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從微細處做起——儲氫熱壓縮系統熱交換容器介紹

2006/02/05 經濟部能源局 點閱人次: 350

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▓撰文:趙令裕 ▓圖片提供:工研院能環所

為了減少化石燃料的使用,氫能看起來是目前替代化石燃料最好的選擇。氫氣雖然在工業應用中被廣泛使用,但是將氫氣轉化能源在應用上仍存有許多技術瓶頸,有待專家學者研究及改善。

近年來由於儲氫合金具有儲氫密度高、具安全性、儲存時間長且無損耗等優點而逐漸被重視,而利用儲氫合金在儲氫過程中的化學能轉換成機械能或熱能的能量轉換功能,可進行熱的儲存、傳輸與氫氣加壓設備。其中氫氣加壓設備是利用儲氫合金在適當溫度壓力條件下發生可逆反應的特性,在低溫下吸收較低壓力的氫氣,再利用廢熱加熱釋放高壓力的氫氣,此方法僅利用熱能推動而不需要機械動件,有效提高整體能源使用效率。

儲氫熱壓縮系統熱交換容器設計

由於儲氫合金與氫的相互作用為一個伴隨熱效應的自發性化學反應,在氫氣吸放的過程中,同時伴隨壓力及熱能的變化;在過去研究中得知,熱壓縮儲氫系統熱交換容器在操作的過程中,包含兩項主要熱需求,一為儲氫合金吸放氫時的生成熱,另一則為熱交換器內部元件在溫度變化時所需顯熱值。因此為了要加快吸放氫的反應速率,增進氫氣壓縮的性能與效率,熱交換容器之熱傳設計為重要的條件。

熱交換容器設計面臨的技術問題

在設計儲氫合金熱交換床的二個關鍵因子,就是熱傳導和合金粉末的分布,一般而言,儲氫合金熱交換容器分為幾個主要構件:熱交換元件、氫氣管線、濾心、隔板、儲氫合金粉末及儲氫容器等,依各種不同的環境條件而有不同的設計應用。根據儲氫合金吸放氫的特性,對儲氫熱壓縮系統熱交換容器一般應考慮以下的技術問題:

一、儲氫容器的導熱性。儲氫合金在吸氫時放熱、放氫時吸熱的特性,使得金屬在多次的熱脹冷縮之後,產生脆裂而逐漸微粉化,使得儲氫合金粉末在容器內的不均勻分布或局部堆積過度緊實,將使其導熱性變差,而在吸氫時造成容器受到過大應力而破壞。

二、容器外型設計。根據不同應用場合,熱交換容器需與熱交換媒介有足夠的導熱和冷卻能力,使材料吸放氫反應能順利進行,並達到預定的速度與壓力要求。

三、容器材質應具備氣密性、耐壓性、堅固、抗氫脆等特性。

四、儲氫合金在多次吸氫與放氫後,合金會逐漸碎裂而至形成粉末狀(粒徑大小約1~100μm),因此在釋放氫氣的時候為了避免粉末的逸出,必須有適當之過濾裝置,一般常用的濾心為不鏽鋼材質,濾心孔徑可據所用儲氫合金粉末粒徑分布及氫氣流量、壓力差大小而設計。

目前的熱交換容器設計介紹

熱交換容器為了同時滿足耐壓與良好熱傳的要求,目前國內外熱交換容器設計大多以圓柱型殼外熱交換式為主,容器為不鏽鋼或鋁合金材質,容器內利用導熱材質隔為多層隔艙。增加隔艙的數量,雖然熱交換速率較佳,但同時也加重了整體設計的重量;隔艙空間若是太大,則熱交換效率差,同時儲氫合金粉在重量影響下堆積過多反密實,會在吸氫膨脹時產生高應力,而對儲氫容器造成損害。

在容器內也可放置立體交格式發泡物(foam)來取代間隔,比較常用的為發泡鋁材質,此設計可以幫助熱交換器與儲氫粉末之間的傳熱,同時將粉末適時存放與限制在發泡物中的每一細格內,也可減少因粉末吸氫膨脹所產生之應力對容器造成損害。

為了改善容器的熱交換效率,可在容器的中央設計一熱交換管路,提高吸氫或放氫的速率,不過,這會占據一些空間,而減少了儲氫合金粉末的充填量。有的熱交換管設計在儲氫容器外面,這種型式的設計,不會有因儲氫合金吸氫膨脹而導致熱交換管破裂的疑慮;尤其是模組式設計,利用金屬外殼將儲氫模組及熱交換設計放置其內,吸放氫及熱交換管線則延伸至外部,方便充氫接管以及熱交換媒介進出。

新世紀的新挑戰

氫經濟的國際性將影響全球發展,世界各國在政策與技術上都有研發,國際合作的模式會將氫能變成共用資源,並使得各國氫能可更有效的快速發展,所以加強各研究計畫的合作與溝通是必須的。氫經濟是否能成功?答案是肯定的,因為當新的能量轉換發生時,新的能源與載體就會蓬勃發展;煤因為蒸氣機而成為工業革命的主因,陸地輸送由馬轉變成鐵路,海上輸送由帆船變成蒸氣船,汽油內燃機的發明造就自動車、噴射飛機發展,電燈的發明使用造就電力驅動了家庭與工業。因此,氫的各項應用技術研發,對各國而言將是新奇的挑戰。(作者為工研院能源與環境研究所副研究員)


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