低壓吸附貯存氫氣作汽車燃料的研究與開發(fā)

1、低壓吸附貯存氫氣作汽車燃料的研究與開發(fā)鄒勇韓布興閻?？?中國科學院化學研究所，北京100080)文摘：對低壓吸附貯氫用作汽車燃料的研究和開發(fā)工作進行了綜述，并對該技術(shù)的工業(yè)化問題進行了討論。關(guān)鍵詞：氫氣，吸附貯存，汽車燃料0引言言氫氫氣作為為一種高高效、凈凈潔、資資源豐富富的車用用替代燃燃料，前前景十分分樂觀1。其其關(guān)鍵技技術(shù)是氫氫氣的儲儲存。據(jù)據(jù)報道2，美美國能源源部在全全部氫能能研究經(jīng)經(jīng)費中約約有500%用于于氫貯存存。氫氣氣貯存方方法大致致可分為為以下幾幾種33：液液化貯存存，金屬屬貯存，壓壓縮貯存存，吸附附貯存。車用燃料氫氣的低壓吸附貯存技術(shù)的研究始于70年代末4，現(xiàn)正在加緊開發(fā)，其基

2、本原理是借助于多孔介質(zhì)的吸附作用，在較溫和的條件下(77195K，50MPa)，使氫氣濃縮、密度增大，以一種類似于超臨界流體的形式貯存于多孔介質(zhì)的孔隙內(nèi)5。由于該技術(shù)具有壓力低、貯存容器自重輕、形狀選擇余地大、成本低等優(yōu)點3，6，越來越引起各國學者的關(guān)注，已成為該領(lǐng)域的研究熱點。本文以國外近30年報道的材料為依據(jù)，對車用燃料氫氣的低壓吸附貯存技術(shù)進行綜述。1低壓吸吸附貯氫氫的主要要影響因因素低壓吸吸附貯氫氫的主要要影響因因素有：(1)吸附劑劑的類型型及其性性能，(2)氫氫氣的純純度，(3)吸吸附貯存存條件。1.1吸附劑的類型及其性能1.1.1吸附劑的類型各國研究者使用的吸附劑可分為三類：(1)

3、分子篩，(2)一般活性炭，(3)高比表面積活性炭（AX-21）。吸附劑貯氫特性示于圖1和圖2。由圖1、2可見，T77K時， 三類不同吸附劑的吸附貯氫能力為：高比表面積的活性炭遠遠大于一般活性炭，而活性炭大于分子篩。這說明炭質(zhì)吸附劑，尤其是高比表面積活性炭吸附劑貯氫性能最佳。圖1三類類不同吸吸附劑單單位質(zhì)量量貯氫能能力比較較71AX-21，22NNoriit，33BBPL，4CNS-201，55A，613X圖2三類類不同吸吸附劑單單位體積積貯氫能能力比較較71AX-21（003ggcmm），22BBPL（00477gccm）3Linnde13XX（025ggcmm）1.1.22炭質(zhì)質(zhì)吸附劑劑的性

4、能能炭炭質(zhì)吸附附劑的性性能(BBET比比表面積積、表面面酸性及及其金屬屬改性)對其吸吸附貯氫氫量的影影響如圖圖355所示。圖3五種種活性炭炭吸附貯貯氫量的的比較8（TT788K）11.SBBET10112mg，含含氧量128；2SSBETT11159mmg，含含氧量133；3SSBETT7113mg，含含氧量186；4SSBETT15559mmg，含含氧量466；55SBBET11119mg，含含氧量744圖4Wiito炭炭的表面面酸性對對其吸附附貯氫的的影響9（TT777K，PP25MPPa)圖3表表明，除除活性炭炭4外，其其余四種種活性炭炭吸附貯貯氫能力力為：BBET比比表面積積越大，其其

5、吸附貯貯氫量越越多，但但SBEET111000mg，貯貯氫量相相差很小小，見曲曲線2、44、5；活性炭炭4的BBET比比表面積積大于22.5時時，其吸吸附貯氫氫量反而而比2.5時小小，這意意味活性性炭吸附附貯氫不不僅與其其比表面面積有關(guān)關(guān)，而且且還與其其它性能能有關(guān)，如如表面酸酸堿性、孔孔徑分布布。圖4表表明，炭炭質(zhì)吸附附劑的表表面酸性性有利于于吸附貯貯氫。通通過對炭炭質(zhì)吸附附劑的表表面改性性，增大大其表面面酸性，可可提高貯貯氫量330%（WWt）10。圖圖5表明明，活性性炭經(jīng)金金屬鈀改改性后，其其貯氫能能力增強強，且隨隨壓力的的增大貯貯氫量增增大；但但壓力低低時，（PP10MPPa），金金屬

6、鈀改改性后貯貯量略有有降低。作作者認為為，壓力力低時，炭炭質(zhì)吸附附劑的貯貯氫量主主要取決決于它的的微孔容容積，但但由于鈀鈀的負載載，肯定定有部分分孔隙被被堵，因因而微孔孔容積有有所降低低。隨著著壓力的的增大，負負載在活活性炭上上的金屬屬鈀對氫氫的超溢溢現(xiàn)象逐逐漸起作作用，結(jié)結(jié)果使其其貯氫量量大大地地增大。1.2氫氣的純度氫氣純度對高比表面積活性炭貯氫的影響，其結(jié)果示于圖612。圖5活性性炭金屬屬鈀改性性前后貯貯氫量的的比較(T777K）115PddACC，AAC圖6純氫氫和(550910)氮氣氣氫氣氣在高比比面積活性炭上的的吸附特特性（TT1550K）121H，2（550910)NH圖6表表明

7、，壓壓力越大大，高比比表面積積活性炭炭貯氫量量降低越越多，即即壓力越越大，雜雜質(zhì)氮氣氣的影響響越嚴重重。1.3貯貯存條件件圖7溫度度和壓力力對高比比表面積積活性炭吸附附貯氫影影響的實實驗結(jié)果果71777K，221175KK，32998K不同溫溫度和壓壓力對高高比表面面積活性性炭吸附附貯存氫氫氣的影影響，其其結(jié)果示示于圖77。圖7表表明，高高比表面面積活性性炭吸附附貯氫時時，溫度度越低、壓壓力越高高，其貯貯氫量越越多，但但當T77KK時，壓壓力增大大到一定定值(200MPaa)時，其其貯氫量量增量很很小，趨趨近于一一定值。作作者認為為，產(chǎn)生生上述現(xiàn)現(xiàn)象的主主要原因因是，低低溫活性性炭吸附附貯氫主

8、主要是物物理吸附附，其吸吸附等溫溫線為典典型的LLanggmuiir型曲曲線。2經(jīng)濟分分析氫氣四四種貯存存方法的的經(jīng)濟分分析結(jié)果果示于表表1。表1四種種不同貯貯存氫氣氣方法的的經(jīng)濟分分析66(單單位：美美元GGJ）貯存方法使用系統(tǒng)成成本貯存系統(tǒng)成成本能量消耗總成本總成本排序序壓縮(P200MPPa）082812265115992液化14623615377190224金屬06078444541138553吸附2102612467381（150KK，54MPPa）從表11可知，采采用吸附附方法時時，盡管管增加了了吸附劑劑和系統(tǒng)統(tǒng)成本，但但貯存系系統(tǒng)和能能量消耗耗成本卻卻有較大大幅度的的降低，故故總

9、成本本最低。 3小結(jié)結(jié)用用作車用用燃料的的低壓吸吸附貯氫氫發(fā)展前前景良好好，其技技術(shù)關(guān)鍵鍵是吸附附劑，實實現(xiàn)工業(yè)業(yè)化應(yīng)用用尚需對對以下問問題進行行研究：低溫運運行；炭炭質(zhì)吸附附劑孔徑徑分布對對貯氫性性能的影影響；過過渡金屬屬改性提提高吸附附貯氫量量的機理理；吸附附貯氫運運行參數(shù)數(shù)的最佳佳化和最最大貯氫氫量。參考文文獻1GenneDDBeerryy，ettallEnnerggy，119966，211（4）：28992鮑鮑德佑.太陽能能學報，119955，166(1)：11143DavvidLBBlocckFFSESS-CRR-2332-888XXK-77-077，19988，115844CCar

10、rpeiits，eetaalPProcc1sstWWorlldHHydrrogeenEEnerrgyConnf，119766，455CCarrpeiits，eetaalPProcc2sstWWorlldHHydrrogeenEEnerrgyConnf，119788，1443366ZiiminngTTan，eetaalJJPhhysCheem，119900，944：6006177KAGGAmmankkwahh，ettall，IIntJHHydrrogeenEEnerrgy，119899，144（7）：43778RRChhahiine，eetaal，IIntJHHydrrogeenEEnerrgy

11、，119944，199（2）：16119RRKAgaarwaal，eetaal，CCarbbon，119877，255（2）：219910JSSNooh，eetaal，IIntJHHydrrogeenEEnerrgy，119877，122（100）：6693111JJameesAAScchwaarz，eetaal，UUSPPateent471167336（119888）122JaamessASchhwarrz，eetaal，UUSPPateent496604550（119900）133KAGGAmmankkwahh，ettall，IIntJHHydrrogeenEEnerrgy，119911，

12、166（5）：339914PetterHofffmaanHHydrrogeenFuuelCelllLLettter，119977，7（22）：1115SettPhhenHilllNNewSciienttistt，19996，112，221128：20RESEAARCHHANNDDDEVEELOPPMENNTOOFLLOW-PREESSUUREAADSOORPTTIONNSTTORAAGEHYDDROGGENGASSASSAVEHHICLLESFUEELZouYYonggHHanBuxxinYaanHHeikke（IInsttituuteofCheemisstryy，ChhineeseAcaademmyoofSScieencees，BBeijjingg10000880）Abstrractt：Innthhispapper，tthelowwpreessuureadssorpptioonsstorrageehyydroogenngaasttechhnollogyyisscrrit