采用基于锂的吸附剂和两段式燃料反应器的吸附增强型化学循环氢生产系统的热力学分析

《International Journal of Hydrogen Energy》：Thermodynamic analysis of a sorption enhanced chemical looping hydrogen production system with lithium-based sorbents and a two-section fuel reactor

本研究在西班牙Ciudad Real极端夏季条件下测试了太阳能、氢燃料电池和内燃机混合动力系统的可行性，通过集成氯碱电解器和气体吸收系统，实现了太阳能直接驱动、电解水制氢供燃料电池使用，以及内燃机结合CO2捕获的循环利用，验证了系统在低技术成熟度下的技术可行性，并计算了关键性能参数。

　　在当今社会，随着对可持续发展和环境保护意识的增强，交通运输系统正面临越来越多的挑战。传统内燃机车辆不仅消耗大量的材料和能源，还对环境造成严重的污染，包括局部的人类健康影响和全球的气候变化问题。因此，寻找替代能源和减少碳排放成为当前研究的热点。在这一背景下，研究人员提出了一个混合动力车辆的概念，该系统结合了太阳能、氢燃料电池和内燃机，并通过氯碱电解装置与气液吸收系统进行整合。这一研究在西班牙的Ciudad Real地区进行，测试环境为极端夏季条件，最高温度可达38.6摄氏度，以评估这种混合动力系统的可行性。

研究中使用了一个定制的车辆底盘，通过3D打印技术制造，其中集成了一台由硝基甲烷驱动的模型发动机。这种模型发动机虽然功率较高，但效率较低，且难以找到小型的柴油发动机。为了克服这一问题，研究人员对发动机进行了改造，使其也可以通过电动机驱动。车辆配备了80瓦的电动机和2.5立方厘米的内燃机，同时还包括一个48平方厘米的氯碱电解器、12瓦的氢燃料电池、四个太阳能板（其中两个为10瓦，两个为3.6瓦）以及一个1.0升的氢气储存罐。通过这些组件的组合，车辆可以在不同模式下运行，包括电解、太阳能驱动、氢气驱动和燃烧模式。

在电解模式下，车辆处于静止状态，利用太阳能或电网电力进行电解反应，产生氢气和氢氧化钠溶液。氢气在气缸中积累，并通过压缩机将其输送到高压储存罐中，以供后续使用。同时，产生的氯气被收集并转化为次氯酸钠溶液，以实现其工业价值。在太阳能驱动模式下，车辆利用太阳能板提供的电力驱动电动机，实现移动。而在氢气驱动模式下，车辆则依靠储存的氢气通过燃料电池提供动力。当太阳能和氢气都不可用时，车辆会切换到燃烧模式，使用内燃机驱动，并通过气液吸收系统吸收尾气中的二氧化碳，将其转化为碳酸盐和碳酸氢盐。

研究还涉及了对不同充电模式的测试，包括慢速和快速电网充电，以及太阳能充电。慢速充电需要6小时才能充满氢气储存罐，而快速充电则只需1小时。尽管快速充电模式对电解器组件的损耗较大，但其高效性也表明该技术具有一定的潜力。太阳能充电则在车辆停放时进行，当太阳辐射足够时，可以有效地进行电解反应。此外，研究人员对系统进行了详细的实验和数据分析，包括电流、电压、气体体积和液体样本的测量，以评估法拉第效率和能量效率。实验结果表明，法拉第效率在10%左右，而能量效率则在13%左右，这表明该系统在低技术就绪水平（TRL 3-4）下仍具有一定的可行性。

在车辆运行过程中，研究人员还测试了不同能源供应模式下的性能表现。包括太阳能驱动、氢燃料电池驱动和内燃机驱动的五个30分钟驾驶周期。结果显示，车辆在不同模式下的能量消耗存在显著差异，从最低的1.8瓦时（在低太阳能辐射条件下）到最高的13瓦时（在内燃机驱动情况下）。这些数据反映了不同能源来源的特性，以及它们在车辆运行中的实际应用效果。此外，车辆在不同模式下的行驶距离和速度也有所不同，这与各个能源供应模式的功率输出密切相关。

在吸收系统方面，研究人员测试了在燃烧模式下，车辆尾气中二氧化碳的捕获能力。尽管实验中捕获的二氧化碳量仅为理论值的1%，但这一结果表明该系统在技术上是可行的。研究还指出，模型发动机的排放量远高于实际汽车，因此需要进一步优化吸收系统，以提高二氧化碳捕获效率。这可能涉及到对吸收系统尺寸和反应路径的改进，以适应实际交通场景中的高气流和短接触时间。

总体而言，这项研究展示了一个混合动力车辆的概念，其结合了多种能源形式，以实现更可持续的交通方式。尽管目前的原型系统仍处于较低的技术就绪水平，但其在实际测试中表现出良好的性能和潜力。未来的研究和开发将集中在如何提高系统的效率、优化二氧化碳捕获能力以及解决氢气储存和燃料电池技术的限制。通过进一步的技术创新和系统优化，这种混合动力车辆有望成为未来可持续交通的重要组成部分。