金屬氫化物在儲(chǔ)熱領(lǐng)域的應(yīng)用
儲(chǔ)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(guó)內(nèi)外學(xué)者和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。按儲(chǔ)熱原理分，儲(chǔ)熱技術(shù)可分為為顯熱儲(chǔ)熱、潛熱儲(chǔ)熱和熱化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱三類。目前太陽(yáng)能發(fā)電儲(chǔ)熱系統(tǒng)，屬于顯熱儲(chǔ)熱，存在儲(chǔ)熱密度低、成本高、低溫凝固、高溫分解和腐蝕等問題。潛熱儲(chǔ)熱的儲(chǔ)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(chǔ)熱具有更大的能量?jī)?chǔ)存密度，且不需要保溫，可以在常溫下無(wú)損失地長(zhǎng)期儲(chǔ)存熱能熱量。作為新型的熱化學(xué)儲(chǔ)熱材料，金屬氫化物具有儲(chǔ)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(diǎn)，目前成為熱能存儲(chǔ)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
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(chǔ)熱材料如水，其質(zhì)量?jī)?chǔ)熱密度僅有333 kJ/kg，而金屬氫化物通常具有更高的儲(chǔ)熱密度，如TiH2、CaH2的質(zhì)量?jī)?chǔ)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(chǔ)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(shì)，儲(chǔ)熱溫度為600-800℃，可用于大型太陽(yáng)能熱電站。CaH2的工作溫度范圍為900-1100℃，質(zhì)量?jī)?chǔ)熱密度高達(dá)4312 kJ/kg，也是理想的高溫氫化物儲(chǔ)熱材料。鎂基氫化物是較典型的中溫儲(chǔ)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(diǎn)，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(chǔ)熱溫度比Mg2FeH6略高，可作為太陽(yáng)能熱電應(yīng)用的儲(chǔ)熱介質(zhì)。
金屬氫化物的儲(chǔ)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(chǔ)存或釋放。儲(chǔ)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(chǔ)熱是基于化學(xué)能與熱能的轉(zhuǎn)換，單氫化物床儲(chǔ)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(shí)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)重復(fù)的熱能充放循環(huán)。
圖1 金屬氫化物儲(chǔ)熱系統(tǒng)的工作原理
結(jié)合近年來的研究動(dòng)態(tài)，金屬氫化物在儲(chǔ)熱領(lǐng)域主要有以下應(yīng)用：
（1）太陽(yáng)能熱電領(lǐng)域
儲(chǔ)熱系統(tǒng)是太陽(yáng)能熱電的關(guān)鍵配套技術(shù)之一。在太陽(yáng)能熱電應(yīng)用中，電站在白天收集的太陽(yáng)能，一部分需要以熱能的形態(tài)儲(chǔ)存起來，在晚上釋放熱量驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供電力。根據(jù)太陽(yáng)能集熱方式的不同，儲(chǔ)熱系統(tǒng)可分為高溫和中溫儲(chǔ)熱系統(tǒng)。高溫儲(chǔ)熱系統(tǒng)可作為太陽(yáng)能集熱輔助儲(chǔ)熱。對(duì)于大型太陽(yáng)能熱電站的儲(chǔ)熱系統(tǒng)，儲(chǔ)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(yáng)能集熱系統(tǒng)研究的高溫儲(chǔ)氫材料。
（2）低溫儲(chǔ)熱(儲(chǔ)冷)領(lǐng)域
低溫儲(chǔ)氫氫化物，一般要求材料在室溫附近儲(chǔ)存和釋放氫氣，被用作低溫儲(chǔ)熱（儲(chǔ)冷）領(lǐng)域。在選擇低溫氫化物時(shí)，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(chǔ)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(chǔ)氫合金的熱化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行制冷、制熱、增熱，與儲(chǔ)熱系統(tǒng)的區(qū)別在于內(nèi)置的儲(chǔ)氫合金用于熱能轉(zhuǎn)化而非用作儲(chǔ)熱材料，其系統(tǒng)的工作原理與上述氫化物儲(chǔ)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(dòng)，也能夠利用工業(yè)廢熱、太陽(yáng)能等低品熱能實(shí)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(chǔ)熱具有儲(chǔ)熱能量密度高、易于控制、反應(yīng)速度快熱損失小等優(yōu)點(diǎn)，是一種極具應(yīng)用前景的新型儲(chǔ)能技術(shù)，對(duì)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(shí)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(chǔ)熱技術(shù)具有許多獨(dú)特性和潛在優(yōu)勢(shì)，因而在新能源存儲(chǔ)、電網(wǎng)調(diào)峰儲(chǔ)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(guó)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(qǐng)聯(lián)系我們，謝謝。
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