低压吸附贮存氢气作汽车燃料的研究与开发

1、低压吸附贮存氢气作汽车燃料的研究与开发邹勇韩布兴阎海科(中国科学院化学研究所，北京100080)文摘：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。关键词：氢气，吸附贮存，汽车燃料0引言氢气作为一种高效、净洁、资源丰富的车用替代燃料，前景十分乐观1。其关键技术是氢气的储存。据报道2，美国能源部在全部氢能研究经费中约有50%用于氢贮存。氢气贮存方法大致可分为以下几种3：液化贮存，金属贮存，压缩贮存，吸附贮存。车用燃料氢气的低压吸附贮存技术的研究始于70年代末4，现正在加紧开发，其基本原理是借助于多孔介质的吸附作用，在较温和的条件下(77195K，50MP

2、a)，使氢气浓缩、密度增大，以一种类似于超临界流体的形式贮存于多孔介质的孔隙内5。由于该技术具有压力低、贮存容器自重轻、形状选择余地大、成本低等优点3，6，越来越引起各国学者的关注，已成为该领域的研究热点。本文以国外近30年报道的材料为依据，对车用燃料氢气的低压吸附贮存技术进行综述。1低压压吸附贮贮氢的主主要影响响因素低压压吸附贮贮氢的主主要影响响因素有有：(11)吸附附剂的类类型及其其性能，(2)氢气的的纯度，(3)吸附贮贮存条件件。1.1吸吸附剂的的类型及及其性能能1.11.1吸吸附剂的的类型各国国研究者者使用的的吸附剂剂可分为为三类：(1)分子筛筛，(22)一般般活性炭炭，(33)高比比

3、表面积积活性炭炭（AXX-211）。吸吸附剂贮贮氢特性性示于图图1和图图2。由图图1、22可见，T777K时时， 三三类不同同吸附剂剂的吸附附贮氢能能力为：高比表表面积的的活性炭炭远远大大于一般般活性炭炭，而活活性炭大大于分子子筛。这这说明炭炭质吸附附剂，尤尤其是高高比表面面积活性性炭吸附附剂贮氢氢性能最最佳。图1三三类不同同吸附剂剂单位质质量贮氢氢能力比比较771AXX-211，2Nooritt，3BPPL，44CCNS-2011，55A，6133X图2三三类不同同吸附剂剂单位体体积贮氢氢能力比比较771AXX-211（03gcm），22BBPL（0447gcm）3Linnde13XX（02

4、5ggcmm）1.1.2炭炭质吸附附剂的性性能炭质吸吸附剂的的性能(BETT比表面面积、表表面酸性性及其金金属改性性)对其其吸附贮贮氢量的的影响如如图35所示示。图3五五种活性性炭吸附附贮氢量量的比较较8（T78KK）1.SBEET110122mg，含氧量量1228；2SBEET111599mg，含氧量量1333；3SBEET7713mmg，含氧量量1886；4SBEET115599mg，含氧量量46；5SSBETT11119mmg，含氧量量74图4WWitoo炭的表表面酸性性对其吸吸附贮氢氢的影响响9（T77KK，P255MPaa)图33表明，除活性性炭4外外，其余余四种活活性炭吸吸附贮氢氢

5、能力为为：BEET比表表面积越越大，其其吸附贮贮氢量越越多，但但SBEET111000mg，贮氢量量相差很很小，见见曲线22、4、5；活活性炭44的BEET比表表面积大大于2.5时，其吸附附贮氢量量反而比比2.55时小，这意味味活性炭炭吸附贮贮氢不仅仅与其比比表面积积有关，而且还还与其它它性能有有关，如如表面酸酸碱性、孔径分分布。图44表明，炭质吸吸附剂的的表面酸酸性有利利于吸附附贮氢。通过对对炭质吸吸附剂的的表面改改性，增增大其表表面酸性性，可提提高贮氢氢量300%（WWt）10。图图5表明明，活性性炭经金金属钯改改性后，其贮氢氢能力增增强，且且随压力力的增大大贮氢量量增大；但压力力低时，（

6、P100MPaa），金金属钯改改性后贮贮量略有有降低。作者认认为，压压力低时时，炭质质吸附剂剂的贮氢氢量主要要取决于于它的微微孔容积积，但由由于钯的的负载，肯定有有部分孔孔隙被堵堵，因而而微孔容容积有所所降低。随着压压力的增增大，负负载在活活性炭上上的金属属钯对氢氢的超溢溢现象逐逐渐起作作用，结结果使其其贮氢量量大大地地增大。1.22氢气气的纯度度氢氢气纯度度对高比比表面积积活性炭炭贮氢的的影响，其结果果示于图图6112。图5活活性炭金金属钯改改性前后后贮氢量量的比较较(T777K）1115PPdAAC，AC图6纯纯氢和(5099100)氮气气氢气气在高比比面积活性炭上上的吸附附特性（T115

7、0KK）1121HH，2（550910)NH图66表明，压力越越大，高高比表面面积活性性炭贮氢氢量降低低越多，即压力力越大，杂质氮氮气的影影响越严严重。1.3贮存条条件图7温温度和压压力对高高比表面面积活性炭吸吸附贮氢氢影响的的实验结结果771777K，21755K，332298KK不同同温度和和压力对对高比表表面积活活性炭吸吸附贮存存氢气的的影响，其结果果示于图图7。图77表明，高比表表面积活活性炭吸吸附贮氢氢时，温温度越低低、压力力越高，其贮氢氢量越多多，但当当T777K时时，压力力增大到到一定值值(220MMPa)时，其其贮氢量量增量很很小，趋趋近于一一定值。作者认认为，产产生上述述现象

8、的的主要原原因是，低温活活性炭吸吸附贮氢氢主要是是物理吸吸附，其其吸附等等温线为为典型的的Lanngmuuir型型曲线。2经济济分析氢气气四种贮贮存方法法的经济济分析结结果示于于表1。表1四四种不同同贮存氢氢气方法法的经济济分析6(单位：美元GJ）贮存方法法使用系统统成本贮存系统统成本能量消耗耗总成本总成本排排序压缩(PP2000MMPa）082281222655115592液化化1466236615337190024金属属0600784445411138853吸附附21002611246673881（1500K，554MMPa）从表表1可知知，采用用吸附方方法时，尽管增增加了吸吸附剂和和系统

9、成成本，但但贮存系系统和能能量消耗耗成本却却有较大大幅度的的降低，故总成成本最低低。3小结用作车车用燃料料的低压压吸附贮贮氢发展展前景良良好，其其技术关关键是吸吸附剂，实现工工业化应应用尚需需对以下下问题进进行研究究：低温温运行；炭质吸吸附剂孔孔径分布布对贮氢氢性能的的影响；过渡金金属改性性提高吸吸附贮氢氢量的机机理；吸吸附贮氢氢运行参参数的最最佳化和和最大贮贮氢量。参考文献献1GeeneDBBerrry，eetaalEEnerrgy，19996，221（44）：228922鲍德德佑.太太阳能学学报，119955，166(1)：11143DavvidLBBlocckFFSESS-CRR-233

10、2-888XXK-77-077，19988，15884CCCaarpeeitss，ettallPrroc1sttWoorlddHyydroogennEnnerggyCConff，119766，455CCarrpeiits，etalProoc22stWorrldHyddroggenEneergyyCoonf，19978，143336ZimminggTaan，eetaalJJPhhysCheem，19990，994：6606117KKAGAAmannkwaah，eetaal，InttJHyddroggenEneergyy，19989，14（7）：43778RRChhahiine，etal，Innt

11、JJHyydroogennEnnerggy，119944，199（2）：16619RKKAggarwwal，etal，Caarboon，119877，255（2）：2119100JSNNoh，etal，InntJJHyydroogennEnnerggy，119877，122（100）：6693111JJameesAAScchwaarz，etal，USSPaatennt4471667366（19988）12JammesASSchwwarzz，ettall，UUSPPateent496604550（119900）133KAGGAmmankkwahh，ettall，IIntJHHydrrogeenE

12、Enerrgy，19991，116（55）：3339114PPeteerHHofffmannHyydroogennFueelCCelllLeetteer，119977，7（2）：1155SeetPPhennHiillNewwSccienntisst，119966，122，2111228：220RESEEARCCHAANDDEVVELOOPMEENTOFLOWW-PRRESSSUREEADSSORPPTIOONSSTORRAGEEHYYDROOGENNGAASAASAAVEEHICCLESSFUUELZouYonngHannBuuxinnYYanHeiike（InsstittuteeoffChhemiistrry，CChinneseeAccadeemyofSciiencces，Beiijinng11000080）Absttracct：IIntthisspaaperr，thhellowppresssurreaadsoorpttionnsttoraagehyddroggengassteechnnoloogyiscriitic