金屬氫化物在儲熱領(lǐng)域的應(yīng)用

       儲能技術(shù)是可再生能源大規(guī)模推廣應(yīng)用需要解決的核心難題，目前已引起了國內(nèi)外學(xué)者和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。按儲熱原理分，儲熱技術(shù)可分為為顯熱儲熱、潛熱儲熱和熱化學(xué)反應(yīng)儲熱三類。目前太陽能發(fā)電儲熱系統(tǒng)，屬于顯熱儲熱，存在儲熱密度低、成本高、低溫凝固、高溫分解和腐蝕等問題。潛熱儲熱的儲熱密度大，但存在著導(dǎo)熱系數(shù)低等問題，阻礙了商業(yè)化應(yīng)用。熱化學(xué)反應(yīng)儲熱具有更大的能量儲存密度，且不需要保溫，可以在常溫下無損失地長期儲存熱能熱量。作為新型的熱化學(xué)儲熱材料，金屬氫化物具有儲熱能量密度高、反應(yīng)速度快、循環(huán)性能好、熱導(dǎo)率高等優(yōu)點，目前成為熱能存儲領(lǐng)域的研究熱點。

       金屬氫化物是由一種或多種金屬元素與氫元素化合形成的化合物。按化合狀態(tài)，金屬氫化物可分為離子型氫化物和金屬型氫化物兩類。離子型氫化物，一般由堿金屬或堿土金屬與氫元素化合形成。而金屬型氫化物是由過渡金屬元素與氫元素結(jié)合形成，具有部分金屬的特征。傳統(tǒng)的相變儲熱材料如水，其質(zhì)量儲熱密度僅有333 kJ/kg，而金屬氫化物通常具有更高的儲熱密度，如TiH2、CaH2的質(zhì)量儲熱密度分別為2840和4275 kJ/kg。因此，這2種氫化物均是理想的高溫儲熱材料。LiH的最高溫度達(dá)760℃，可為近地軌道衛(wèi)星的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供連續(xù)的熱量。TiH2 具有較好的成本優(yōu)勢，儲熱溫度為600-800℃，可用于大型太陽能熱電站。CaH2的工作溫度范圍為900-1100℃，質(zhì)量儲熱密度高達(dá)4312 kJ/kg，也是理想的高溫氫化物儲熱材料。鎂基氫化物是較典型的中溫儲熱材料，如MgH2，Mg2FeH6和NaMgH3。MgH2適用溫度區(qū)間在300-500 ℃，具有較低的反應(yīng)滯后、良好的循環(huán)性能以及較高的熱導(dǎo)率的優(yōu)點，可被用于小型發(fā)電站、新能源車用空調(diào)。Mg2FeH6反應(yīng)焓和使用溫度比MgH2略高，可用于工業(yè)廢熱的回收。NaMgH3的儲熱溫度比Mg2FeH6略高，可作為太陽能熱電應(yīng)用的儲熱介質(zhì)。

       金屬氫化物的儲熱原理是利用其可逆吸放氫化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)焓進(jìn)行熱能的儲存或釋放。儲氫合金的吸放氫反應(yīng)式如下：

       式中ΔH為反應(yīng)焓，即單位物質(zhì)在反應(yīng)過程中釋放或吸收的熱量。金屬氫化物儲熱是基于化學(xué)能與熱能的轉(zhuǎn)換，單氫化物床儲熱系統(tǒng)的工作示意圖如圖1所示。在放能過程中，氫氣被導(dǎo)入氫化物床，金屬或合金吸收氫氣同時釋放熱量；在蓄能過程中，氫化物床中的金屬氫化物吸收熱量，分解釋放出氫氣，氫氣儲存在氫氣罐內(nèi)。通過控制氫化物的可逆吸放氫反應(yīng)，系統(tǒng)實現(xiàn)重復(fù)的熱能充放循環(huán)。

圖1 金屬氫化物儲熱系統(tǒng)的工作原理

結(jié)合近年來的研究動態(tài)，金屬氫化物在儲熱領(lǐng)域主要有以下應(yīng)用：

（1）太陽能熱電領(lǐng)域

       儲熱系統(tǒng)是太陽能熱電的關(guān)鍵配套技術(shù)之一。在太陽能熱電應(yīng)用中，電站在白天收集的太陽能，一部分需要以熱能的形態(tài)儲存起來，在晚上釋放熱量驅(qū)動電機(jī)提供電力。根據(jù)太陽能集熱方式的不同，儲熱系統(tǒng)可分為高溫和中溫儲熱系統(tǒng)。高溫儲熱系統(tǒng)可作為太陽能集熱輔助儲熱。對于大型太陽能熱電站的儲熱系統(tǒng)，儲熱溫度要求在700—1100℃甚至更高。高溫氫化物主要有LiH，TiH2和 CaH2等，其中LiH是最早用于太陽能集熱系統(tǒng)研究的高溫儲氫材料。

（2）低溫儲熱(儲冷)領(lǐng)域

       低溫儲氫氫化物，一般要求材料在室溫附近儲存和釋放氫氣，被用作低溫儲熱（儲冷）領(lǐng)域。在選擇低溫氫化物時，成本和可靠性是較多關(guān)注的因素。經(jīng)過多年的研究，已有較成熟的儲氫合金材料可供挑選，如TiFe，LaNi5，TiMn2等。

（3）熱泵領(lǐng)域

       氫化物熱泵的原理也是利用儲氫合金的熱化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行制冷、制熱、增熱，與儲熱系統(tǒng)的區(qū)別在于內(nèi)置的儲氫合金用于熱能轉(zhuǎn)化而非用作儲熱材料，其系統(tǒng)的工作原理與上述氫化物儲熱的工作原理一致。金屬氫化物的熱泵系統(tǒng)既可利用電能驅(qū)動，也能夠利用工業(yè)廢熱、太陽能等低品熱能實現(xiàn)制冷和制熱等功能。甚至，金屬氫化物熱泵用于載人航天生命保障系統(tǒng)，其與輻射器相結(jié)合可組成航天服熱控系統(tǒng)的冷源，用于航天設(shè)備的冷卻和航天員備用食品的冷凍保鮮等。

       總的來說，金屬氫化物儲熱具有儲熱能量密度高、易于控制、反應(yīng)速度快熱損失小等優(yōu)點，是一種極具應(yīng)用前景的新型儲能技術(shù)，對可再生能源開發(fā)利用、降低常規(guī)能源能耗和環(huán)境污染物排放具有十分重要的意義。然而，目前其實際商業(yè)化應(yīng)用并不廣泛。相比于傳統(tǒng)技術(shù)而言，金屬氫化物儲熱技術(shù)具有許多獨特性和潛在優(yōu)勢，因而在新能源存儲、電網(wǎng)調(diào)峰儲能、廢熱回收、采暖等許多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

本文來源：中國熱管理產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟   版權(quán)歸原作者所有，轉(zhuǎn)載僅供學(xué)習(xí)交流，如有不適請聯(lián)系我們，謝謝。

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