第57卷第7期 化 工 学 报 Vo1.57 NO.7 2006年7月 Journal of Chemical Industry and Engineering(China) July 2006 空心玻璃微球高压贮氢技术 张占文,唐永建,王朝阳,李 波,漆小波 (中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900) 摘要:利用炉内成球技术制备的亚毫米量级空心玻璃微球进行实验,系统研究了玻璃微球高压贮氢技术.玻璃 微球直径150 ̄250 p.m,壁厚0.9~4.0 p-m.采用气体渗透法充氢,在高温时,气体扩散进入微球内,温度降低 后气体不容易扩散出来,即可实现贮氢.通过控制外界温度和气氛可实现氢气的贮存和释放.对于直径200 gm, 壁厚1 gm的空心玻璃微球,在35O℃充气的平衡时间约6~10 h,充气平衡后,微球内外压基本相等.在室温条 件下,微球的保气半寿命约40 ̄50 d.对于直径200 gm,壁厚2 gm的空心玻璃微球,球内氢气最高压力可达 20~25 MPa,单位质量贮氢效率为13 ~16 . 关键词:贮氢;空心微球;玻璃球;高压;气体渗透 中图分类号:TK 91;TL 639.11 文献标识码:A 文章编号:0438—1157(2006)07—1677—05 High pressure hydrogen storage in hollow glass microspheres ZHANG Zhanwen。TANG YongjJan。WANG Chaoyang。LI Bo。QI Xiaobo (Laser Fusion Research Center,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621900,Sichuan,China) Abstract:High strength hollow glass microspheres with diameter no more than 1 mm are attractive for hydrogen storage and transport.Microspheres were made by drop tower techniques with 150—250 ttm diameter and 0.9—4.0 m membrane thickness.By immersion in high pressure hydrogen for a period of time at an elevated temperature the microspheres could be filled with hydrogen.The hydrogen pressure was equal to that of gas—filled chamber at 350℃for 6—10 h.With the help of Fick’S first law and the ideal gas law the pressure in the microsphere could be calculated.Based on the Arrhenius expression, permeability coefficient decreased as temperature dropped.The half—life time for hydrogen retention in hollow glass microspheres was about 40—50 d at room temperature.The maximum hydrogen pressure could reach 20—25 MPa in the hollow glass microspheres with 200 m diameter and 2 m membrane thickness.The hydrogen mass fraction was 1 3 to 1 6 . Key words:hydrogen storage;hollow microsphere;glass microsphere;high pressure;gas permeation 引 士 面[1 ].氢能与其他新能源相比具有一定的优点, 丘 如资源丰富、清洁环保、发热值高、燃烧性能好、 当今社会,能源在社会经济发展中的意义变得 导热性能好等.贮氢技术是氢能源开发和利用领域 越来 越重要.随着煤、石油和天然气等化石能源的 亟待解决的关键技术之一.根据贮存状态分,有高 枯竭 ,新能源的开发和利用已引起世界各国的关 压气态贮氢、低温液氢贮存及利用材料贮存等.高 注, 氢能这一能源体系的研究便是其中的一个方 压气态贮存是利用容器将氢气进行压缩和存储,因 2005—06—13收到初稿,2005—10—09收到修改稿 Received date:2005—06—13. 联系人及第一作者:张占文(1973一),男,硕士. Corresponding author:ZHANG Zhanwen.E--mail:bjzzwl974 @sohu.com 维普资讯 http://www.cqvip.com
化 工 学 报 第57卷 工艺要求简单,成本较低,是目前比较容易实现和 具有一定应用前景的一种贮氢途径.贮氢容器通常 是高压气瓶,常见的有钢制气瓶及复合材料制备的 轻质高压气瓶等.美国Quantum公司与人合作开 发出最大工作压力为35 MPa,单位质量贮氢密度 p(£)一p(O)exp(一 ) (4) 空心玻璃微球作为贮氢容器,要求贮氢时氢气 扩散快,即气体渗透系数K较大,而贮存时又希 望氢气扩散慢,即K较小.因此,希望玻璃微球 对氢气的气体渗透系数K是可调节的.根据 Arrhenius公式,K与温度的关系为 , F、 为11.3 的贮氢容器,2001年研制的容器最大工 作压力达70 MPa.而国内目前研制的贮氢容器最 大工作压力较国外低得多【3]. 直径在毫米或亚毫米量级的空心玻璃微球,作 为高压贮氢容器在国外已经开始研究并逐渐得到重 视[4].与常规气瓶比,空心玻璃微球贮氢具有很大 的灵活性.在使用过程中因微球本身是承压容器, 只要尽量减少受力和外界撞击,空心微球可堆积成 各种形状,而占有的总体积也可灵活多变.从能量 密度上,空心玻璃微球高压贮氢仅低于液态贮罐贮 氢,而高于气瓶贮氢、活性碳吸附贮氢、合金贮氢 等,但贮存过程中能量消耗仅是液态贮氢的1O ~20%r5],因此,空心玻璃微球高压贮氢发展前景 可观.目前,空心玻璃微球作为靶丸在惯性约束聚 变研究领域 。],作为新型填充材料和非金属多功 能材料在涂料、橡胶、塑料、电子、建材、航天航 空等多个领域都得到广泛应用 ],但作为贮氢材料 却只有简单介绍,缺少详细的研究报道.本文利用 炉内成球技术制备了高质量的空心玻璃微球,分析 了空心微球的贮氢原理,研究了空心玻璃微球的充 氢和释氢条件,并根据实验结果计算了玻璃微球贮 氢效率,探讨了空心玻璃微球作为贮氢材料发展方 向和存在的不足. 1 微球贮氢原理 空心玻璃微球的外径一般在毫米或亚毫米量 级,壁厚在几微米到几十微米,球壳的主要成分为 SiO ,同时含有K、Na和B等元素.微球充氢和 放氢都是利用氢气的浓差扩散实现的.对于半径 r,壁厚 的玻璃微球,定义时间常数 一3RTK/ ,则球内氢气的分气压p(£)在外压p。条件下, 随时间t变化关系为 dp(t)/dt…gEp(t) ] (1) 当 。是常数,式(1)的一个解为 p(£)一p。一[p。一p(O)]exp(-章) (2) 玻璃微球贮氢气时, (0)一0,有 p(£)一P。一 exp(一章) (3) 贮氢玻璃微球放置保存时,p。一0,有 K:Ko exp【一 ) (5) 因此,通过控制微球所处环境的温度和气氛条 件实现充氢、放氢和保氢.根据式(3)和式(4), 空心玻璃微球充氢和放氢决定于微球所处环境的氢 气分压,如果p。>p,则氢气向球内渗透;如果 ,>户。则氢气由球内向外渗透.根据式(5)氢气 的渗透速率决定于气体渗透系数,如果希望氢气渗 透(充氢和放氢时),则提高微球所处环境的温度; 如果不希望发生氢气渗透(贮存和运输时),则降 低温度即可. 2 空心玻璃微球制备 空心玻璃微球的制备方法很多,如火焰法、炉 内成球法、Si—GDP(硅掺杂的辉光放电聚合涂层) 球壳热解以及溅射法等.在众多方法中,炉内成 球法制备工艺比较成熟,微球质量(同心度、球 形度和壁厚均匀性等)较高,而且适合批量生 产,是贮氢用空心玻璃微球制备的主要候选方法 之一.炉内成球法根据原料状态不同分为液滴法 和干凝胶法.制球的主要设备是多温区程控立式 高温炉,液滴法原料是以水玻璃为主的溶液, 原料经液滴发生器处理后转变成均匀液滴进入 高温炉内,而干凝胶法原料为干凝胶粒子.利 用炉内成球技术制备的玻璃微球照片见图1,微 球直径在1 50~250 m,壁厚在0.9~4.0 m 之间.微球的直径和壁厚可以通过实验条件进 行调节. 3 空心玻璃微球贮氢 3.1充氢装置简介 微球充氢装置主要功能是通过改变空心微球外 部氢气压力及微球所处环境温度,以实现空心微球 的充氢.装置示于图2,该装置主要由真空系统、 高压气源、控制部分、充气室和气路组成.控制部 分主要功能是进行温度的设定和控制,记录实验过 程中充气室温度、压力与时间的关系曲线,进行充 维普资讯 http://www.cqvip.com
第7期 张占文等:空心玻璃微球高压贮氢技术 ・ 】679・ Fig.1 Picture of hollow glass microspheres 气室温度压力上限报警和处理等.充气室最大工作 压力25 MPa,温度范围为室温到450℃,升温速 率为3~15℃・min_。,升温过程中温度最大偏差 小于3O℃,最大超调温度小于1O℃,升温过程结 束到恒温过程的温度波动时间小于20 min,恒温 时温度漂移小于0.5℃.利用本装置可研究空心玻 璃微球的充气压力和平衡时间等具体充气条件对球 内压力的影响. to gas source high pressure valve thermoeouple gas—filled chamber stove pressure transducer relief valve Fig.2 Schematic diagram of high-pressure hydrogen—filled facility for hollow glass microspheres 3.2球内压力与充气时间和外压的关系 在350℃条件下,微球直径约200 m,壁厚 约1 m,充气压力为5.0 MPa,充气时间分别为 0.5、1、2、4、6、8和10 h,测量球内氢气压力 Pi,实验结果见图3.固定充气时间10 h,充气外 压P。分别为1.0、2.0、4.0、6.0和8.0 MPa,测 量球内压力,实验结果见图4.空心微球充气后 的压力主要决定于充气外压,当时间足够长后, 一般微球内外压之间存在微小压差,这是因为 测量温度不同,外压为充气室在350℃条件下的 表显压力,而测量的内压为标准条件下的压 力L6].结合图3和图4可知,渗透速率随着充 气时间而降低,充气平衡时间一般为6~10 h, 低压平衡时间短,高压平衡时间长.另外,根据 式(5),如果降低充氢温度,则平衡时间要适当 延长. Fig.3 Curve plot of pressure inner microsphere as function of filling time /MPa Fig.4 Effects of gas—filled chamber pressure on pressure inner microsphere 3.3常温下微球的保气性能 将充气后的微球在常温(25 ̄C)下保存,跟踪 测量球内氢气压力变化,实验结果见图5.一般定 义球内气压降到初始气压一半需要的时间为保气半 寿命 r—ln2/ ̄一r3ln2/(3RTK) (6) 由图5知,对于直径200 m,壁厚1 m的空 心玻璃微球保气半寿命约为4O~50 d.由式(6) 知,增加微球壁厚和直径都可以增加微球的保气时 间.另外,根据式(5),如果降低保存温度,可以 降低渗透系数和球内的初始压力P(O),同样可以 达到保气目的. 4 玻璃微球的贮氢效率 对于贮氢空心玻璃微球,球内气体总质量 m 为 m 一警M丽H (7) 式中 M 为氢气的摩尔质量.微球本身质量 维普资讯 http://www.cqvip.com
・1680・ 化 工 Fig.5 Curve plot of pressure inner hollow glass microsphere as function of reserve time m 一4 ,单位质量空心微球的贮氢效率为 mg/m 一 1 (8) 对于r一100 p.m, 一2 p.m的玻璃球,球内压 力一般为20~25 MPa,根据式(8),计算微球的 单位质量贮氢效率为13 ~16 .如果优化制备工艺或对玻璃微球进行改性,其贮氢效率可进一步 提高. 5 玻璃微球的放氢 空心玻璃微球释氢有两种方式,其一是将微球 压碎后放氢;其二是升高环境温度后球内气体扩散 出来(一般在200~300℃).前者的放氢简单方 便,但增加了微球制备的成本;后者微球可以反复 使用,但放氢需要一个升温装置.两种放氢方法可 根据实际情况进行选择. 6 空心玻璃微球贮氢存在的主要问题 空心玻璃微球作为贮氢材料目前存在的问题 有:(1)球形度、壁厚均匀性等质量要求,这些几 何参数直接关系到空心微球的保气能力和贮氢量, 如火焰法制备的微球质量较炉内成球法差;(2)化 学稳定性,目前水蒸气容易引起玻璃微球表面腐 蚀,从而降低微球强度和保气性能,如果采用聚苯 乙烯空心微球或SiC等陶瓷空心微球贮氢则不存在 这样问题;(3)大批量生产,主要解决制备的批量 化和较低的制备成本;(4)产品按几何尺寸如直 径、壁厚等进行分级;(5)充氢过程中将涉及高压 或高温,增加额外成本. 7 结 论 (1)利用炉内成球技术制备高质量的空心玻璃 微球,微球直径在150~250 p.m,壁厚在0.9~ 学 报 第57卷 4.0 m之间. (2)在350℃条件下,直径200 p.m,壁厚 1 p.m的空心微球充气的平衡时间约6~10 h. (3)直径200 p.m,壁厚1 p.m的空心玻璃微球 保气半寿命约40~50 d. (4)空心玻璃微球单位质量贮氢效率最高为 13 ~16 . 符 号 说 明 E——渗透能,J・mol K,K。——分别为气体渗透系数和气体渗透常数, mol・m一 ・s一 -Pa一 是——B0ltzmann常数,J・mol一 ・K一 Mw——氢气摩尔质量,g・mol11 m ,m ——分别为微球内氢气和微球的质量,g P,, P。,p(t)——分别为微球内、外和t时微球内的氢气 压力,Pa R——气体常数,J・mol-1・K r——微球半径,btm T_一温度,K 时间,S 微球壁厚,btm 卜_微球的充氢时间常数,S-1 玻璃微球球壳材料密度,g・m r——保气半寿命,s Referenees [13 Zhang Chao(张超),Lu Xuesheng(鲁雪生),Gu Anzhong (顾安忠).Adsorption of hydrogen in different structural single-walled carbon nanotube arrays.Journal of Chemical Industry andEngineering(China)(化工学报),2004,55 (6):974—979 [2]Xie Kechang(谢克昌),Li Zhong(李忠).Production and application of coal—based fue1.Journal of Chemical Industry andEngineering(China)(化工学报),2004,55(9): 1393—1399 [3] Zheng Jinyang(郑津洋),Fu Qiang(傅强),Kai Fangming (开方明),Chen Changpin(陈长聘).The state of art of lightweight high pressure hydrogen storage tanks.Acta Energiae Solaris Sinica(太阳能学报),2004,25(5): 576-581 E43 Das L M.On—board hydrogen storage system for automotive application.Int.J.Hydrogen Energy,1996,21(9): 789—800 E53 Liang Yah(梁焱),Wang Yah、(王焱),Guo Youyi(郭有 维普资讯 http://www.cqvip.com
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