金屬氫化物在儲熱領域的應用

       儲能技術是可再生能源大規模推廣應用需要解決的核心難題，目前已引起了國內外學者和工業界的廣泛關注。按儲熱原理分，儲熱技術可分為為顯熱儲熱、潛熱儲熱和熱化學反應儲熱三類。目前太陽能發電儲熱系統，屬于顯熱儲熱，存在儲熱密度低、成本高、低溫凝固、高溫分解和腐蝕等問題。潛熱儲熱的儲熱密度大，但存在著導熱系數低等問題，阻礙了商業化應用。熱化學反應儲熱具有更大的能量儲存密度，且不需要保溫，可以在常溫下無損失地長期儲存熱能熱量。作為新型的熱化學儲熱材料，金屬氫化物具有儲熱能量密度高、反應速度快、循環性能好、熱導率高等優點，目前成為熱能存儲領域的研究熱點。

       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，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合形成，具有部分金屬的特征。傳統的相變儲熱材料如水，其質量儲熱密度僅有333 kJ/kg，而金屬氫化物通常具有更高的儲熱密度，如TiH2、CaH2的質量儲熱密度分別為2840和4275 kJ/kg。因此，這2種氫化物均是理想的高溫儲熱材料。LiH的最高溫度達760℃，可為近地軌道衛星的能量轉換系統提供連續的熱量。TiH2 具有較好的成本優勢，儲熱溫度為600-800℃，可用于大型太陽能熱電站。CaH2的工作溫度范圍為900-1100℃，質量儲熱密度高達4312 kJ/kg，也是理想的高溫氫化物儲熱材料。鎂基氫化物是較典型的中溫儲熱材料，如MgH2，Mg2FeH6和NaMgH3。MgH2適用溫度區間在300-500 ℃，具有較低的反應滯后、良好的循環性能以及較高的熱導率的優點，可被用于小型發電站、新能源車用空調。Mg2FeH6反應焓和使用溫度比MgH2略高，可用于工業廢熱的回收。NaMgH3的儲熱溫度比Mg2FeH6略高，可作為太陽能熱電應用的儲熱介質。

       金屬氫化物的儲熱原理是利用其可逆吸放氫化學反應的反應焓進行熱能的儲存或釋放。儲氫合金的吸放氫反應式如下：

       式中ΔH為反應焓，即單位物質在反應過程中釋放或吸收的熱量。金屬氫化物儲熱是基于化學能與熱能的轉換，單氫化物床儲熱系統的工作示意圖如圖1所示。在放能過程中，氫氣被導入氫化物床，金屬或合金吸收氫氣同時釋放熱量；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，氫氣儲存在氫氣罐內。通過控制氫化物的可逆吸放氫反應，系統實現重復的熱能充放循環。

圖1 金屬氫化物儲熱系統的工作原理

結合近年來的研究動態，金屬氫化物在儲熱領域主要有以下應用：

（1）太陽能熱電領域

       儲熱系統是太陽能熱電的關鍵配套技術之一。在太陽能熱電應用中，電站在白天收集的太陽能，一部分需要以熱能的形態儲存起來，在晚上釋放熱量驅動電機提供電力。根據太陽能集熱方式的不同，儲熱系統可分為高溫和中溫儲熱系統。高溫儲熱系統可作為太陽能集熱輔助儲熱。對于大型太陽能熱電站的儲熱系統，儲熱溫度要求在700—1100℃甚至更高。高溫氫化物主要有LiH，TiH2和 CaH2等，其中LiH是最早用于太陽能集熱系統研究的高溫儲氫材料。

（2）低溫儲熱(儲冷)領域

       低溫儲氫氫化物，一般要求材料在室溫附近儲存和釋放氫氣，被用作低溫儲熱（儲冷）領域。在選擇低溫氫化物時，成本和可靠性是較多關注的因素。經過多年的研究，已有較成熟的儲氫合金材料可供挑選，如TiFe，LaNi5，TiMn2等。

（3）熱泵領域

       氫化物熱泵的原理也是利用儲氫合金的熱化學反應進行制冷、制熱、增熱，與儲熱系統的區別在于內置的儲氫合金用于熱能轉化而非用作儲熱材料，其系統的工作原理與上述氫化物儲熱的工作原理一致。金屬氫化物的熱泵系統既可利用電能驅動，也能夠利用工業廢熱、太陽能等低品熱能實現制冷和制熱等功能。甚至，金屬氫化物熱泵用于載人航天生命保障系統，其與輻射器相結合可組成航天服熱控系統的冷源，用于航天設備的冷卻和航天員備用食品的冷凍保鮮等。

       總的來說，金屬氫化物儲熱具有儲熱能量密度高、易于控制、反應速度快熱損失小等優點，是一種極具應用前景的新型儲能技術，對可再生能源開發利用、降低常規能源能耗和環境污染物排放具有十分重要的意義。然而，目前其實際商業化應用并不廣泛。相比于傳統技術而言，金屬氫化物儲熱技術具有許多獨特性和潛在優勢，因而在新能源存儲、電網調峰儲能、廢熱回收、采暖等許多領域有廣泛的應用前景。

本文來源：中國熱管理產業技術創新戰略聯盟   版權歸原作者所有，轉載僅供學習交流，如有不適請聯系我們，謝謝。

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