基于模糊综合评价法的化学储氢材料特性比较研究_乔春珍.pdf

年，第 期 I1 收稿日期：基金项目：国家大学生创新创业训练计划项目；北京市教育委员会科学研究计划项目资助（）作者简介：乔春珍（），女，山西临汾人，博士，副教授，研究方向为能源洁净利用与环境。基于模糊综合评价法的化学储氢材料特性比较研究乔春珍，罗晨露，王钟震（北方工业大学 土木工程学院，北京）摘 要：氢气的储存是氢能产业链中的重要组成部分，也是氢能产业链的“堵点”，化学储氢是解决目前氢气所面临的储存瓶颈问题的重要研究方向。以研究化学储氢材料的发展为目标，选择两种有机液态以及两种固态储氢材料为评价对象，使用 软件，基于层次分析法确定权重的模糊综合评价法将这四种储氢材料的安全性、适用性、便捷性、以及经济性的定性分析转化为定量评价，完成对四种储氢材料的打分，结果表明环己烷（）在化学储氢材料发展中较具优势。关键词：氢能；化学储氢材料；层次分析法；模糊综合评价中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，“”，（）：；引 言物质、能量和信息是客观世界构成的三大要素。能源是指能提供某种形式能量的物质。在双碳目标的背景下，氢能作为一种清洁高效、来源丰富、安全便捷的能源，是国内外新能源研究的热点，也是我国实现能源转型的重要助力。北京冬奥会以低碳绿色为理念，氢能在其中也发挥了重要作用。氢能在近些年发展迅速，其产业链在发展过程中也有一些难题亟待解决。从氢能产业链中氢气的制取、储运和使用三个方面对氢能发展模式进行探讨，发现“绿氢”是今后发展的目标、化学储氢技术将是今后研究的重点方向、氢能在交通领域的应用将起到引领作用，同时发现，氢气的储存是氢能产业链的瓶颈。笔者通过对比目前常用的两种储氢技术 物理储氢和化学储氢，发现两类化学储氢技术 有机液态储氢、固态新能源与储能DOI:10.16189/ki.nygc.2023.01.005 I2 储氢，相比于两类物理储氢技术 高压气态储氢、低温液态储氢而言，具有安全性更好，储氢密度更高等优势，应用潜力更大，化学储氢材料的性能是影响化学储氢技术发展的主要因素。化学储氢材料的研究进展决定着化学储氢技术的发展，也因此决定着氢能产业链能否得到进一步完善，氢能能否得到推广应用。国际能源协会（）、日本“世界能源网络”（）以及美国能源部（）等机构公布了对储氢技术的标准，其中美国能源部（）从质量储氢密度、体积储氢密度、成本、生命周期成本、能源效率、安全性能等方面对储氢技术进行了要求。然而我国对化学储氢材料评价没有相应的标准，国外的能源机构如国际能源协会（）、日本“世界能源网络”（）以及美国能源部（）对化学储氢材料的评价都属于定性的评价，没有定量的评价。本文以定量评价化学储氢材料为目标，确定层次分析法的模型，使用 软件探讨各要素的权重，并对四种典型化学储氢材料进行评价，为后续进一步研究化学储氢材料的评价提供参考。指标与权重层次分析法，简称，可以将复杂的决策看作一个系统，分解成多个层次，通过专家打分的方法，对各层次的指标进行两两比较，最终定量计算出各指标所占权重。化学储氢材料评价指标根据美国能源部（）对储氢技术的要求以及相关专家的意见，建立层次结构图。最高层是决策的目标，定为化学储氢材料评价，也是本章的目标；其次是中间层的确定，即影响因素，分别从安全性、适用性、便捷性以及经济性四个方面对中间层进行描述。国内外文献关于储氢材料面临的安全问题可归纳为两大类：泄露风险以及副反应。泄露风险评级是对氢气在运输储存过程中储氢材料是否容易自发发生放氢反应释放氢气的评价，若氢气在储运过程中发生泄露，将会导致可燃烧云的产生，从而出现爆炸，威胁工作人员的人身安全；副反应评级是对化学储氢材料在发生吸放氢反应时是否容易发生其他化学反应的评价，若在化学储氢材料发生化学反应过程中发生副反应，将导致放氢时氢气纯度不高，并且影响催化剂的性能以及反应的速率和效率。化学储氢材料适用性可用应用场景、研究进展、质量储氢密度、体积储氢密度四个指标进行描述。应用场景评级是对此种储氢材料目前在交通、航天、建筑等领域应用广泛程度的评价，若某种材料应用场景越多，表明其发展潜力越大，适用性越好。研究进展评级是对此储氢材料研究相关文献、项目的热度以及研究的方向前景的评价，若研究某种储氢材料的学者越多，文献越多，热度越高，其适用性也越好。质量储氢密度以及体积储氢密度是评价一种储氢材料的重要指标，表示单位质量以及单位体积的储氢材料可以储存的氢气的量，是美国能源局用于判断能否成为车载储氢材料的主要指标，其中对固体储氢材料而言，其储氢密度一般用质量储氢密度表示，在评级时，其体积储氢密度评级视作与质量储氢密度评级一致，若某种储氢材料质量或体积储氢密度越高，表示储氢材料的储氢效率越高，其适用性也越好。影响化学储氢材料使用时的便捷性因素主要为：反应温度、反应能耗、催化剂。反应温度是指化学储氢材料在发生加氢反应以及脱氢反应时的温度，若某种材料的反应温度越高，其使用条件就受到限制，也表明其便捷性越差。反应能耗是指化学反应进行时所需要消耗的能量，通常是指化学反应表现的活化能，若某化学储氢材料的反应能耗越高，表明其反应进行的条件越苛刻，其便捷性也越差。催化剂评级是对化学储氢材料在吸氢反应以及放氢反应时使用的催化剂的评价，包括对目前所研究的催化剂的种类、催化剂的成本以及其提高化学反应速率、降低反应温度和反应能耗能力的评价。若某种化学储氢材料催化剂种类越多，成本越低，可以大幅度降低化学反应的温度、能耗，并且可以提高化学反应的速率，其便捷性也越好。影响化学储氢材料经济性的三个方面为：制造成本、运输成本、使用成本。制造成本的评级是指对化学储氢材料的制造原料成本、工艺成本以及市面售价进行的综合评估，若某种材料的制造成本越高，其经济性就越差。运输成本评级是对化学储氢材料从加氢场所运输到放氢场所产生的成本的评价，一般来说，液态以及固态储氢技术的运输成本低于气态储氢技术，若某种材料的运输新能源与储能 年，第 期 I3 成本越高，其经济性就越差。使用成本的评级是指对化学储氢材料在放氢过程的工艺、装置的成本的评价，若某种材料的使用越高，其经济性就越差。化学储氢评价模型将最高层、中间层、底层三层指标输入 软件，完成了模型的建立，结果如图 所示。图 化学储氢材料评价模型 各指标权重确定使用一致矩阵法，采用相对标尺将确定好的指标进行两两比较，将各指标重要程度进行量化，提高结果的准确性。其中 给出的标度赋值如表 所示。表 标度赋值表量化值因素 比因素 绝对重要 有优势十分重要 有优势比较重要 有优势稍微重要 有优势同样重要稍微次要 不具优势比较次要 不具优势十分次要 不具优势绝对次要 不具优势，两相邻判断的中间值，两相邻判断的中间值收集多个专家问卷结果对判断矩阵的一致性进行检验。一致性指标用 表示，其表达式为：（）（）（）式中：为正互反阵的最大特征根；为致阵的唯一非零特征根。随机一致性指标用 表示，标准值与判断矩阵阶数对应关系如表 所示，其表达式为：（）表 标准值矩阵阶数 检验系数用 表示，其表达式为：（）通常来说，则认为该判断矩阵通过了一致性检测。经过计算，以上判断矩阵的检验系数 分别为 ；，检验系数均 ，通过了一致性检验，认为此专家数据符合逻辑性，可以采用。使用 软件，采用各专家排序向量加权计算平均的专家数据集结方法，计算得中间层要素权重如表 所示，底层要素权重如表 所示。表 中间层要素权重序号评测指标权重安全性 适用性 便捷性 经济性 新能源与储能 I4 表 底层要素权重序号评测指标权重泄露风险 副反应 质量储氢密度 体积储氢密度 研究进展 应用场景 反应能耗 反应温度 催化剂 运输成本 制造成本 使用成本 由表 和表 可知，个中间层指标中，安全性所占权重为 ，占比最高，便捷性所占权重为 ，占比最小。在 个底层指标中，泄露风险所占权重最大，为 ，反应温度所占权重最小，为 。典型的化学储氢材料评价根据所生成化合物状态的不同，化学储氢主要分为有机液态储氢和固态储氢。选择目前研究最热门的两种有机液态储氢材料 环己烷、乙基咔唑，两种固态储氢材料 合金、铝氢化钠，共 种材料为评价对象，使用模糊综合评价法对储氢材料进行评价，可以将化学储氢材料的定性评价转化为定量评价，首先建立评价等级领域如表 所示。表 评价域等级评价等级值优秀良好一般较差 环己烷环己烷是一种常用的烷烃类有机液体储氢材料，分子式是。作为一种化学储氢材料，环己烷常温下为液态，氢气以原子的形式固定于其中，由于其脱氢温度为 ，温度较高，所以在运输过程中不易泄露，相比高压储氢而言，爆炸风险较小，泄露风险指标评级为优秀。然而，环己烷在多次循环易发生副反应产生副产物，对释放氢气的纯度产生影响，并且，副反应产生的焦油等会影响催化剂的活性，降低反应效率，副反应指标评级为较差。美国能源部（）对车载储氢技术提出了新标准，公布储氢材料质量储氢密度为 ，体积储氢密度为 。环己烷的质量储氢密度的为，体积储氢密度为 ，评级均为优秀。相比于其他有机液体储氢材料而言，应用较为广泛，相比于高压储氢材料而言，环己烷应用较少，常被用于氢动力车，应用场景指标评价为一般。目前，有关环己烷的研究主要集中于催化剂的研究，有大量文献对其进行了描述，研究进展指标评价为良好。环己烷的脱氢温度为 ，温度较高，反应温度指标评价为一般。其中，反应脱氢热量等于净燃烧热的，反应能耗指标为一般。用于环己烷储氢脱氢反应的催化剂有（研究最多）、（质量分数）、等，但由于 作为一种贵金属，价格较高，催化剂指标评级为良好。环己烷制造价格低廉、市面售价为 元，制造成本指标评级为优秀。以环己烷作为储氢材料的反应器有固定床反应器、脉冲喷射反应器、膜催化反应器等，使用成本评级为良好。环己烷在常温状态下为液态，便于储存与运输，运输成本评级为优秀。乙基咔唑乙基咔唑是通过在环状烯烃中引入杂原子 而获得的一种化学储氢材料，是一种杂环芳香族有机液体储氢材料，它的分子式是。乙基咔唑在常温下为液态，同其他化学储氢材料一样，不易泄露爆炸，泄露风险指标评级为优秀。乙基咔唑反应温度是，在温度超过时，易发生 烷基键断裂的副反应，导致储氢能力下降，副反应指标评级为良好。根据各能源机构对质量及体积储氢密度的要求，乙基咔唑的质量储氢密度为 ，指标评级为良好；体积储氢密度为 ，评级为优秀。作为一种有机液态储氢材料，此种储氢材料可用于车载储氢、船舶、无人机等，应用场景评级为一般。目前，对于乙基咔唑研究多集中于与其他材料的混合以降低熔点，还有对提高反应速率的催化剂新能源与储能 年，第 期 I5 的研究，研究进展指标评价为良好。乙基咔唑的反应温度为 ，反应温度评级为良好。乙基咔唑的脱氢能耗相比于环己烷而言较低，在 催化剂催化下，其脱氢表观活化能为 ，反应能耗评级为良好。促进乙基咔唑放氢的催化剂有 基、基、等，其中 是一种良好的催化剂，可使脱氢转化率达，但稀有金属作为催化剂价格昂贵，催化剂评级为良好。乙基咔唑可从石油中获取，售价为 元，价格相对较高，制造成本评级为良好。乙基咔唑是 乙基咔唑加氢后的产物，其熔点是，常温下为固态，乙基咔唑常温下为液态，运输较为便捷，运输成本评级为一般；乙基咔唑的吸放氢反应可以在高压反应釜中进行，其中高压反应釜价格较高，使用成本评级为一般。合金镁基合金是指 和、等元素按一定比例形成合金的固体储氢材料，常见的镁基储氢材料有 系合金。合金储氢时氢以原子形式存在，放氢时需发生化学反应，反应过程受温度等环境因素的限制，因此在运输过程中不易泄露，泄露风险评级为优秀；目前未有研究表明 合金在吸放氢反应中易发生副反应，指标评级为优秀。镁的质量储氢密度达 ，然而 与 加氢反应形成的化合物性质稳定，导致脱氢条件苛刻，脱氢反应速率慢，将 与 熔炼形成，其质量储氢密度为 ，指标评级为一般；根据其质量储氢密度，体积储氢密度指标评级也为一般；近年来，对 合金研究的文献较多，集中于对掺杂第三种元素以降低放氢温度、提高反应速率的研究，研究进展指标评级为良好；合金在车载储氢以及电解水制氢中有广阔的应用前景，应用场景指标评级为一般。合金的加氢温度为 ，脱氢反应温度为，反应温