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氢的储存和输运
双击自动滚屏 发布者:zq1229 发布时间:2020/12/31 22:28:22 阅读:18次 【字体:
 


氢气储存和输运 
作  者:吴朝玲 等 编 
定  价:128 
出 版 社:化学工业出版社 
出版日期:2021年01月01日 
页  数:304 
装  帧:精装 
ISBN:9787122374578 

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在氢经济中,制氢环节结束后,需要远程输送或者直接储存起来。美国能源部(DOE)对车载储氢技术提出的要求,迄今尚未找到能够完全满足所有要求的储氢系统。该要求对储氢系统的体积储氢密度、质量储氢密度、成本控制目标、工作温度范围、使用寿命、吸氢饱和时间等设置了具体的参数,其目的是希望燃氢汽车性能与燃油汽车相近,包括燃料补给等候时间、行驶里程数等,从而可不改变人们对汽车使用的习惯。但氢气密度很低,逸出速度快。标准状态下氢气的体积能量密度是汽油的1/3000,如果氢的应用环境是汽车等运输部门,不仅对体积能量密度有较高的要求,在质量密度上更是希望氢的输送和储存技术能与化石燃料(如燃油和燃气)相当。这些都大大增加了氢气的储存和输运难度。此外,对于氢的输送与储存来讲,能量效率也是一个重要的因素。通常以氢所具有的燃烧热为基准,用输送与储存所消耗的能量占氢的燃烧热(12MJ/m³、142MJ/kg)的比例作为指标。氢的输送与储存所消耗的能量占氢的燃烧热的10%以内为理想状态。因此,发展安全、高效的储氢技术是实现氢经济的又一关键环节。
氢的储存技术
氢的储存方式根据其存在状态可以分为三大类:气态储氢、液态储氢和固态储氢。其中,固态储氢方式很多,分为物理吸附储氢、金属氢化物储氢、复杂氢化物储氢、直接水解制氢(即储氢与产氢一体化)等多种类型。下表列出了六种最典型的可逆储氢方式,每种储氢方式各有优劣势。这里仅做简单介绍。
01
高压气态储氢
高压气态储氢是指将氢气压缩在储氢容器中,通过增压来提高氢气的容量,满足日常使用。常见的高压钢瓶气压为15MPa,这是一种应用广泛、灌装和使用操作简单的储氢方式,成本也低。其缺点是储氢密度低(体积储氢密度约10kg/m³,质量储氢密度约0.5%)。这显然不能满足如汽车等移动设备对氢源的要求。通过提高容器的压力可以提高储氢密度。目前,在汽车领域,高压(35~70MPa)气态储氢技术较成熟,已被成功应用于氢燃料电池车上。国际上主流燃料电池汽车车型均采用70MPa的氢气存储和供给系统。高压气态储氢遇到的主要问题包括:①体积储氢密度低;②压缩氢气的能耗大;③输出调压、安全性的关键阀门和传感器等部件仍需进口等。
02
液态储氢
液态储氢是一种深冷的氢气存储技术。氢气经过压缩后,深冷到21K以下,使之变为液氢,然后存储到特制的绝热真空容器(杜瓦瓶)中。即使气态氢压力高达800bar,液态氢的体积储氢密度也比之高一倍多。但是,由于液态氢密度小,所以在作为燃料使用时,相同体积的液氢与汽油相比,含能量少,这意味着将来若以液氢完全取代汽油,则行驶相同里程数时,液氢罐的体积要比现有油箱大约3倍。液态储氢技术被BMW等汽车公司应用于燃料电池车上,如宝马Hydrogen7和宝马H2R。但基于氢气液化的高耗能(氢燃烧热值的40%)、装置的高绝热及其不可避免的液氢汽化(每天汽化百分之几)涉及的安全性(储罐耐压不高及在密闭车库里等情况)等问题,其应用有限。▲ 图2 圆柱形液氢储罐结构示意图
03
物理吸附储氢
物理吸附储氢是指氢与固体材料的表面发生作用时,固体表面气体的浓度高于气相的现象。物理吸附中的作用力是范德华力,物理吸附储氢的吸附热低,一般数量级在-10kJ/mol以下,一般只能在低温下达到较大储氢量,活化能很小,吸放氢速度较快,一般可逆,循环性好。物理吸附储氢通常选择比表面积大的固体材料,如碳材料(包括活性炭、碳纳米管、石墨烯等)、沸石、金属有机骨架结构(MOF)等。物理吸附储氢的体积储氢密度是六种常见储氢方式中最小的,常见的工作温度在液氮温度附近

04
金属氢化物储氢
在所有固态储氢材料中,研究最集中、最广泛,目前也最具有实用化前景的是储氢合金。由于金属氢化物中氢储存在储氢合金晶格间隙的位置,只有在升温或者降低氢压时才能释放氢气,因此其最大的优势是具有极高的体积储氢密度和安全性。这对那些要求结构紧凑的储氢系统(如分布式发电站的储能系统等)来说是非常合适的选择。金属氢化物通常在近室温、近常压附近工作,条件温和,吸放氢可逆性好,循环使用寿命长。缺点是有效吸放氢量低,一般不超过3% (质量分数,下文如未特殊说明均指质量分数),如果用在移动式设备(如汽车)上则显得笨重05
复杂氢化物储氢
复杂氢化物是近年来关注度非常高的一类储氢材料,其中储存的氢在温和条件下只能释放一部分,还剩下一部分氢存在稳定的二元金属氢化物中。如果要继续释放二元金属氢化物中的氢,通常需要很高的温度。 复杂氢化物种类很多,结构不一,性能各异,但通常都有较高的体积储氢密度和质量储氢密度。典型的复杂氢化物有LiBH4、LiAlH4、NaAlH4、Mg(AlH4)2 等。如LiBH4,其体积储氢密度高达150kg/m3,质量储氢密度高达18%,是最有潜力的固态储氢材料之一。但由于存在多步放氢反应造成的可逆性差,且放氢温度对PEM 燃料电池来讲仍显过高等问题,距离实用化还有很长的路要走
06
产氢储氢一体化(直接水解制氢)
一些金属或者氢化物与水接触发生可控的化学反应可以产生氢气,称为直接水解制氢。直接水解制氢把储氢与产氢两个环节集中到一套氢源系统里,减少了复杂的储氢环节,故称其为产氢储氢一体化。直接水解制氢材料一般可以获得较高的体积储氢密度和质量储氢密度。但直接水解制氢材料的放氢产物无法通过固-气反应在线再生,必须借助下线后集中式化工过程完成材料再生,因此会产生再生成本和高能耗的新问题。鉴于可逆储氢材料目前还不能满足广泛的氢源供给系统的应用需求,目前国际上已确立了以直接水解制氢为代表的不可逆化学储氢为储氢材料研发的新方向,与可逆储氢材料的研发并驾齐驱。常见的直接水解制氢材料有NaBH4、Al、MgH2 以及镁钙合金氢化物。(更多内容详见《氢气储存和运输》一书)

氢从制氢车间完成生产环节后,需要输送、转运到加氢站、化工厂、分布式发电站等需氢部门。氢的运输方式可以采用压缩后深冷制成液态氢,装入绝热的真空容器中,采用车、船等方式运输;也可以选择管线运输,跟天然气的输送相近。(更多内容详见《氢气储存和运输》一书


1.以靠前视野统领全书的架构,作者团队包含靠前国内专家,所有的编写人员均有国内外工作经验,对储氢、运氢、氢能经济的进展和理解把握到位。 2.内容丰富,不仅包括物理储氢,还涵盖储氢材料储氢、氢化物储氢等热点研究领域;在输运方面不仅有车船输运,还有管网输运;同时图书内容还有储运测评方法与氢能的典型应用案例。可以称得上是一部很好完整全面的氢气储运方面的专著,可参考性强。 3.作者团队及单位长期从事氢能及储氢材料与技术的研究,丰厚的积累赋予图书高质量的呈现。
目录
●章绪论/1
1.1氢与氢经济/1
1.2氢的物理和化学性质/3
1.2.1氢的物理性质/3
1.2.2氢的化学性质/3
1.2.3氢的安全性/5
1.3氢能的关键技术/6
1.3.1氢的制取技术/6
1.3.2氢的储存和运输技术/14
1.3.3氢的应用技术/17
1.4氢气储运的问题与发展趋势/20
参考文献/21

第2章氢气的高压储存/23
2.1氢气高压储存原理/23
2.2氢气高压储存的关键技术/24
2.2.1高压氢气的压缩方式/24
2.2.2高压氢气的储存/27
2.3氢气高压储存应用前景/32
2.3.1运输用大型高压储氢容器/32
2.3.2加氢站用大型高压储氢容器/34
2.3.3燃料电池车用高压储氢罐/34
2.4小结/35
参考文献/35

第3章氢气液化储存/36
3.1氢气液化原理/36
3.1.1几个重要的术语/36
3.1.2氢的液化方法/39
3.2氢气液化储存关键技术/40
3.2.1氢气液化技术/40
3.2.2液氢存储技术/41
3.3氢气液化储存应用前景/46
3.3.1液氢在航空领域的应用/46
3.3.2液氢在航天领域的应用/47
3.3.3液氢在汽车领域的应用/48
3.3.4液氢在其他领域的应用/50
3.4小结与展望/51
参考文献/51

第4章材料吸附储氢/52
4.1碳材料储氢/52
4.1.1活性炭吸附储氢/52
4.1.2碳纤维吸附储氢/53
4.1.3碳纳米管吸附储氢/55
4.1.4其他碳基储氢材料/57
4.2金属-有机骨架材料储氢/58
4.2.1金属-有机骨架材料的结构特点/58
4.2.2金属-有机骨架材料的储氢性能/59
4.3沸石类材料储氢/61
4.4材料物理吸附储氢应用前景/63
参考文献/63

第5章金属氢化物储氢/68
5.1概述/68
5.1.1金属氢化物储氢的概念/68
5.1.2金属氢化物储氢的热力学原理/69
5.1.3金属氢化物储氢的动力学过程/71
5.1.4金属氢化物储氢性能的评价/71
5.2金属单质储氢/73
5.2.1金属镁储氢/73
5.2.2金属钛储氢/74
5.2.3金属钒储氢/74
5.3合金储氢/75
5.3.1A2B型储氢合金/76
5.3.2AB型储氢合金/80
5.3.3AB2型储氢合金/82
5.3.4AB5型储氢合金/85
5.3.5BCC型储氢合金/88
5.3.6La-Mg-Ni系超晶格储氢合金/90
5.4金属氢化物储氢应用前景/93
参考文献/94

第6章复杂氢化物储氢/99
6.1引言/99
6.2铝氢化物储氢材料/99
6.2.1铝氢化物的合成与晶体结构/100
6.2.2铝氢化物的物化性质与吸/放氢机制/102
6.2.3催化掺杂铝氢化物/105
6.2.4纳米铝氢化物/111
6.3硼氢化物储氢材料/117
6.3.1硼氢化物的合成与晶体结构/118
6.3.2硼氢化物的物化性质和吸/放氢机制/121
6.3.3离子替代硼氢化物/122
6.3.4硼氢化物反应失稳体系/125
6.3.5纳米硼氢化物/126
6.4金属氨基化合物储氢材料/129
6.4.1金属氨基化合物的制备/130
6.4.2金属氨基化合物的典型晶体结构/131
6.4.3复合反应机理/135
6.4.4复合储氢性能/137
6.5小结与展望/144
参考文献/144

第7章储氢与产氢一体化/161
7.1NaBH4体系水解制氢/161
7.1.1NaBH4体系水解制氢原理/162
7.1.2NaBH4体系水解制氢关键技术/168
7.2Mg/MgH2水解制氢/177
7.2.1Mg/MgH2水解制氢原理/177
7.2.2Mg/MgH2水解制氢关键技术/177
7.3金属铝水解制氢/187
7.3.1金属铝水解制氢原理/187
7.3.2金属铝水解制氢关键技术/187
7.4其他化学制氢体系/194
7.5水解制氢装置/195
7.5.1NaBH4可控水解制氢装置/195
7.5.2Al-H2O可控水解制氢装置/196
7.6储氢与产氢一体化技术应用前景/197
参考文献/198

第8章氢气车船运输/206
8.1氢气车船运输方法/207
8.1.1气态氢的拖车运输/207
8.1.2液态氢的车辆运输/209
8.1.3液态氢的船舶运输/209
8.1.4液氨的运输/210
8.1.5有机液态氢化物的运输/211
8.1.6固态氢的运输/212
8.2氢气车船运输关键技术/212
8.2.1高压氢气车船运输的关键技术/212
8.2.2液态氢车船运输的关键技术/213
8.2.3液氨车船运输的关键问题/214
8.2.4有机液态氢化物车船运输的关键问题/215
8.3小结与展望/216
参考文献/218

第9章氢气管网输送/220
9.1氢气管网输送方法/220
9.1.1纯氢气的管网输送/220
9.1.2氢-天然气混合气的管网输送/222
9.2氢气管网输送关键技术/223
9.2.1输氢用钢制管道和氢脆/224
9.2.2氢气的泄漏和全程监测/231
9.2.3氢气压缩/233
9.3氢气管网输送的经济性/234
9.4小结与展望/234
参考文献/234

0章氢气储运测评方法/237
10.1氢气纯度的检测方法/237
10.1.1低纯度氢气(纯度小于99.99%)的分析方法/237
10.1.2高纯度氢气(纯度高于99.99%)的分析方法/238
10.2材料吸放氢性能检测/240
10.2.1体积法/240
10.2.2热脱附谱/241
10.2.3热重法/241
10.2.4电化学法/241
10.3氢气中颗粒物的检测法/241
10.3.1重量法/242
10.3.2β射线吸收法/242
10.3.3微量振荡天平法/242
10.3.4光散射法/242
10.4氢气瓶检测/242
10.4.1铝内胆的检测方法/243
10.4.2气瓶的检测方法/243
10.5氢气输送管道检测/245
10.5.1金属材料与氢环境相容性试验方法/245
10.5.2金属材料氢脆敏感度试验方法/246
10.6相关的其他检测/247
10.6.1氢气泄漏检测的方法/247
10.6.2氢燃料电池车中氢系统的安全监控/247
10.7小结与展望/248
参考文献/248

1章氢的典型应用案例/250
11.1燃料电池车辆/250
11.1.1燃料电池乘用车/250
11.1.2燃料电池城市客车/252
11.1.3燃料电池叉车/253
11.2固定式燃料电池发电/254
11.2.1移动通信基站用燃料电池发电/254
11.2.2家庭用燃料电池发电/255
11.2.3其他用途固定式燃料电池发电/257
11.3移动式燃料电池电源/257
11.3.1基于水解制氢的燃料电池充电宝/257
11.3.2基于可逆气固储氢的燃料电池充电宝/258
11.4电解水储能/259
11.5氢内燃机/261
11.6燃料电池电动船舶/264
11.6.1潜艇/264
11.6.2民用燃料电池船舶/266
11.7加氢站/267
11.7.1加氢站的工艺流程/267
11.7.2加氢站的建设数量及规划/268
11.7.3加氢站建设的技术路线/269
11.7.4小结与展望/271
11.8金属氢化物氢压缩机/272
11.8.1金属氢化物氢压缩机的工作原理/272
11.8.2金属氢化物氢压缩机的主要特点/272
11.8.3金属氢化物氢压缩机的关键技术/272
11.8.4金属氢化物氢压缩机技术的典型案例/273
11.9氢气的纯化/274
11.9.1低温吸附法/275
11.9.2低温吸收法/275
11.9.3深冷分离法/275
11.9.4变压吸附法/276
11.9.5膜分离法/277
11.9.6金属氢化物分离法/277
11.9.7水合物分离法/278
11.9.8氢气纯化与分离技术的发展趋势/279
11.10小结与展望/279
参考文献/280

附录/283
附录Ⅰ氢气及部分氢化物的物化参数/283
附录Ⅱ一些氢化物的物化参数/284
附录Ⅲ一些储氢材料的物化特性参数和吸放氢性能/285
附录Ⅳ氢气储运相关标准列表/287
附录Ⅴ国内从事氢气储运研发的部分相关机构/287
附录Ⅵ国内从事氢气储运的部分相关企业/288
参考文献/289
内容介绍
《氢气储存和输运》主要内容包括氢气高压储存、氢气液化储存、材料吸附储氢、金属氢化物储氢、复杂氢化物储氢、储氢与产氢一体化、氢气车船运输、氢气管网输送等与氢气的储存和输运相关的技术,与之相关的测评方法,以及氢能的一些典型应用案例,既全面深入地论述了原理和关键技术,也注重评述各种技术的适用范围及实际应用。《氢气储存和输运》全面系统地阐述氢气储存和输运环节中各种技术的发展历程、近期新的研究成果和成功的应用案例,具有很强的科学性、工程指导性和参考价值。《氢气储存和输运》可供氢能、材料、化工及其他相关行业领域的科研技术人员和学生阅读参考。

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