金属氢化物储氢装置：突破氢能存储瓶颈的创新方案 CNR218-232

项目背景

本文针对电力生产中的实际痛点，研发了金属氢化物储氢装置：突破氢能存储瓶颈的创，有效提升了作业效率与安全水平。氢能作为清洁能源，其利用涉及制取、输运及燃料电池等环节。氢气存储是限制氢能大规模应用的关键瓶颈之一。当前储氢方式主要包括压缩气态储氢、低温液化储氢和储氢材料固态储氢。固态储氢因体积储氢密度大、工作压力低、安全性高，被视为极具应用前景的储氢方式。

金属氢化物储氢是固态储氢的重要方向，但传统装置存在合金粉体积膨胀导致容器变形、合金粉堆积降低吸放氢效率等问题。如何优化装置结构，提升传热传质效率，成为技术突破的关键。

本项目提供一种创新的金属氢化物储氢装置，通过内部传热介质与储氢合金粉的复合设计，解决上述问题，并完成样机验证。

存在问题

• 容器变形风险：储氢合金在吸放氢过程中体积膨胀明显，传统装置易因压力变化导致罐体变形。
• 合金粉堆积：合金粉在罐内易流动堆积，减少与氢气的接触面积，降低吸放氢效率。
• 传热效率低：吸放氢反应伴随热量变化，传统结构传热路径长，热量转换效率低。
• 放氢持续时间短：无外部热源时，放氢流量和持续时间受限，难以满足连续供氢需求。
• 成本过高：固态储氢技术大规模应用面临成本挑战，包括材料成本和规模化生产难度。

创新目标

本项目旨在开发一种金属氢化物储氢装置，通过优化内部结构和传热介质，提高体积储氢密度、吸放氢效率和安全性，并完成样机验证，为后续产业化降低成本提供技术基础。

技术方案

该装置由罐体、通气管道、填料区及内部传热介质构成。内部传热介质采用孔隙率60-98%的泡沫镍，其空隙内填充储氢合金粉。泡沫镍的空隙结构有效阻止合金粉流动堆积，增大合金粉与氢气的接触面积，同时利用罐体内部空间，减小合金粉体积膨胀带来的压力，避免容器变形。

操作流程：充氢时，氢气通过通气管道进入填料区，与泡沫镍空隙中的合金粉接触，发生吸氢反应；放氢时，通过外部循环水或自然条件提供热量，氢气从合金粉中释放，经通气管道输出。装置在无充氢状态下，可在5-25℃温度和50SLM充氢流量下维持充氢430分钟，累积充氢量达24.995Nm³。

放氢方面，充满氢的装置在无循环热水供应下，可在出口压力0.2MPa、放氢流量183SLM下维持放氢16分钟；在65℃循环水条件下，可维持放氢102分钟，持续放氢量达18.918Nm³。装置体积储氢密度高于40kg H2/m³。

创新亮点

• 泡沫镍复合结构：采用孔隙率60-98%的泡沫镍作为传热介质，空隙内填充储氢合金粉，有效利用罐体内部空间，减小体积膨胀压力，避免容器变形。
• 高效传热传质：泡沫镍的空隙结构阻止合金粉流动堆积，增大合金粉与氢气接触面积，提高吸放氢效率和热量转换效率。
• 高体积储氢密度：装置体积储氢密度高于40kg H2/m³，优于传统固态储氢装置。
• 放氢性能可调：在无循环热水供应下可维持放氢16分钟，65℃循环水条件下可维持放氢102分钟，持续放氢量达18.918Nm³，适应不同场景需求。
• 成本优化潜力：通过开发高性能低成本储氢材料和实现大规模生产，可显著降低技术使用费用，预计节省20%的技术使用费用。

落地应用效果

该储氢罐设计技术已加工成储氢装置样机，并经过中国科学院金属研究所的性能试验验证。样机在充氢和放氢测试中表现出稳定的性能，验证了设计的可行性。产业单位转化该技术后，预计可节省20%的技术使用费用。

产出物：金属氢化物储氢装置样机，经中国科学院金属研究所性能试验验证。

适用场景：电网氢储能、氢燃料电池备用电源、燃料电池热电联供系统，尤其适合对安全性和安装空间要求较高的氢能利用场所。

常见问题

Q：该储氢装置的核心结构是什么？

A：核心结构包括罐体、通气管道、填料区及内部传热介质。传热介质采用孔隙率60-98%的泡沫镍，其空隙内填充储氢合金粉。

Q：该装置在放氢性能上有何表现？

A：充满氢的装置在无循环热水供应下，可在出口压力0.2MPa、放氢流量183SLM下维持放氢16分钟；在65℃循环水条件下，可维持放氢102分钟，持续放氢量达18.918Nm³。

Q：该技术目前面临的主要挑战是什么？

A：固态储氢技术大规模应用仍面临成本过高的挑战。后续产业化的关键点在于开发高性能低成本的储氢材料和实现大规模生产。

数据来源：项目验收报告及现场应用统计，单位信息已脱敏处理。

本文由中广研创新整理。