연료 전지 선박에서 수소 저장 기술의 적용 분석

에너지 절약 및 배출 감소에 대한 세계적인 관심이 높아짐에 따라연료 전지 선박해운 산업의 녹색 혁신을위한 중요한 방향으로 점점 더 많은 관심을 받고 있습니다. 연료 전지 선박 개발의 핵심 링크로서, 연구 및 응용 상태수소 저장기술은 더욱 시선을 사로 잡습니다.

현재 주로고압 가스 수소 저장, 저온 액체 수소 저장, 유기 액체 수소 저장 및 금속 수소 수소 저장. 이러한 수소 저장 방법에는 고유 한 장점과 단점이 있으며 다양한 유형의 선박 및 수요 시나리오에 적합합니다.

1. 고압 가스 수소 저장

고압 수소 저장은 압축 처리를 통해 가스 실린더에 고밀도 가스 형태의 수소를 저장합니다. 빠른 충전, 저렴한 비용 및 쉬운 작동으로 인해 선박 분야에서 가장 널리 사용되는 수소 저장 방법이되었습니다. 이 기술의 핵심은 수소 저장 실린더의 연구 및 개발에 있습니다. 고압 수소 저장 실린더는 순수한 강철 금속 실린더 (타입 I), 강철 라이너 탄소 섬유 래핑 병 (타입 II), 알루미늄 라이너 탄소 섬유 완전 포장 병 (타입 III) 및 플라스틱 라이너 탄소 섬유 완전히 포장 된 병 (IV 형)의 네 가지 유형으로 나뉩니다.

그 중에서도 III 형 및 IV 타입 IV 가스 실린더는 라이너, 탄소 섬유 와인딩 층 및 유리 섬유 강화 수지 층으로 구성됩니다. 전체 무게는 비교적 가볍고 질량 수소 저장 밀도가 높습니다. 그들은 핫스팟입니다연료 전지 선박응용 프로그램. 현재, 국내외의 연료 전지 선박에는 35mp의 작동 압력이있는 III 유형 병이 장착되어 있습니다. 수소 저장 밀도의 한계와 가스 실린더 시스템의 부피로 인해 선박의 유형은 주로 전력 출력이 작은 내륙 페리와 요트입니다.

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1) 재료 및 구조적 문제 : 플라스틱 라이너와 금속 사이의 인터페이스는 누출되기 쉬우 며, 가공 기술 및 표면 처리는 밀봉 및 결합을 향상시키기 위해 최적화되어야합니다.

2) 열 관리 문제 : 빠른 수소화 중에 많은 양의 열 에너지가 생성되며, 안전 위험을 피하기 위해 제어해야합니다. 시뮬레이션은 안전 표준을 충족한다는 것을 보여 주지만 객실의 실제 고온 환경에는보다 엄격한 온도 제어 측정이 필요합니다.

3) 충전 조건의 영향 : 초기 온도 및 수소 충전 속도는 온도 상승에 크게 영향을 미치며 충전 공정을 최적화하려면 미세 제어가 필요합니다.

고압 수소 저장은 현재 연료 전지 선박을위한 일반적인 수소 저장 방법으로 편리하고 경제적입니다. 그러나 가스 실린더의 압력 및 부피로 인해 35MPA 유형 III 실린더가 현재 소규모 선박에 사용됩니다. 지구력을 향상시키기 위해 70mpa의 사용을 위해 더 큰 선박으로의 적용을 확장하기 위해 가벼운 IV 유형 IV 실린더를 탐색하고 있습니다.

일본의 Yanmar Corporation과 Toyota는 전 세계 최초의 선박 70mpa 가스 실린더 급유를 달성하기 위해 특별히 라이센스가 높은 고압 장비를 사용했습니다.

그러나, 고압 수소 저장에는 안전 및 관리 문제가 있으며, 수소 급유 스테이션은 부족하며 수소 실린더의 교체는 불편하고 숨겨진 위험이 있습니다. 동시에 압력 증가는 장비 비용과 수소 급유 에너지 소비를 증가시키고 전체 비용이 크게 증가합니다.

2. 금속 수소 수소 저장

금속 수 소화물 수소 저장의 원리는 전이 금속 또는 합금을 사용하여 수소와 반응하여 특정 온도 및 압력 조건 하에서 수소 저장을 달성하기 위해 금속 하이드 라이드를 생성하고 열을 방출하는 것입니다. 온도가 상승함에 따라 금속 수 소화물은 수소를 방출하기 위해 분해됩니다.

기체 수소 저장과 비교하여,이 수소 저장 방법의 가장 큰 장점은 수소 저장 압력이 낮고 안전성이 높고, 많은 양의 수소 저장 밀도 (동일한 온도 및 압력 조건 하에서 가스 수소의 1000 ~ 3000 배)가 뒤 따른다는 것입니다. 현재 개발중인 수소 저장 합금에는 주로 희토류 합금, 티타늄 합금, 지르코늄 합금, 마그네슘 합금 및 바나듐 합금이 포함됩니다.

금속 수소 수소 저장은 안전성 및 체적 수소 저장 밀도 측면에서 가스 및 액체보다 더 많은 장점을 가지지 만, 기존 물질은 높은 수소 방출 반응 온도 조건을 가지며 반응 공정은 합금 구조 파괴와 같은 문제가있을 수 있으며, 수소 방출 공정 동안 합금이 확장되고 수축되어 저장 탱크가 형성됩니다.

실제 선박 응용 프로그램에서 주요 연구는 다음과 같은 측면에서 수행되어야합니다.

1) 질량 수소 저장 밀도를 개선하기 위해 새로운 수소 저장 합금 재료를 개발하고,

2) 표면 처리, 촉매 등을 통해 수소 저장 물질의 수소 흡수 및 탈착 성능을 최적화합니다.

3) 합금 분말과 수소와의 반응으로 인한 팽창으로 인해 컨테이너의 변형을 피하기 위해 저장 탱크 설계를 최적화하고;

4) 솔리드 스테이트 수소 저장 시스템의 열 수집, 저장 및 응용 시스템을 수행하고 전체 선박과 연구를 결합하여 에너지 활용 효율을 향상시키고 장치의 부피 및 질량에 대한 부담을 줄입니다.

수소 저장 합금 자체는 무겁기 때문에 질량 수소 저장 밀도는 낮지 만 수중 보트에는 더 유리하며 보트의 안정기를 증가시킬 수 있습니다. 고품질 수소 저장 재료를 개발하고 근무 조건을 최적화하는 것이 미래의 중요한 연구 방향입니다.

독일 HDW 조선소가 개발 한 연료 전지 장착 유형 212A 잠수함에는 각각 84kg의 수소를 저장할 수있는 38 개의 티타늄 아이언 합금 수소 저장 탱크가 있습니다. 출처 : 인터넷

연료 전지 선박을위한 수소 저장 방법을 선택할 때는 수소 저장 밀도, 안전, 비용, 서비스 수명, 안정성 및 에너지 소비와 같은 여러 요인을 종합적으로 고려해야합니다. 다음 표는 다른 수소 저장 방법을 비교합니다.

금속 수소 수소 저장은 뛰어난 성능, 순도 및 안전성을 가지고 있으며 향후 주류가 될 것으로 예상됩니다.