储氢密度提高50%.     

AB5型固态金属储氢系统吸/放氢特性实验研究

为研究AB₅型固态金属储氢系统在不同温度和压力条件下的吸/放氢性能,搭建小型固态金属储氢罐实验平台,设计不同温度及压力条件下的吸/放氢循环实验,利用循环水浴系统构造换热环境对固态金属储氢罐进行循环换热,测试吸/放氢压力和温度等关键操作参数对AB₅型固态金属储氢系统吸/放氢性能的影响。结果表明：在达到相应吸氢反应平衡压力的条件下,较高的吸氢压力和温度对吸氢效率均具有促进作用,同时,较高的吸氢压力会加剧系统主要吸氢阶段的化合反应,伴有强烈的热交换行为,且维持不同放氢压力条件下的持续放氢需达到相应的放氢温度;同一压力条件下,较高的放氢温度可提高系统的放氢效率,使系统内部氢气压差达到相应放氢条件以维持系统持续稳定放氢的需求。上述结论可为AB₅型固态金属储氢系统的研究提供参考。     

储氢合金材料及其应用研究与发展

综述了储氢合金材料及其应用的研究与发展,论述了储氢合金材料在能量转换与储存、氢的储存与运输、氢的回收,分离与净化、催化剂、电极材料等方面的研究和发展以及尚待解决的问题。     

低压吸附贮存氢气作汽车燃料的研究与开发

对低压吸附贮氢用作汽车燃料的研究和开发工作进行了综述，并对该技术的工业化问题进行了讨论。     

基于氢气储能的热电联供微电网容量优化配置

以光伏系统、氢燃料电池、电解槽、储氢罐构建的热电联供微电网为研究对象,制定初始投资成本等年值以及年运行成本最小的优化目标,提出热电联供微电网热负荷满足率评价指标,针对系统运行的基本约束设计微电网控制综合策略,并以某地历史源荷数据为参考,建立满足工程应用的数学模型,采用粒子群优化算法进行求解,得到氢气储能的孤岛型微电网热电需求基本方案。从应用层面论证氢气储能替代电池储能的可行性,并进行微电网系统容量优化配置,可满足居民负荷供能需求,提高系统运行经济性,预期具有较好的应用前景。     

天然气和氢气吸附储存吸附热研究现状

吸附热效应是天然气—氢气吸附储存投入工程应用的又一大障碍，吸脱附过程当中的放热、吸热现象极大地降低了吸附系统的动态储存量。在常温快速充气时，床层有较大的温升；在常温快速脱附时，床层中心的温度大幅度下降，极大的增加了甲烷残存量。该文综述了前人针对吸附热问题在实验上的研究，总结了前人提出的各种吸附热问题的解决方案，并对新的研究方向进行了探索。     

潜艇燃料电池AIP氢燃料活性炭低温吸附储存

设计利用潜艇液氧冷量的燃料电池(FC)-AIP活性炭低温吸附储氢系统,在模拟潜艇航行中晃动和振动的平台上,测试氢在活性炭上的吸附等温线和储氢系统在为质子交换膜燃料电池(PEMFC)供气时的特性。结果表明,吸附等温线受平台晃振的影响小;温度为113K、压力为6MPa时,比表面积为1450m2.g-1的SAC-02活性炭储氢系统的质量储氢密度可超过当前艇用储氢合金的质量储氢密度;在2kW PEMFC电堆典型工况所需的氢气量(质量流率21.44L.min-1)下,通过充气过程的液氧预冷和放气过程的循环介质加热,可使储罐中心和壁面在整个过程中的最大温差小于5℃。活性炭低温吸附储氢系统的质量密度和储放氢特性能满足艇用FC-AIP系统的要求。     

碳质吸附剂吸附储氢的研究现状

论述了活性炭、碳纳米纤维、碳纳米管吸附储氢的研究历程，从实验、理论研究两个方面总结了前人的研究成果：活性炭在低温下有好的吸附储氢特性，但在室温条件下的结果却不令人满意；碳纳米管和碳纳米纤维的实验结果令人振奋，但众多的实验结果并不一致；碳纳米材料的制备技术和净化技术还仅处在实验规模的阶段；蒙特卡罗、密度泛函等方法是常用的计算机模拟技术，但目前它们只是考虑了理想的物理模型，没有考虑碳纳米管表面的一些不规则现象；碳质吸附剂吸附储氢从理论到应用还有一段距离。     

有机液态氢化物可逆储放氢技术的研究现状与展望

以甲基环己烷－甲苯－氢（MTH系统）与环己烷－苯－氢（CBH系统）为例介绍了有机物可逆储放氢技术的特点与研究现状。研究表明，该技术作为大规模、长期性的氢能储存和运输手段，作为随车脱氢为汽车提供氢燃料或为氢燃料电池提供氢源，以及用于化学热泵等在技术上都是可行的，但问题的关键是如何提高过程的释氢效率，特别是低温下的释氢效率，开发低温高效脱氢催化剂和采用膜催化反应分离技术是提高释氢过程效率的可行方法。水电解－有机氢载体电化学加氢－氢载体膜催化脱氢技术路线有望改善系统储氢效能，实现氢的高能量密度储存。     

基于汽车氢燃料的有机液体氢化物贮氢技术Ⅱ.MCH的随车脱氢反应及其催化剂研究

ＭＣＨ随车脱氢作为一种非稳态的、反应条件苛刻的过程，要求其脱氢催化剂具有良好的低温活性和高温稳定性，现有的脱氢催化剂尚难满足其要求。对碱改性工业３８６１催化剂的研究表明：碱性氧化物能有效地改善催化剂的脱氢性能，Ｐｔ－Ｓｎ－Ｋ（０．４％）／ｒ－Ａｌ２Ｏ３催化剂的稳定性较工业３８６１催化剂可提高８倍以上，但低温活性尚需继续提高；在常压、ＷＨＳＶ＝６ｈ－１、３００—４００℃、纯ＭＣＨ进料时，ＭＣＨ的有效贮氢量为２．７８％—６．１２％；空速与催化剂脱氢活性无明显依赖关系，这为实现随车脱氢反应器的小型化提供了可能性。     

氢燃料电池氢气管道吹扫系统冷启动策略研究

针对现有车载燃料电池管道在吹扫过程中氢气侧管道由于低温结冰易受阻,从而导致冷启动困难的问题,提出氢气管道两级吹扫方案,以实现对燃料电池堆氢管中剩余水、蒸汽含量的独立控制,降低冷启动时的加热能耗,避免冷启动失效。通过三维仿真对4种不同工况下阴极中段在不同时间的温度、阴极中段在不同时间的冰体积分数、电池纵向截面表面不同时间的温度进行分析,结果表明该方案可实现在-20 ℃温度下20 s内的平稳冷启动,既解决了低温冷启动困难问题,又保证了冷启动后的电堆输出性能。     

多壁碳纳米管吸附储氢性能的研究

采用容量法研究温度在273～300K范围内,压力升高到10MPa时多壁碳纳米管的吸附储氢性能.采用SEM、 TEM和低温N2吸附对碳纳米管的微观结构进行表征.结果发现,在相同压力下吸附量随温度的增加而降低,表明碳纳米管的吸附主要是物理吸附.采用Clausius-Clapeyron方程解析了氢气在碳纳米管上的等量吸附热,平均值为9.1kJ/mol.     

碳纳米纤维吸附储氢性能评价

利用N2(T=77K)、H2(T=298K)在三种碳纳米纤维材料中的吸附等温线，对这三种材料的吸附储氢性能进行了评价。以N2在77K下的吸附等温线为基础，分别用BET方法和BJH方法计算了这三种材料的比表面积和孔径分布，讨论了比表面积、孔径分布和吸附性能之间的关系。计算和实验结果表明：这三种材料均只含有少量的微孔，吸附性能较差。在三种后处理方法中，以水蒸气氧化法的效果最好，所得材料比表面积最大，微孔容积所占比例也最大，相应的吸附性能也最好。