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金属氢化物储氢在叉车中的应用展望

金属氢化物储氢在叉车中的应用展望

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      1. 氢燃料电池叉车现状

  叉车属于工业搬运车辆,能对成件托盘货物进行装卸、堆垛,完成短距离运输作业。受运输业、仓储业的影响,近几年国内叉车行业得到了快速发展,2018年销售量突破50万台,2021年销量突破100万台。

  叉车按动力方式不同分为内燃叉车、电动叉车、手动叉车和燃料电池叉车。内燃叉车以发动机为动力,功率强劲,使用范围广,但排气和噪声污染环境;电动叉车能量转换效率高、无废气排放、噪声小,但电动叉车受蓄电池容量限制,功率小,作业时间短。所以内燃叉车和电动叉车不能完全满足市场需求。氢燃料电池技术的突破解决了这一问题。

  氢燃料电池是将氢气和氧气通过电化学反应转换成电能的发电装置。随着氢气的不断输入,氢燃料电池能连续不断地产生电能,最终产物只有水,无污染、零排放。所以氢燃料电池叉车相对内燃叉车和电动叉车具有工作效率高、加氢快、不惧低温、运行稳定、功率范围宽等优点。2020年,美国普拉格能源(Plug Power)公司在全球已累计销售超过3.2万辆氢燃料电池叉车,全球市场占有率达95%。2021年1月,全国首批100台氢燃料电池叉车在杭叉集团(天津)新能源叉车公司投产,2021年10月,首批交付燕山石化37辆。

  2. 氢燃料电池叉车的储氢方式

  当下已经应用的氢燃料电池叉车中,采用的储氢方式有高压气态储氢和固态储氢,并以高压气态储氢为主。

  2.1高压气态储氢

  美国普拉格公司(Plug Power)生产制造出Gen Drive Series系列氢燃料电池叉车,采用质子交换膜燃料电池(PEM),输出功率为8-10kw,储存0.7-3.4kgH2,1.5min-3min内完成加氢过程,能在-30℃-40℃环境温度下服役。丹麦H2 Logic公司生产的H2 Drive型号氢燃料叉车采用质子交换膜燃料电池,输出功率10kW,储存1.5kgH2,能在4min内完成加氢处理。

  2.2高压气态储氢+固态储氢

  南非先进材料化学研究所(SAIAMC)Mykhaylo V. Lototskyy等人改进STILL RX60-30L 3吨电动叉车,采用高压气态储氢(CGH2)+金属氢化物固态储氢(AB2型;A=Ti,Zr;B=Fe,Cr,Mn,Ni;Ti:Zr=0.65:0.35)相结合的方式。金属氢化物储氢罐体采用20X不锈钢制作,尺寸为Φ51.3mm×800mm,罐体净重5.7kg,罐外部体积33.1dm3,罐内部体积18.4dm3,可填放金属氢化物体积为7.4dm3。实验中罐内填放64kg AB2型金属氢化物,可逆氢存储容量137 NL/kg,吸氢压力为13.5bar,可储存0.9kg H2。高压气态储氢在低于185 bar的压力下进行。15℃下,CGH2+MH混合储氢系统的总容量约为1.83 kg H2,6分钟内能将1.52 kg H2分配到储氢系统中,15分钟即可完成加氢,可满足重型叉车3小时6分钟和轻型叉车7小时15分钟的不间断运行。

  2.3 固态储氢

  安徽合力制造出4-5吨氢燃料电池叉车(图1(a)),搭载上海捷氢科技有限公司研发的“捷氢启源”燃料电池系统--P3S,储存1.4kgH2,输出电压80V,额定放电功率可兼容6kW-25kW,峰值放电功率可达55kW,能在-30℃-95℃环境下进行服役。相对于纯电叉车,该氢燃料电池叉车无需长时间充电,加氢时间短且速度快,仅需3分钟即可完成加氢,并可连续工作4小时。

  南非先进材料化学研究所(SAIAMC)Mykhaylo V. Lototskyy等人采用AB2型金属氢化物(A = Ti0.55Zr0.45;B=Fe + Cr + Mn + Ni)罐体由不锈钢制成,罐内配备穿孔铜翅片,并添加1 wt%的膨胀天然石墨(ENG)。罐内装填3 kg金属氢化物粉末,可储存0.5 Nm3H2。40个单罐构成储氢集装箱(图1(b))。集装箱最大加氢压力为150bar,最低工作压力4bar,共储存1.8kgH2(气态储存0.1kgH2+金属氢化物储存1.7kgH2),在15-20℃环境下,15-20min内完成吸氢过程,最大氢气流量达到170NL/min,并且可以持续2小时以上以120 NL/min的氢气流量向燃料电池堆提供氢气。

 

  图1 (a)安徽合力4-5吨氢燃料电池叉车;

       (b)南非化学研究所储氢集装箱

  Hawaii Hydrogen Carriers LLC与其他公司和机构共同开发了金属氢化物储氢罐,如图2所示。使用AB5型MmNi4.5Al0.5,质量储氢密度为1.2 wt.%。每个储氢罐尺寸为Φ50.8mm×640 mm,储氢容量估计约为50g H2。40个储氢罐交错排列构成储氢集合箱,箱体尺寸为470mm(L)×700 mm(W)×370mm(H),总共储存2kg (22.4 Nm3) H2,装满水后,重量约为500kg。该储氢集合箱与燃料电池电源模块的其他组件一起集成在Crown电动叉车中,起重能力为5000磅(2.3吨)。虽然未公布金属氢化物储氢罐的H2充放电性能测试结果,但H2在高达70 bar的压力下加氢时间估计(通过建模)为30-60分钟。

    

 
图2 金属氢化物储氢罐

  3. 金属氢化物储氢的优势

  高压储氢单位质量储氢密度为1.0-5.7wt.%,适用在常温、常压下的储氢环境,技术成熟,充放氢速度快,但体积储氢密度偏低,已投入应用的储氢气瓶压力达到35MPa和70MPa左右,因此一旦气瓶金属发生疲劳失效或产生裂缝,危险难以想象。

  金属氢化物储氢是采用金属合金进行储氢的一种方式,具有单位体积储氢密度高(可达90kgH2/m3),结构紧凑,不需要高压容器,安全性高,放氢纯度高等优势。其中,安全性是金属氢化物储氢相对于高压储氢最重要的一点:①氢气在低温条件下在储氢材料表面分解为氢原子,合金材料性能稳定,不会燃烧爆炸;②金属氢化物储氢设备在放氢时吸热,即使发生了泄露,也会由于吸热结冰,从而中止氢气泄露;③高压气瓶不能进入室内,必须将气瓶放在室外,然后通过汇流排等管道设施送进来,这额外增加了成本,而用金属氢化物储氢,不会爆炸,所以储氢设备能够安装在室内。此外,限制金属氢化物储氢在燃料电池发展的主要问题是重量大,但应用在氢燃料电池叉车上面成为了一大优势--减少了镇流器的使用,提高了叉车装置运行过程的安全性。

  4. 展望

  制约燃料电池在交通运输领域的更大规模商用的主要难题是加氢基础设施建设不足、配套服务不成体系以及动力系统技术瓶颈,但考虑到叉车运行范围有限、车体质量较轻、对燃料电池系统技术要求较低,叉车有望成为燃料电池率先产业化并大规模应用的方向。储氢技术方面,早期燃料电池叉车使用高压气态储氢35MPa和70MPa两种,但高压气态储氢存在安全性问题。较成熟的储氢材料如钛系、稀土系、镁系和镧系,其中钛系储氢合金TiFe、TiMn2,质量储氢密度为1.8-2.0wt%,在室温的条件下即可完成放氢过程,材料价格低,储氢量较高,在氢燃料电池叉车方面已投入应用,呈现出优异的性能。虽然钛系合金存在制备成本高、活化难的问题,但随着市场的需求,钛系合金的经济性、实用性会进一步提高。在基础设施建设方面,燃料电池叉车多用于食品、零售、加工制造企业的室内物流仓储运输,活动范围有限,工作半径通常仅限于仓储基地内部,对加氢设施的要求较低。所以叉车车队可有多种加氢配套方式,一种是建设固态低压储氢站(202MPa长管拖车直接加注到固态低压储氢站),另一种可采用在线甲醇制氢。

作者:李平

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发布时间:2021-11-15 10:36:03

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