氢能利用与高表面活性炭吸附储氢技术

下吸附即达饱和，说明吸附储氢的压力不高；吸附量随温度的下降增长很快，说明吸附储氢适宜低温。最廉价的冷源便是液氮(＜1 600元/吨)。下面将液氮温度(77K)下的吸附储氢量与压缩储氢量做一比较。
　　图1中曲线1为根据298K不同压力下的氢气密度计算的压缩储氢量，氢气的压缩因子由三阶维里方程计算。曲线2为77K氢气在活性炭上的吸附等温线，表明在77K恒定温度下氢气吸附量随压力的变化。这里取活性炭的堆密度为500g/L。500克活性炭的最大氢气吸附量为26.7克，仅仅按氢气的吸附量计算，储氢容量已经达到5.3wt%，超过了国际能源机构确定的5wt%的标准。但是，在1升装满活性炭的容器空间中的实际储氢量不仅仅是吸附量，还有活性炭原子骨架外空间中的压缩储氢量，使得总的吸附储氢量大大超过吸附量。现以1升容器空间为基准，试算其中的压缩储氢量和总的吸附储氢量。1升容器中填弃500克活性炭。通常认为活性炭的“真密度”与石墨相同，即2.2g/cm³。则500克炭骨架占据的空间为500/2.2/1 000＝0.227升，骨架周围的空隙体积为1-0.227＝0.773升。根据77K氢气的压缩因子计算出77K氢气密度随

压力的变化，进而计算出不同压力下在0.773升空隙体积中的压缩储氢量。将此值与曲线2出的吸附量相加，得到1升容器空间中储存的氢气总量，如图中曲线3所示。在吸附量达到最大点的4MPa压力下，1升容器空间的总储氢量为37克，重量基准的储氢容量达到7.4wt%。即使在2MPa压力下，储氢容量也有100×(30.3/500)＝6.1wt%。

图1　77K吸附储氢与常温压缩储氢的比较

吸附储氢技术的可行性评价

　　基于以上的基础数据，我们针对在规模储氢用途中最关心的几个问题讨论吸附储氢技术的可行性。
　　1.储氢设备的体积和重量
　　对于载重400公斤的5座轿车，若每百公里耗油6升，则对于500公里的额定行程耗油30升。在采用氢燃料电池的情况下，完成同样行程只需4公斤氢气^［4］。若采用常温压缩储氢技术，氢气压力20MPa，则储存4公斤氢气的容器体积为280升。若采用以液氮为冷源的吸附储氢，在4MPa压力下的容器体积为108升，装填54公斤活性炭。由于氢气压力降低了4/5，器壁厚度可降低，容器重量的减少亦可弥补附加的活性炭重量；而容器所占据的空间减少了61%。
　　2.经济指标
　　与压缩储氢相比，压力降低了4/5，大大节省了氢气压缩成本，并且节省了对高压氢气压缩机的投资成本。与液氢相比，节省了氢气液化成本。并且，环境温度和放氢气化引起的蒸发损失，都是消耗液氮而不是液氢，故其成本比之液氢大为降低。至于增加的活性炭费用，因属于设备投资，其使用寿命愈长，在氢气成本中占据的份额愈小。储氢活性炭的寿命是无限的。超级活性炭的成本约为活性炭纤维成本的1/10，且可以大规模生产。
　　3.吸放氢条件
　　氢气在活性炭上的吸附是一种物理平衡。温度恒定时，加压吸附(吸氢)，减压脱附(放氢)。从实测吸附等温线看，脱附线与吸附线重合，没有滞留效应。即在给定的压力区间内，增压时的吸氢量与减压时的放氢量相等。吸氢与放氢仅仅取决于压力的变化，因此吸放氢条件十分温和。
　　今后的研究工作将致力于改善活性炭对氢气的吸附性能，以及活性炭的机械加工性能，研究吸附储氢罐的结构、材质和灌注技术，实车考察吸附储氢技术对车辆工作环境的适应性。

 

参考文献

［1］“Hydrogen energy Technologies”,Emerging Technology Series,Prepared for UNIDO by T. Nejat Vaziroglu and Frano Barbir,United Nations Industrial Development Organization,Vienna,1998
［2］鲍德佑.氢能的最新发展.新能源，16(3)：1-3，1994
［3］周理，周亚平.关于氢在活性炭上吸附特性的实验研究.中国科学，26(5)：473-480，1996
［4］B.Duret and A.Saudin,Int.J

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