Analiza uporabe tehnologije za shranjevanje vodika na ladjah gorivnih celic

Z naraščajočo globalno pozornostjo na ohranjanje energije in zmanjšanje emisij,Ladje gorivnih celic, kot pomembna smer za zeleno preobrazbo ladijske industrije prejemajo vedno več pozornosti. Kot ključna povezava pri razvoju ladij gorivnih celic je raziskava in status uporabeshranjevanje vodikaTehnologija je še bolj privlačna.

Obstajajo različni načini za shranjevanje vodika v ladjah z gorivnimi celicami, trenutno v glavnem tudiVisokotlačni plinasti vodik shranjevanje, nizkotemperaturno shranjevanje tekočega vodika, organsko tekočino shranjevanje vodika in shranjevanje vodika v kovinskem vodiku. Te metode shranjevanja vodika imajo svoje prednosti in slabosti in so primerne za različne vrste ladij in scenarije povpraševanja.

1. Visokotlačni plinasti vodik shranjevanje

Visokotlačni skladiščenje vodika hrani vodik v plinski obliki visoke gostote v plinskem valju s kompresijsko obdelavo. Postala je najpogosteje uporabljena metoda shranjevanja vodika na področju ladij zaradi hitrega polnjenja, nizkih stroškov in enostavnega delovanja. Ključ do te tehnologije je v raziskavah in razvoju jeklenk za shranjevanje vodika. Visokotlak shranjevalne cilindre vodika so razdeljene na štiri vrste: čiste jeklene kovinske cilindre (tipa I), jeklene obloge iz ogljikovih vlaken (tipa II), aluminijaste obloge iz ogljikovih vlaken v celoti zavite steklenice (tip III) in plastične obloge iz ogljikovih vlaken v celoti zavite steklenice (tip IV).

Med njimi so plinske jeklenke tipa III in tipa IV sestavljene iz obloge, plasti navijanja ogljikovih vlaken in plasti smole, ojačane s steklenimi vlakninami. Skupna teža je relativno lahka in množična gostota shranjevanja vodika je velika. So vroče točke zaladja gorivaprijave. Trenutno so ladje gorivnih celic doma in v tujini opremljene s steklenicami tipa III z delovnim tlakom 35MP. Zaradi omejitev gostote shranjevanja vodika in prostornine sistema plinskega jeklenke so vrste ladij predvsem v notranjost trajektov in jaht z majhno močjo.

V izzivu neusklajenosti med shranjevanjem energije in vzdržljivostjo ladijske pline 70MPA plinske cilindre tipa IV uporabljajo lahko visoko trdno plastiko, da nadomestijo kovine za izboljšanje kakovosti, udarne žilavosti in korozijske odpornosti, vendar se soočajo s tehničnimi ovirami, vključno z::

1) Materialni in strukturni problemi: Vmesnik med plastično oblogo in kovino je nagnjen k puščanju, tehnologija obdelave in površinsko obdelavo pa je treba optimizirati za izboljšanje tesnjenja in vezanja.

2) Izzivi toplotnega upravljanja: med hitrim hidrogenacijo nastaja velika količina toplotne energije, ki jo je treba nadzorovati, da se prepreči varnost. Čeprav simulacija kaže, da ustreza varnostnim standardom, dejansko visoko temperaturno okolje kabine zahteva strožje ukrepe za nadzor temperature.

3) Vpliv pogojev polnjenja: Začetna temperatura in hitrost polnjenja vodika znatno vplivata na dvig temperature, za optimizacijo postopka polnjenja pa je potreben fini nadzor.

Visokotlak shranjevanje vodika je trenutno pogosta metoda shranjevanja vodika za ladje gorivnih celic, kar je priročno in ekonomično. Vendar pa se zaradi tlaka in volumna plinskega jeklenke 35MPA tipa III trenutno uporabljajo za ladje z majhno močjo. Za izboljšanje vzdržljivosti se raziskuje uporaba 70MPa, lažjih cilindrov tipa IV za razširitev aplikacije na večje ladje.

Japonska korporacija Yanmar in Toyota sta uporabila posebej licencirano visokotlačno opremo za doseganje prvega svetovnega ladje 70MPa plinskega cilindreja.

Vendar ima visokotlačni skladiščenje vodika težave z varnostjo in upravljanjem, postaje za dolivanje vodika je malo, zamenjava vodikovih jeklenk pa je neprijetna in ima skrite nevarnosti. Obenem poveča povečanje tlaka poviša stroške opreme in porabo energije z vodikom, skupni stroški pa se znatno povečajo.

2. Kovinski hidridni vodik shranjevanje

Načelo shranjevanja vodika v kovinskem hidridu je uporaba prehodnih kovin ali zlitin za reagiranje z vodikom za ustvarjanje kovinskih hidridov za doseganje skladiščenja vodika v določenih temperaturnih in tlačnih pogojih, medtem ko sprošča toploto; Ko se temperatura dvigne, se kovina hidrid razgradi, da sprosti vodik.

V primerjavi s plinastim shranjevanjem vodika je največja prednost te metode shranjevanja vodika, da je tlak shranjevanja vodika nizek in da je varnost visoka, sledi velika količina gostote shranjevanja vodika (1000 ~ 3000 -krat večja od plinastega vodika v enakih pogojih temperature in tlaka). Zloge za shranjevanje vodika, ki se trenutno navijajo, vključujejo v glavnem redke zemeljske zlitine, titanove zlitine, cirkonijeve zlitine, magnezijeve zlitine in vanadijeve zlitine.

Kovinski hidrid vodika ima več prednosti kot plin in tekočina v smislu varnosti in volumetrične gostote skladiščenja vodika, vendar imajo obstoječi materiali visoke reakcijske temperature sproščanja vodika, reakcijski postopek pa ima lahko težave, kot je uničenje strukture zlitine, zlitina pa se bo med postopkom sproščanja vodika razširila in se zbrala, zaradi česar se je shranjevalna rezervoar odzvala.

V dejanskih aplikacijah ladij je treba v naslednjih vidikih izvesti ključne raziskave:

1) Razviti nove materiale za zlitine vodika za izboljšanje množične gostote shranjevanja vodika,

2) Optimizirajte absorpcijo vodika in desorpcijsko delovanje materialov za shranjevanje vodika s površinsko obdelavo, dodajanjem katalizatorjev itd.,

3) optimizirajte zasnovo skladiščnih rezervoarjev, da se izognete deformaciji posode zaradi ekspanzije, ki jo povzroči reakcija zlitine v prahu z vodikom;

4) Izvedite sisteme za zbiranje toplote, shranjevanje in aplikacije v trdnih sistemih za shranjevanje vodika in združite raziskave s celotno ladjo, da izboljšate učinkovitost porabe energije in zmanjšate breme za količino in maso naprave.

Ker je sama zlitina za skladiščenje vodika težka, je njegova množična gostota skladiščenja vodika nizka, vendar je bolj koristna za podvodne čolne in lahko poveča balast čolnov. Razvoj kakovostnih materialov za shranjevanje vodika in optimizacija delovnih pogojev sta pomembna raziskovalna navodila v prihodnosti.

Podmornica, opremljena s gorivno celico, ki jo je razvila nemška ladjedelnica HDW, ima 38 rezervoarjev za shranjevanje vodika iz titanijevega železa, ki lahko shrani 84 kg vodika. Vir: Internet

Pri izbiri metode shranjevanja vodika za ladjo gorivnih celic je treba celovito razmisliti o več dejavnikih, kot so gostota skladiščenja vodika, varnost, stroški, življenjska doba storitve, stabilnost in poraba energije. Naslednja tabela primerja različne metode shranjevanja vodika:

Kovinski hidridni shranjevanje vodika ima izjemno zmogljivost, čistost in varnost, pričakuje pa se bo, da bo v prihodnosti postal glavni tok.