bck

收藏本站

基于化学链氧传递的铁基纳米储氢材料的制备及其储氢性能研究

【摘要】:可再生能源消纳困难,弃风弃水严重等已成为可再生能源发电系统中的突出问题。利用无法消纳的电能通过电解水制氢-储氢-燃料电池发电被认为是解决以上问题的有效技术途径。然而,这一技术的大规模应用仍严重受制于传统储氢方式(如:高压储氢,液态储氢)较低的安全性和体积储氢密度。针对这一问题,本文提出了一种基于循环氧空位储氢原理的新型储氢方式-化学链储氢。围绕如何提高材料的储氢密度和循环寿命,重点探究了各种反应条件和材料结构对化学链储氢过程中储氢载氧体吸放氢和循环稳定性的影响,建立了材料多尺度结构与反应性的关系。设计合成了二维Cu-Co-Fe-Al复合储氢材料,获得了约80 kg/m~3体积储氢密度和60次连续稳定循环。搭建了kW级电解水制氢-储氢-燃料电池发电示范系统,研究各模块的能量优化匹配规律,验证了化学链储氢-燃料发电这一新型氢储能技术的可行性。为实现高性能储氢材料的理性设计,本文首先研究了载氧体还原氧化氛围,还原和氧化反应温度,储氢介质的选择,材料的孔道结构,材料的界面结构等对材料吸放氢特性和稳定性的影响,结果表明随着氢气浓度的提升,吸氢的速率越来越快,当氢气浓度达到45%以上时,吸氢反应速率基本不变;反应温度从500 ~oC到900 ~oC,随着反应温度的增加,吸氢速度快速增加,反应温度达到800~oC,吸氢速率不再明显提高。从材料结构特性来看,具有单一超大孔孔隙分布,CuFe二维式结构和界面限域结构的材料表现出了较高的循环反应性能,CoFe尖晶石,小孔大比表面积结构的材料表现出了较高的吸放氢动力学性能。为进一步获得吸放氢过程的晶格动力学本质,利用了原位光电子能谱表征对储放氢过程中的氧族变化进行了追踪,获得吸放氢过程中氧族的演变规律,在此基础上,采用了DFT+U方法对吸放氢过程中氧离子的变化进行了模拟计算,结果表明还原反应过程中,表面的氧原子先与反应气反应,形成相应的氧空位,次表面的氧原子迁移到表面填补其氧空位,第三层表面氧原子迁移到次表面填补次表面的氧空位,以此类推。在还原反应后期,迁移的能垒随着反应的进行而增大,而表面特性不变,反应由氧原子迁移速率控制。氧化反应阶段,水蒸气气在催化剂体相各表面直接形成Fe-O键的能垒大于氧原子从表面逐层迁移到底层的能垒,催化剂氧化的过程是在表面发生,氧原子逐层进行传递,直到催化剂体相中的氧空位被填满。在氧化反应的前期,反应速率由表面Fe-O键形成的过程控制,在反应后期,由体相内晶格氧的传递速率控制。基于实验和模拟计算的结果,以LDH材料作为前驱体从相态组成,孔隙分布,反应界面三个维度构建了具有复合纳米结构的CoCuFeAl载氧体储氢材料,利用尿素超均匀共沉淀法获得了纯净的LDH前驱物和煅烧尖晶石氧化物。表征和实验结果表明:(1)LDH材料作为一种层状的金属氧化物材料,材料的本身没有空隙结构的存在,而层与层之间构成的二次孔道具有大孔的特征,在化学链的高温循环过程中缓解了孔道由于晶格张力导致的塌陷,增加了材料的孔隙结构稳定性。(2)向铁基LDH材料中掺入Co和Cu元素,Co元素的掺入一定程度上提高材料的储氢能力,Cu元素的与Fe元素形成了维氏体,提高材料的相态循环稳定性。(3)LDH前驱体的分子结构特性决定了活性组分在惰性组分上的均匀分布,由于二维板层的纵向尺度明显小于颗粒状的载氧体,活性组分在很大程度上包覆在惰性组分内部,有效减轻材料内部活性组分的团聚和烧结现象。(4)层状结构的纵向尺度很小,O离子的迁移路径较短,强化了晶格氧传递,提高了材料吸放氢动力学特性。在60次循环实验中,LDH材料体积储氢密度约为80 kg/m~3。循环后,材料的储氢密度仍然高达70 kg/m~3以上,是纯铁材料的4倍。基于化学链储氢技术,设计搭建了kw级电解水制氢-化学链储氢-燃料电池发电示范装置,并对化学储氢技术应用于氢储能系统的可行性进行了验证。采用开发的CoFeCuAl LDH载氧体作为储氢材料,研究了该装置各模块的运行特性及其能量匹配关系。实验结果表明,该装置可实现常压条件下的稳定运行,20次循环内系统各模块的运行指标并没有明显变化。储氢系统的平均储氢密度可以达到89.7 kgH_2/m~3,平均放氢速率为5.09 L/min,大于燃料电池的理论耗氢速率(4.07 L/min),可实现氢流的自平衡。系统的运行温度为中高温(600~oC~900~oC),与燃料电池中发电效率最高的固体氧化物燃料电池形成了良好的温度匹配,实际运行过程中电解水制氢效率为52.6%,平均储放氢效率可以达到90%,燃料电池发电效率为46.1%,装置总的电能转化效率为21.8%,达到了现有氢储能装置的先进水平。在此实验结果上对装置进行了技术经济性分析,发现制备一吨化学链储氢材料的总成本为5.622万元/吨,该材料每次的储氢成本为4.92元/kg,与目前商业化的高压储氢方式相比具有明显的成本优势。以1MW规模的氢储能电厂为对象,建设本装置总成本约为236万元,约合2300元/kW。

下载App查看全文

(如何获取全文? 欢迎:、、)

支持CAJ、PDF文件格式


【相似文献】
中国期刊全文数据库 前18条
1 沈来宏;;化学链技术进展[J];国际学术动态;2017年04期
2 本刊编辑部;;第一届中国化学链会议[J];石油学报(石油加工);2019年06期
3 张帅;肖睿;李延兵;金保昇;;燃煤化学链燃烧技术的研究进展[J];热能动力工程;2017年04期
4 李媛;谢红艳;张俊涛;;化学链燃烧技术中载氧体的研究进展[J];广东化工;2017年14期
5 张秀丽;郑晓明;;一种天然气化学链燃烧新工艺[J];广东化工;2017年15期
6 李媛;尹雪峰;张志磊;;负钛铜基载氧体在煤化学链燃烧中多环芳烃的生成[J];浙江大学学报(工学版);2016年02期
7 杨杰;马丽萍;唐剑骁;朱斌;连艳;刘红盼;马贵鹏;;化学链燃烧国内外研究发展现状[J];现代化工;2016年01期
8 王坤;张利;徐元孚;王梓越;王建;;国内化学链燃烧技术研究进展[J];能源与节能;2016年06期
9 刘永卓;郭庆杰;田红景;;煤化学链转化技术研究进展[J];化工进展;2014年06期
10 M'BOUNANA Noé-Landry-Privace;王帅;杨运超;CAMARA Namory;陆慧林;;耦合反应器中化学链燃烧的模拟[J];工程热物理学报;2014年07期
11 李广龙;;化学链燃烧技术中载氧体的研究概述[J];山东化工;2013年02期
12 魏国强;何方;黄振;赵坤;李新爱;李海滨;;化学链燃烧技术的研究进展[J];化工进展;2012年04期
13 王保文;赵海波;郑瑛;柳朝晖;郑楚光;;煤化学链燃烧技术的研究进展[J];动力工程学报;2011年07期
14 王国贤;王树众;罗明;;固体燃料化学链燃烧技术的研究进展[J];化工进展;2010年08期
15 郑文广;肖睿;宋启磊;;基于新型循环载氧体的天然气化学链燃烧热力学研究[J];锅炉技术;2010年04期
16 冯飞;公冶令沛;魏龙;张蕾;;化学链燃烧在二氧化碳减排中的应用及其研究进展[J];化工时刊;2009年04期
17 王洪敏;;化学链燃烧中载氧体的研究进展[J];广州化工;2009年09期
18 秦翠娟;沈来宏;肖军;高正平;;化学链燃烧技术的研究进展[J];锅炉技术;2008年05期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 李振山;韩海锦;蔡宁生;;化学链燃烧研究现状及进展[A];中国动力工程学会第三届青年学术年会论文集[C];2005年
2 姜旭;王翠苹;徐承浩;狄海生;;CaSO_4为载氧体的煤化学链燃烧流动反应数值模拟[A];高等学校工程热物理第十九届全国学术会议论文集[C];2013年
3 曾亮;孙敬泽;巩金龙;;双金属氧化物在化学链制氢过程中的应用[A];第二届能源转化化学与技术研讨会会议指南2015[C];2015年
4 郭庆杰;刘永卓;田红景;王许云;;化学链过程载氧体颗粒研究进展[A];中国颗粒学会第七届学术年会暨海峡两岸颗粒技术研讨会论文集[C];2010年
5 田红景;郭庆杰;;基于CaSO_4的复合型载氧体在化学链燃烧系统中的应用[A];中国颗粒学会第六届学术年会暨海峡两岸颗粒技术研讨会论文集(上)[C];2008年
6 余钟亮;李春玉;胡顺轩;周兴;赵建涛;黄戒介;房倚天;;基于碱金属修饰铁铝复合氧载体的煤直接化学链气化制氢技术[A];第十八届中国科协年会——分8 煤化工精细化发展论坛论文集[C];2016年
7 黄振;何方;赵坤;李海滨;;赤铁矿用于生物质化学链气化氧载体的反应性能[A];全国农村清洁能源与低碳技术学术研讨会论文集[C];2011年
8 卢腾飞;胡松;向军;石金明;许凯;;煤常压化学链气化制氢的热力学研究[A];“两区”同建与科学发展——武汉市第四届学术年会论文集[C];2010年
9 何方;黄振;李海滨;;生物质化学链气化制合成气[A];第六届全国环境化学大会暨环境科学仪器与分析仪器展览会摘要集[C];2011年
10 吴天威;于庆波;姚鑫;任慧来;彭家燕;王坤;;化学链空分制氧中金属氧化物载氧体研究现状[A];第八届全国能源与热工学术年会论文集[C];2015年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 曾德望;基于化学链氧传递的铁基纳米储氢材料的制备及其储氢性能研究[D];东南大学;2019年
2 刘桂才;生物质化学链气化特性及Ca_2Fe_2O_5载氧体改性优化研究[D];华南理工大学;2019年
3 张浩;太阳能驱动化学链循环的固体燃料蓄能转化机理及实验研究[D];中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所);2018年
4 花秀宁;生物质废物热解气深度还原化学链制氢工艺及其机理研究[D];清华大学;2017年
5 王训;铁基氧载体生物质化学链技术研究[D];华中科技大学;2018年
6 范峻铭;化石燃料化学链燃烧能量系统评价方法与全生命周期研究[D];中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所);2019年
7 徐雷;基于铜/锰氧化物的化学链燃烧载氧体制备与特性研究[D];清华大学;2016年
8 王晓佳;高通量循环流化床燃煤化学链燃烧试验及数值模拟研究[D];东南大学;2016年
9 张筱松;耦合化学间冷的化学链燃烧与甲醇重整氢电联产系统研究[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2009年
10 田红景;钙基载氧体在化学链燃烧技术中的应用研究[D];青岛科技大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 李彦坤;煤化学链气化过程中氮元素的释放迁移行为[D];宁夏大学;2019年
2 易旸;煤中硫在化学链燃烧过程中的迁移转化规律及脱除机制研究[D];江苏大学;2019年
3 巩建;化学链热解液烃燃料制备炭黑的实验研究与数值模拟[D];青岛大学;2019年
4 李波;直接球磨法制备铈基载氧体用于甲烷化学链重整反应研究[D];西北大学;2019年
5 高杰琦;集成化学链燃烧的MSSAQ法制浆过程概念设计及其水热集成优化[D];华南理工大学;2019年
6 孙雁宇;基于Aspen Plus的化学链燃烧系统模拟研究[D];华北电力大学;2019年
7 王一迪;化学链产氢还原阶段Fe_2O_3动力学研究[D];中国石油大学(华东);2017年
8 卓纳思(Jonas Hilario);生物乙醇吸附增强式化学链重整制氢:反应器建模与过程模拟[D];天津大学;2018年
9 何阳东;基于化学链燃烧的煤基SNG动力联产系统研究[D];西南石油大学;2018年
10 康静娴;气相载氧体MoO_3在化学链气化过程中的转变行为及其与煤的气化反应特征[D];太原理工大学;2019年
中国重要报纸全文数据库 前1条
1 记者 刘万生 通讯员 黄传德 林坚;[N];中国科学报;2018年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978


{bck}| {bck体育官网}| {bck体育下载}| {bck体育app}| {bck体育}| {bckbet}| {bcksports}| {bck官网}| {bck}| {bck体育官网}| {bck体育下载}| {bck体育app}| {bck体育}| {bck}| {bck体育官网}| {bck体育下载}| {bck体育app}| {bck体育}| {bckbet}| {bcksports}| {bck官网}| {bck}| {bck体育下载}| {bck体育}| {bckbet}| {bcksports}| {bck官网}| {bck}| {bck体育下载}| {bck体育app}| {bck体育}| {bckbet}| {bck体育下载}| {bck体育app}| {bck体育}| {bckbet}| {bcksports}| {bck体育下载}| {bckbet}| {bcksports}| {bck体育官网}| {bck体育下载}| {bck体育app}| {bck体育}| {bck官网}| {bck体育下载}| {bckbet}| {bcksports}| {bck官网}| {bck体育app}| {bck体育}| {bcksports}| {bck官网}| {bck体育下载}| {bck体育}| {bckbet}| {bcksports}| {bck官网}| {bck体育}| {bcksports}| {bck官网}| {bck体育官网}| {bck体育下载}| {bck体育}| {bckbet}| {bcksports}| {bck}| {bck体育官网}| {bck体育下载}| {bck体育app}| {bck体育}| {bckbet}| {bck官网}| {bck}| {bck体育官网}| {bck体育下载}| {bck体育app}| {bcksports}| {bck官网}| {bck}| {bck体育官网}| {bcksports}| {bck体育下载}| {bck体育app}| {bckbet}|
{uc8}| {uc8体育}| {uc8官网}| {uc8老虎机}| {UC8娱乐城}| {uc8彩票}| {uc8}| {uc体育}| {uc8体育}| {UC体育}| {uc8官网}| {uc8老虎机}| {uc8体育}| {UC体育}| {uc8老虎机}| {uc8老虎机}| {UC8娱乐}| {uc8}| {uc体育}| {uc8体育}| {UC体育}| {uc8老虎机}| {uc8彩票}| {uc8}| {uc8体育}| {UC体育}| {uc8官网}| {UC8娱乐}| {UC8娱乐城}| {uc8}| {uc体育}| {uc8体育}| {UC体育}| {uc8官网}| {uc8老虎机}| {UC8娱乐}| {UC8娱乐城}| {uc8}| {uc体育}| {uc8体育}| {UC体育}| {uc8官网}| {uc8老虎机}| {UC8娱乐}| {UC8娱乐城}| {uc8}| {uc体育}| {uc8体育}| {UC体育}| {uc8官网}| {uc8老虎机}| {UC8娱乐}| {uc8彩票}| {uc8}| {uc体育}| {UC体育}| {UC8娱乐城}| {uc8}| {UC体育}| {uc8官网}| {uc8老虎机}| {uc8}| {uc体育}| {uc8体育}| {UC体育}| {uc8官网}| {uc8老虎机}| {UC8娱乐}| {UC8娱乐城}|