Phân tích ứng dụng công nghệ lưu trữ hydro trong tàu pin nhiên liệu

Với sự chú ý toàn cầu ngày càng tăng đối với bảo tồn năng lượng và giảm phát thải,Tàu pin nhiên liệu, như một hướng quan trọng cho sự chuyển đổi xanh của ngành vận tải, đang nhận được nhiều sự chú ý hơn. Là một liên kết chính trong việc phát triển các tàu pin nhiên liệu, tình trạng nghiên cứu và ứng dụng củaLưu trữ hydroCông nghệ thậm chí còn bắt mắt hơn.

Có nhiều cách khác nhau để lưu trữ hydro trong các tàu pin nhiên liệu, hiện tại chủ yếu bao gồmLưu trữ hydro khí áp suất cao, lưu trữ hydro lỏng nhiệt độ thấp, lưu trữ hydro lỏng hữu cơ và lưu trữ hydro hydro kim loại. Các phương pháp lưu trữ hydro này có ưu điểm và nhược điểm riêng của chúng và phù hợp cho các loại tàu và kịch bản nhu cầu khác nhau.

1. Lưu trữ hydro khí áp suất cao

Lưu trữ hydro áp suất cao lưu trữ hydro ở dạng khí mật độ cao trong xi lanh khí thông qua xử lý nén. Nó đã trở thành phương pháp lưu trữ hydro được sử dụng rộng rãi nhất trong lĩnh vực tàu do làm đầy nhanh, chi phí thấp và hoạt động dễ dàng. Chìa khóa của công nghệ này nằm ở nghiên cứu và phát triển các xi lanh lưu trữ hydro. Xi lanh lưu trữ hydro áp suất cao được chia thành bốn loại: xi lanh kim loại bằng thép nguyên chất (loại I), chai sợi carbon bằng thép (loại II), sợi carbon bằng nhôm bọc hoàn toàn (loại III) và sợi carbon nhựa được bọc hoàn toàn (loại IV).

Trong số đó, các xi lanh khí loại III và loại IV bao gồm lớp lót, lớp cuộn dây bằng sợi carbon và lớp nhựa gia cố sợi thủy tinh. Trọng lượng tổng thể là tương đối nhẹ và mật độ lưu trữ hydro khối lượng cao. Họ là những điểm nóng choTàu pin nhiên liệuứng dụng. Hiện tại, các tàu pin nhiên liệu trong và ngoài nước được trang bị chai loại III với áp suất làm việc là 35 MP. Do những hạn chế của mật độ lưu trữ hydro và thể tích của hệ thống xi lanh khí, các loại tàu chủ yếu là phà nội địa và du thuyền với công suất nhỏ.

Trong thử thách không phù hợp giữa lưu trữ năng lượng và độ bền của tàu, các xi lanh khí loại IV 70MPa sử dụng nhựa có độ bền cao nhẹ để thay thế kim loại để cải thiện chất lượng, độ dẻo dai và khả năng chống ăn mòn, nhưng phải đối mặt với các chướng ngại vật kỹ thuật, bao gồm:

1) Các vấn đề về vật liệu và cấu trúc: Giao diện giữa lớp lót nhựa và kim loại dễ bị rò rỉ, và công nghệ xử lý và xử lý bề mặt cần được tối ưu hóa để tăng cường niêm phong và liên kết.

2) Thách thức quản lý nhiệt: Một lượng lớn năng lượng nhiệt được tạo ra trong quá trình hydro hóa nhanh, cần được kiểm soát để tránh các mối nguy hiểm an toàn. Mặc dù mô phỏng cho thấy nó đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn, môi trường nhiệt độ cao thực tế của cabin đòi hỏi các biện pháp kiểm soát nhiệt độ nghiêm ngặt hơn.

3) Ảnh hưởng của các điều kiện làm đầy: Nhiệt độ ban đầu và tốc độ làm đầy của hydro ảnh hưởng đáng kể đến sự gia tăng nhiệt độ và cần phải kiểm soát tốt để tối ưu hóa quá trình làm đầy.

Lưu trữ hydro áp suất cao hiện là một phương pháp lưu trữ hydro phổ biến cho các tàu pin nhiên liệu, thuận tiện và kinh tế. Tuy nhiên, do áp suất và thể tích của xi lanh khí, các xi lanh loại III 35MPa hiện đang được sử dụng cho các tàu năng lượng nhỏ. Để cải thiện độ bền, việc sử dụng 70MPa, các xi lanh loại IV nhẹ hơn đang được khám phá để mở rộng ứng dụng sang các tàu lớn hơn.

Tập đoàn Yanmar của Nhật Bản và Toyota đã sử dụng các thiết bị áp suất cao được cấp phép đặc biệt để đạt được sự tiếp nhiên liệu xi lanh 70MPA của tàu.

Tuy nhiên, lưu trữ hydro áp suất cao có các vấn đề về an toàn và quản lý, các trạm tiếp nhiên liệu hydro rất khan hiếm, và việc thay thế các xi lanh hydro là bất tiện và có những nguy hiểm ẩn giấu. Đồng thời, sự gia tăng áp suất đẩy chi phí thiết bị và tiêu thụ năng lượng tiếp nhiên liệu hydro, và chi phí tổng thể tăng đáng kể.

2. Lưu trữ hydro hydro kim loại

Nguyên tắc lưu trữ hydro hydro kim loại là sử dụng kim loại chuyển tiếp hoặc hợp kim để phản ứng với hydro để tạo ra hydrua kim loại để đạt được lưu trữ hydro trong điều kiện nhiệt độ và áp suất nhất định, đồng thời giải phóng nhiệt; Khi nhiệt độ tăng lên, hydride kim loại phân hủy để giải phóng hydro.

So với lưu trữ hydro khí, lợi thế lớn nhất của phương pháp lưu trữ hydro này là áp suất lưu trữ hydro thấp và độ an toàn cao, tiếp theo là mật độ lưu trữ hydro thể tích lớn (1000 ~ 3000 lần so với hydro khí trong cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất). Các hợp kim lưu trữ hydro hiện đang được phát triển chủ yếu bao gồm hợp kim đất hiếm, hợp kim titan, hợp kim zirconium, hợp kim magiê và hợp kim vanadi.

Lưu trữ hydro hydro kim loại có nhiều ưu điểm hơn so với khí và chất lỏng về mật độ lưu trữ hydro về an toàn và thể tích, nhưng các vật liệu hiện tại có điều kiện nhiệt độ phản ứng giải phóng hydro cao, và quá trình phản ứng có thể có vấn đề như phá hủy cấu trúc hợp kim, và hợp kim sẽ mở rộng và co lại trong quá trình giải phóng hydro, khiến bể chứa bị biến dạng.

Trong các ứng dụng tàu thực tế, nghiên cứu chính cần được thực hiện trong các khía cạnh sau:

1) Phát triển vật liệu hợp kim lưu trữ hydro mới để cải thiện mật độ lưu trữ hydro khối lượng,

2) Tối ưu hóa hiệu suất hấp thụ và giải hấp hydro của vật liệu lưu trữ hydro thông qua xử lý bề mặt, thêm chất xúc tác, v.v.,

3) tối ưu hóa thiết kế bể chứa để tránh biến dạng của container do sự mở rộng gây ra bởi phản ứng của bột hợp kim với hydro;

4) Thực hiện các hệ thống thu thập nhiệt, lưu trữ và ứng dụng của các hệ thống lưu trữ hydro trạng thái rắn và kết hợp nghiên cứu với toàn bộ con tàu để cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng và giảm gánh nặng cho khối lượng và khối lượng của thiết bị.

Bởi vì bản thân hợp kim lưu trữ hydro nặng, mật độ lưu trữ hydro khối lượng thấp, nhưng nó có lợi hơn cho các thuyền dưới nước và có thể làm tăng sự dằn của thuyền. Phát triển vật liệu lưu trữ hydro chất lượng cao và tối ưu hóa điều kiện làm việc là những hướng nghiên cứu quan trọng trong tương lai.

Tàu ngầm loại 212A được trang bị pin nhiên liệu được phát triển bởi xưởng đóng tàu HDW của Đức có 38 bể chứa hydro hợp kim Titan-Iron có thể lưu trữ 84 kg hydro mỗi bể. Nguồn: Internet

Khi chọn phương pháp lưu trữ hydro cho tàu pin nhiên liệu, cần phải xem xét toàn diện nhiều yếu tố như mật độ lưu trữ hydro, an toàn, chi phí, tuổi thọ, sự ổn định và tiêu thụ năng lượng. Bảng sau so sánh các phương pháp lưu trữ hydro khác nhau:

Lưu trữ hydro hydro kim loại có hiệu suất, độ tinh khiết và an toàn nổi bật, và dự kiến ​​sẽ trở thành chủ đạo trong tương lai.