Analyse de l'application de la technologie de stockage d'hydrogène dans les navires à piles à combustible

Avec l'attention mondiale croissante à la conservation de l'énergie et à la réduction des émissions,navires à pile à combustible, comme une direction importante pour la transformation verte de l'industrie maritime, reçoivent de plus en plus d'attention. Comme lien clé dans le développement des navires à piles à combustible, la recherche et l'état de l'application destockage d'hydrogèneLa technologie est encore plus accrocheuse.

Il existe différentes façons de stocker l'hydrogène dans les navires à pile à combustible, y compris actuellement principalementStockage à l'hydrogène gazeux à haute pression, stockage d'hydrogène liquide à basse température, stockage de l'hydrogène liquide organique et stockage d'hydrogène hydrure métallique. Ces méthodes de stockage d'hydrogène présentent leurs propres avantages et inconvénients et conviennent à différents types de navires et de scénarios de demande.

1. Stockage à l'hydrogène gazeux à haute pression

Le stockage d'hydrogène à haute pression stocke de l'hydrogène sous une forme gazeuse à haute densité dans un cylindre à gaz grâce à un traitement de compression. Il est devenu la méthode de stockage d'hydrogène la plus utilisée dans le domaine des navires en raison de son remplissage rapide, de son faible coût et de son fonctionnement facile. La clé de cette technologie réside dans la recherche et le développement de cylindres de stockage d'hydrogène. Les cylindres de stockage d'hydrogène à haute pression sont divisés en quatre types: les cylindres en métal en acier pur (type I), les bouteilles en fibre de carbone en carbone en acier (type II), la doublure en aluminium en fibre de carbone en fibre de carbone entièrement enveloppée (type III) et les bouteilles en fibre de carbone en fibre de carbone en plastique (type IV).

Parmi eux, les cylindres à gaz de type III et de type IV sont composés de revêtement, de couche d'enroulement en fibre de carbone et de couche de résine renforcée en fibres de verre. Le poids global est relativement léger et la densité de stockage de l'hydrogène de masse est élevée. Ce sont les points chauds pournavire de pile à combustibleapplications. À l'heure actuelle, les navires à pile à combustible au pays et à l'étranger sont équipés de bouteilles de type III avec une pression de travail de 35 MP. En raison des limites de la densité de stockage de l'hydrogène et du volume du système de cylindre à gaz, les types de navires sont principalement des ferries et des yachts intérieurs avec une petite puissance.

Dans le défi de la décalage entre le stockage d'énergie des navires et l'endurance, les cylindres à gaz de 70 MPA de type IV utilisent des plastiques légers à haute résistance pour remplacer les métaux pour améliorer la qualité, la ténacité à l'impact et la résistance à la corrosion, mais font face aux obstacles techniques, notamment:

1) Problèmes de matériau et structurel: L'interface entre la doublure en plastique et le métal est sujette à la fuite, et la technologie de traitement et le traitement de surface doivent être optimisées pour améliorer l'étanchéité et la liaison.

2) Défis de gestion thermique: Une grande quantité d'énergie thermique est générée pendant l'hydrogénation rapide, qui doit être contrôlée pour éviter les risques de sécurité. Bien que la simulation montre qu'elle répond aux normes de sécurité, l'environnement réel à haute température de la cabine nécessite des mesures de contrôle de la température plus strictes.

3) Influence des conditions de remplissage: La température initiale et le taux de remplissage de l'hydrogène affectent considérablement l'élévation de la température, et un contrôle fin est nécessaire pour optimiser le processus de remplissage.

Le stockage d'hydrogène à haute pression est actuellement une méthode de stockage d'hydrogène commune pour les navires à piles à combustible, ce qui est pratique et économique. Cependant, en raison de la pression et du volume du cylindre à gaz, des cylindres de type III de 35 MPa sont actuellement utilisés pour les navires à petite puissance. Afin d'améliorer l'endurance, l'utilisation de cylindres de type IV plus légère de 70 MPa est explorée pour étendre l'application à des navires plus grands.

La Yanmar Corporation et Toyota japonaises ont utilisé des équipements à haute pression spécialement autorisés pour réaliser le premier ravitaillement du cylindre à gaz 70 MPA au monde.

Cependant, le stockage d'hydrogène à haute pression a des problèmes de sécurité et de gestion, les stations de ravitaillement en hydrogène sont rares et le remplacement des cylindres d'hydrogène est gênant et présente des dangers cachés. Dans le même temps, l'augmentation de la pression augmente le coût de l'équipement et la consommation d'énergie de ravitaillement en hydrogène, et le coût global augmente considérablement.

2. Stockage d'hydrogène hydrure métallique

Le principe du stockage d'hydrogène hydrure métallique est d'utiliser des métaux de transition ou des alliages pour réagir avec l'hydrogène pour générer des hydrures métalliques pour obtenir un stockage d'hydrogène dans certaines conditions de température et de pression, tout en libérant de la chaleur; À mesure que la température augmente, l'hydrure métallique se décompose pour libérer de l'hydrogène.

Comparé au stockage gazeux de l'hydrogène, le plus grand avantage de cette méthode de stockage d'hydrogène est que la pression de stockage de l'hydrogène est faible et que la sécurité est élevée, suivie d'une densité de stockage d'hydrogène à grand volume (1000 ~ 3000 fois celle de l'hydrogène gazeux dans les mêmes conditions de température et de pression). Les alliages de stockage d'hydrogène actuellement en cours de développement comprennent principalement des alliages de terres rares, des alliages de titane, des alliages de zirconium, des alliages de magnésium et des alliages de vanadium.

Le stockage d'hydrogène hydrure métallique présente plus d'avantages que le gaz et le liquide en termes de sécurité et de densité de stockage volumétrique de l'hydrogène, mais les matériaux existants ont des conditions de température de réaction à libération d'hydrogène élevés, et le processus de réaction peut avoir des problèmes tels que la destruction de la structure des alliages, et l'alliage s'étendra et se contractera pendant le processus de libération d'hydrogène, provoquant la déformation du réservoir de stockage.

Dans les applications réelles des navires, les recherches clés doivent être effectuées dans les aspects suivants:

1) Développer de nouveaux matériaux d'alliage de stockage d'hydrogène pour améliorer la densité de stockage de l'hydrogène de masse,

2) Optimiser les performances d'absorption et de désorption d'hydrogène des matériaux de stockage d'hydrogène par le traitement de la surface, l'ajout de catalyseurs, etc.,

3) optimiser la conception du réservoir de stockage pour éviter la déformation du récipient en raison de l'expansion causée par la réaction de la poudre d'alliage avec de l'hydrogène;

4) Effectuer des systèmes de collecte, de stockage et d'application de chaleur des systèmes de stockage d'hydrogène à l'état solide et combinez des recherches avec l'ensemble du navire pour améliorer l'efficacité de l'utilisation d'énergie et réduire la charge du volume et de la masse de l'appareil.

Parce que l'alliage de stockage d'hydrogène lui-même est lourd, sa densité de stockage de l'hydrogène masse est faible, mais elle est plus bénéfique pour les bateaux sous-marins et peut augmenter le ballast des bateaux. Le développement de matériaux de stockage d'hydrogène de haute qualité et l'optimisation des conditions de travail sont des orientations de recherche importantes à l'avenir.

Le sous-marin de type 212A équipé de piles à combustible développé par le chantier naval HDW allemand possède 38 réservoirs de stockage d'hydrogène en alliage en fer titane qui peuvent stocker 84 kg d'hydrogène chacun. Source: Internet

Lors du choix d'une méthode de stockage d'hydrogène pour un navire à pile à combustible, il est nécessaire de considérer de manière approfondie plusieurs facteurs tels que la densité de stockage de l'hydrogène, la sécurité, le coût, la durée de vie, la stabilité et la consommation d'énergie. Le tableau suivant compare différentes méthodes de stockage d'hydrogène:

Le stockage d'hydrogène hydrure métallique a des performances, une pureté et une sécurité exceptionnelles, et devrait devenir le courant dominant à l'avenir.