Analyse van de toepassing van waterstofopslagtechnologie in brandstofcelschepen

Met de toenemende wereldwijde aandacht voor energiebesparing en emissiereductie,Brandstofcelschepen, als een belangrijke richting voor de groene transformatie van de scheepvaartindustrie, krijgen steeds meer aandacht. Als een belangrijke link bij de ontwikkeling van brandstofcelschepen, de onderzoeks- en applicatiestatus vanwaterstofopslagTechnologie is nog opvallender.

Er zijn verschillende manieren om waterstof op te slaan in brandstofcelschepen, die momenteel voornamelijk inclusief zijnhogedruk gasvormige waterstofopslag, Lage-temperatuur vloeibare waterstofopslag, organische vloeibare waterstofopslag en metaalhydride waterstofopslag. Deze methoden voor waterstofopslag hebben hun eigen voor- en nadelen en zijn geschikt voor verschillende soorten schepen en vraagscenario's.

1. Hogedruk gasvormige waterstofopslag

Hoge druk waterstofopslag slaat waterstof in een gasvormige vorm met hoge dichtheid in een gascilinder door middel van compressieverwerking. Het is de meest gebruikte methode voor waterstofopslag op het gebied van schepen geworden vanwege de snelle vulling, lage kosten en gemakkelijke werking. De sleutel tot deze technologie ligt in het onderzoek en de ontwikkeling van cilinders van waterstofopslag. Hoge druk op de waterstofopslagcilinders zijn verdeeld in vier soorten: zuivere stalen metaalcilinders (type I), koolstofvezel met stalen voering gewikkeld flessen (type II), aluminium voering koolstofvezel volledig ingepakte flessen (type III) en plastic voering koolstofvezel volledig gewikkelde flessen (type IV).

Onder hen zijn type III en type IV gascilinders samengesteld uit voering, koolstofvezelwikkellaag en glasvezelversterkte harslaag. Het totale gewicht is relatief licht en de massale waterstofopslagdichtheid is hoog. Ze zijn de hotspots voorbrandstofcelschipToepassingen. Op dit moment zijn brandstofcelschepen in binnen- en buitenland uitgerust met type III -flessen met een werkdruk van 35MP. Vanwege de beperkingen van de dichtheid van waterstofopslag en het volume van het gascilindersysteem, zijn de soorten schepen voornamelijk binnenlandveerboten en jachten met een klein vermogen.

In de uitdaging van mismatch tussen de opslag van schip Energie en uithoudingsvermogen, gebruiken 70MPa Type IV gascilinders lichtgewicht hoogwaardig kunststoffen om metalen te vervangen om de kwaliteit, impact taaiheid en corrosieweerstand te verbeteren, maar geconfronteerd met technische obstakels, waaronder:

1) Materiaal- en structurele problemen: de interface tussen de plastic voering en het metaal is vatbaar voor lekkage en de verwerkingstechnologie en oppervlaktebehandeling moeten worden geoptimaliseerd om afdichting en binding te verbeteren.

2) Uitdagingen van thermische beheer: een grote hoeveelheid warmte -energie wordt gegenereerd tijdens snelle hydrogenering, die moet worden geregeld om veiligheidsrisico's te voorkomen. Hoewel de simulatie aantoont dat deze voldoet aan de veiligheidsnormen, vereist de werkelijke hoge temperatuuromgeving van de cabine strengere temperatuurregels.

3) Invloed van vulomstandigheden: de initiële temperatuur en vulsnelheid van waterstof beïnvloeden de temperatuurstijging aanzienlijk en fijne controle is vereist om het vulproces te optimaliseren.

Hoge druk opslag van waterstof is momenteel een veel voorkomende methode voor waterstofopslag voor brandstofcelschepen, wat handig en economisch is. Vanwege de druk en het volume van de gascilinder worden momenteel 35MPa type III-cilinders momenteel gebruikt voor kleine schipjes. Om het uithoudingsvermogen te verbeteren, wordt het gebruik van 70MPa, lichtere Type IV -cilinders onderzocht om de toepassing uit te breiden naar grotere schepen.

De Japanse Yanmar Corporation en Toyota gebruikten speciaal gelicentieerde hogedrukapparatuur om 's werelds eerste schip 70MPa gascilindertank te bereiken.

Hoge druk op de waterstofopslag heeft echter problemen met veiligheid en beheer, waterstoftankstations zijn schaars en de vervanging van waterstofcilinders is onhandig en heeft verborgen gevaren. Tegelijkertijd duwt de drukverhoging de apparatuurkosten en het energieverbruik van waterstof en de totale kosten stijgen aanzienlijk.

2. Metaalhydride waterstofopslag

Het principe van metaalhydride waterstofopslag is om overgangsmetalen of legeringen te gebruiken om te reageren met waterstof om metaalhydriden te genereren om waterstofopslag onder bepaalde temperatuur- en drukomstandigheden te bereiken, terwijl warmte wordt vrijgelaten; Naarmate de temperatuur stijgt, ontleedt het metaalhydride om waterstof af te geven.

Vergeleken met gasvormige waterstofopslag, is het grootste voordeel van deze waterstofopslagmethode dat de waterstofopslagdruk laag is en de veiligheid hoog is, gevolgd door een groot volume waterstofopslagdichtheid (1000 ~ 3000 keer die van gasvormige waterstof onder dezelfde temperatuur- en drukomstandigheden). De waterstofopslaglegeringen die momenteel in ontwikkeling zijn, zijn voornamelijk zeldzame aardlegeringen, titaniumlegeringen, zirkoniumlegeringen, magnesiumlegeringen en vanadiumlegeringen.

Metaalhydride waterstofopslag heeft meer voordelen dan gas en vloeistof in termen van veiligheid en volumetrische waterstofopslagdichtheid, maar de bestaande materialen hebben een hoge waterstofafgiftetemperatuuromstandigheden, en het reactieproces kan problemen hebben zoals de vernietiging van de legeringsstructuur, en de legering zal uitzetten en samentrekken tijdens het waterstofafgifteproces, waardoor de opslagtank wordt vervormd.

In werkelijke scheepstoepassingen moet belangrijk onderzoek worden uitgevoerd in de volgende aspecten:

1) Ontwikkel nieuwe waterstofopslaglegeringsmaterialen om de dichtheid van de massa waterstofopslag te verbeteren,

2) Optimaliseer de waterstofabsorptie en desorptieprestaties van waterstofopslagmaterialen door oppervlaktebehandeling, het toevoegen van katalysatoren, enz.,

3) Optimaliseer het ontwerp van de opslagtank om vervorming van de container te voorkomen als gevolg van expansie veroorzaakt door de reactie van legeringspoeder met waterstof;

4) Voer warmte-verzameling, opslag- en toepassingssystemen uit van solid-state waterstofopslagsystemen en combineer onderzoek met het hele schip om de efficiëntie van het energieverbruik te verbeteren en de last op het volume en de massa van het apparaat te verminderen.

Omdat de waterstofopslaglegering zelf zwaar is, is de massale waterstofopslagdichtheid laag, maar het is voordeliger voor onderwaterboten en kan de ballast van boten vergroten. Het ontwikkelen van hoogwaardige waterstofopslagmaterialen en het optimaliseren van werkomstandigheden zijn belangrijke onderzoeksrichtingen in de toekomst.

De door de Duitse HDW-scheepswerf van de Duitse HDW-scheepswerf met brandstofcel uitgeruste type 212A heeft 38 titanium-ijzeren legering waterstofopslagtanks die elk 84 kg waterstof kunnen opslaan. Bron: internet

Bij het kiezen van een waterstofopslagmethode voor een brandstofcelschip is het noodzakelijk om meerdere factoren zoals waterstofopslagdichtheid, veiligheid, kosten, levensduur, stabiliteit en energieverbruik volledig te overwegen. De volgende tabel vergelijkt verschillende methoden voor waterstofopslag:

Metaalhydride waterstofopslag heeft uitstekende prestaties, zuiverheid en veiligheid en zal naar verwachting in de toekomst de mainstream worden.