Analyse af anvendelsen af ​​brintopbevaringsteknologi i brændselscelle -skibe

Med den stigende globale opmærksomhed på energibesparelse og reduktion af emission,Brændselscelleskibe, som en vigtig retning for den grønne transformation af rederiet, får mere og mere opmærksomhed. Som et nøgleforbindelse i udviklingen af ​​brændselscelleskibe, forskning og anvendelsesstatus forbrintopbevaringTeknologi er endnu mere iøjnefaldende.

Der er forskellige måder at opbevare brint i brændselscelle -skibe på, i øjeblikket hovedsageligt inklusiveHøjtryksgasformet brintopbevaring, Lavtemperaturvæskens brintopbevaring, organisk flydende brintopbevaring og metalhydridbrintopbevaring. Disse brintopbevaringsmetoder har deres egne fordele og ulemper og er egnede til forskellige typer skibe og efterspørgselsscenarier.

1. Højtryksgasformet brintopbevaring

Højtrykshydrogenlagringsbutikker brint i en gasformig form med høj densitet i en gascylinder gennem komprimeringsbehandling. Det er blevet den mest anvendte brintlagringsmetode inden for skibe på grund af dets hurtige fyldning, lave omkostninger og lette drift. Nøglen til denne teknologi ligger i forskningen og udviklingen af ​​brintopbevaringscylindre. Højtryk af brintopbevaringscylindre er opdelt i fire typer: rene stålmetalcylindre (type I), stålforing kulfiberindpakket flasker (type II), aluminiumforing Carbon Fiber fuldt indpakket flasker (type III) og plastforing kulfiber fuldt indpakket flasker (type IV).

Blandt dem er type III og type IV gascylindre sammensat af foring, carbonfiberviklingslag og glasfiberforstærket harpikslag. Den samlede vægt er relativt let, og massebrintopbevaringstætheden er høj. De er de hotte spots tilBrændselscelleskibapplikationer. På nuværende tidspunkt er brændselscelle -skibe hjemme og i udlandet udstyret med type III -flasker med et arbejdstryk på 35MP. På grund af begrænsningerne i brintopbevaringstætheden og volumenet af gascylindersystemet er typerne af skibe hovedsageligt indre færger og lystbåde med lille effekt.

I udfordringen med uoverensstemmelse mellem skibsenergilagring og udholdenhed bruger 70MPa type IV gascylindre lette højstyrke plast til at erstatte metaller for at forbedre kvalitet, påvirkningssejhed og korrosionsbestandighed, men står over for tekniske hindringer, herunder:

1) Materiale og strukturelle problemer: Grænsefladen mellem plastforingen og metallet er tilbøjeligt til lækage, og behandlingsteknologien og overfladebehandlingen skal optimeres for at forbedre tætning og binding.

2) Termiske styringsudfordringer: En stor mængde varmeenergi genereres under hurtig hydrogenering, som skal kontrolleres for at undgå sikkerhedsfarer. Selvom simuleringen viser, at den opfylder sikkerhedsstandarderne, kræver det faktiske høje temperaturmiljø i kabinen strengere temperaturstyringsforanstaltninger.

3) Indflydelse af fyldningsbetingelser: Den oprindelige temperatur og fyldningshastighed for brint påvirker temperaturstigningen markant, og fin kontrol er påkrævet for at optimere fyldningsprocessen.

Højtryks brintopbevaring er i øjeblikket en almindelig brintopbevaringsmetode for brændselscelleskibe, som er praktisk og økonomisk. På grund af tryk og volumen af ​​gascylinderen bruges 35MPa type III-cylindre imidlertid i øjeblikket til småkraftskibe. For at forbedre udholdenheden undersøges brugen af ​​70MPa, lettere type IV -cylindre for at udvide applikationen til større skibe.

Japans Yanmar Corporation og Toyota brugte specielt licenseret udstyr med højt tryk til at opnå verdens første skib 70MPA gascylinder tankning.

Imidlertid har opbevaring af hydrogenopbevaring af højtryksopbevaring og styringsproblemer, brintanlægningsstationer er knappe, og udskiftningen af ​​brintcylindre er upraktisk og har skjulte farer. På samme tid skubber trykforøgelsen op på udstyrsomkostningerne og brintforbruget af energiforbruget, og de samlede omkostninger stiger markant.

2. Metal Hydrid brintopbevaring

Princippet om opbevaring af metalhydridhydrogen er at bruge overgangsmetaller eller legeringer til at reagere med brint for at generere metalhydrider for at opnå brintopbevaring under visse temperatur- og trykforhold, mens den frigiver varme; Når temperaturen stiger, nedbrydes metalhydridet for at frigive brint.

Sammenlignet med gasformigt brintopbevaring er den største fordel ved denne brintopbevaringsmetode, at brintopbevaringstrykket er lavt, og sikkerheden er høj, efterfulgt af en storvolumen brintopbevaringstæthed (1000 ~ 3000 gange gasformet brint under den samme temperatur og trykbetingelser). Brintopbevaringslegeringer, der i øjeblikket er under udvikling, inkluderer hovedsageligt sjældne jordlegeringer, titanlegeringer, zirkoniumlegeringer, magnesiumlegeringer og vanadiumlegeringer.

Metalhydridhydrogenopbevaring har flere fordele end gas og væske med hensyn til sikkerhed og volumetrisk brintopbevaringstæthed, men de eksisterende materialer har høje brintfrigørelsesreaktionstemperaturbetingelser, og reaktionsprocessen kan have problemer, såsom ødelæggelse af legeringsstruktur, og legeringen vil udvides og sammentrækkes under hydrogenfrigørelsesprocessen, hvilket får opbevaringsbeholderen til at deform.

I faktiske skibsapplikationer skal nøgleforskning udføres i følgende aspekter:

1) Udvikle nye brintlagringslegeringsmaterialer for at forbedre massebrintopbevaringstætheden,

2) Optimer hydrogenabsorptionen og desorptionsydelsen af ​​brintopbevaringsmaterialer gennem overfladebehandling, tilsætning af katalysatorer osv.,

3) Optimer opbevaringstankdesignet for at undgå deformation af beholderen på grund af ekspansion forårsaget af reaktionen af ​​legeringspulver med brint;

4) Udfør varmeopsamlings-, opbevarings- og applikationssystemer for solid-state brintopbevaringssystemer, og kombiner forskning med hele skibet for at forbedre effektiviteten af ​​energiproduktionen og reducere byrden på enhedens volumen og masse.

Fordi selve brintopbevaringslegeringen er tung, er dens massebrintlagringstæthed lav, men det er mere fordelagtigt for undervandsbåde og kan øge ballasten af ​​både. Udvikling af brintopbevaringsmaterialer af høj kvalitet og optimering af arbejdsvilkårene er vigtige forskningsretninger i fremtiden.

Den brændselscelleudstyrede type 212A-ubåd udviklet af det tyske HDW-værft har 38 Titanium-jernlegeringsbrintopbevaringstanke, der kan opbevare 84 kg brint hver. Kilde: Internet

Når man vælger en brintopbevaringsmetode til et brændselscelleskib, er det nødvendigt at overveje flere faktorer, såsom brintopbevaringstæthed, sikkerhed, omkostninger, levetid, stabilitet og energiforbrug. Følgende tabel sammenligner forskellige brintlagringsmetoder:

Metal Hydride Hydrogen -opbevaring har enestående ydelse, renhed og sikkerhed og forventes at blive mainstream i fremtiden.