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化学家找到了更好的方法将天然气装入油箱

发布时间:2019-04-23 09:21 来源:未知 编辑:admin

  一种新的创新方式来储存甲烷可以加速天然气动力汽车的开发,这些汽车不需要当今压缩或液化天然气汽车的高压或低温。

  天然气比汽油更清洁燃烧,如今在美国的道路上有超过150,000辆压缩天然气(CNG)车辆,其中大多数是卡车和公共汽车。但是,直到制造商能够找到一种方法在较低的压力和温度下将更多的甲烷装入油箱,从而允许更大的行驶里程和更少的泵麻烦,乘用车不太可能采用天然气作为燃料。

  加州大学伯克利分校的化学家们现在开发了一种多孔和柔性材料 - 一种所谓的金属有机骨架(MOF) - 用于储存甲烷以解决这些问题。当甲烷被提取以运行发动机时,柔性MOF会坍塌,但是当甲烷仅在中等压力下泵入时,在由家用压缩机产生的范围内时会膨胀。

  “你可能会在家里填满,”领导该项目的加州大学伯克利分校化学教授杰弗里朗说。

  灵活的MOF可装载甲烷,天然气的主要成分,大气压力为35至65倍(500-900 psi),而压缩天然气(CNG)车辆将天然气压缩到250大气压下的空罐中(3,600) PSI)。

  液化天然气(LNG)车辆在较低压力下运行,但需要在油箱系统中进行大量隔热,以将天然气保持在零下162摄氏度(零下260华氏度),以使其保持液态。

  Long表示,下一代天然气汽车将需要一种能够将甲烷结合并将其密集地装入燃料箱的材料,从而提供更大的行驶里程。其中一个主要问题是找到一种在相对较低的压力下吸附甲烷的材料,例如35个大气压,但是在发动机可以工作的压力下,在5到6个大气压的范围内,它可以全部吸收。MOF具有大量的内表面积以吸附气体并以高密度储存,是吸附天然气(ANG)储存最有前途的材料之一。

  “这在容量和热管理方面都是一个很大的进步,”朗说。“通过这些新型灵活的MOF,您可以获得超出刚性MOF所能达到的容量。”

  Long说,灵活MOF的其他优点之一是它们不像其他甲烷吸收器那样升温,因此所需燃料的冷却较少。

  “如果你填充一个带有吸附剂的罐子,比如活性炭,当甲烷结合时会释放热量,”他说。“使用我们的材料,一些热量会改变材料的结构,因此散热的热量更少,管理的热量更少。您不必拥有与灌装水箱相关的冷却技术。”

  灵活的MOF材料甚至可以放置在一个类似气球的袋子里,随着甲烷被泵入,该袋子可以伸展以容纳膨胀的MOF,这样放出的一些热量就会拉伸袋子。

  Long和他在国家标准与技术研究所和欧洲的同事将于10月26日在Nature杂志上发表他们的研究结果。

  来自油井的天然气是当今最便宜和最清洁的化石燃料之一,广泛用于家庭供暖以及制造和发电。然而,由于昂贵且大型的机载压缩燃料箱,它在运输部门尚未被广泛采用。此外,即使压缩到3,600 psi,汽油也能够将每体积能量密度的三倍以上作为天然气,这使得天然气汽车每次填充的行驶里程更短。

  为了推进车载天然气储存,福特汽车公司与加州大学伯克利分校合作开展此项目,资金来自美国能源部的高级研究计划局 - 能源(ARPA-E)。自2009年以来,福特一直是CNG /丙烷制备车辆的领导者,在美国销售超过57,000辆,超过美国其他主要汽车制造商的总和。

  根据福特在密歇根州迪尔伯恩的研究和先进工程组的Mike Veenstra的说法,福特认识到ANG有可能降低车载油箱,站压缩机和燃料的成本,同时还可以增加天然气动力车的续航里程在有限的货物空间内。

  “在相同条件下,多孔材料中的天然气储存提供了能够在低压下储存大量天然气的关键优势,而压缩气体,”该ARPA-E项目的首席研究员Veenstra说。“低压的优点是它在车上和车站外提供的好处。此外,低压应用有助于新概念,例如壁厚减小的坦克以及有助于减少在高压下达到压缩CNG的等效容积的需要。“

  Long长期以来一直在探索MOF作为气体吸附器十年,希望利用它们捕获发电厂排放的二氧化碳或在氢燃料汽车中储存氢气,或催化工业用气体反应。然而,去年加州大学伯克利分校的Berend Smit的一项研究发现,刚性MOF的储存甲烷的能力有限。Long和研究生以及第一作者Jarad Mason转而采用灵活的MOF,并指出当甲烷被泵入和抽出时它们表现得更好。

  他们测试的柔性MOF基于分散在整个结构中的钴和铁原子,具有苯二甲酸酯(bdp)的连接。钴(bdp)和铁(bdp)在膨胀时都是高度多孔的,但在塌陷时基本上没有收缩。

  他们对这些化合物的首次实验已经超过了刚性MOF的理论极限。这是一个基本的发现,现在需要大量的工程来找出如何最好地利用这些新的吸附剂特性。“

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