儲氫合金在儲氫與輸氫技術(shù)中的應用—熱-機械能及其他技術(shù)

熱-機械能技術(shù)

01 金屬氫化物氫壓縮機

傳統(tǒng)往復式機械壓縮機

①能耗高；

②有磨損、振動大、噪聲高；

③由于潤滑劑的污染和密封襯墊的泄露，很難用以制取高純氫。

新型金屬氫化物氫壓縮機

①運轉(zhuǎn)安靜、無振動；

②無驅(qū)動部件，易維修；

③器件體積小、質(zhì)量輕（機械壓縮機的1/5）；

④釋放氫的純度高；

⑤可利用廢熱、耗電量少；

⑥多段壓縮可產(chǎn)生高壓。

唯一缺點：氫流量受合金吸收、釋放氫的循環(huán)速度限制。

工作原理：

儲氫材料在室溫和較低壓力下吸收氫氣形成金屬氫化物，飽和后提高金屬氫化物的溫度，則其平衡壓力將相應提高，因此處于高溫的氫化物可以釋放相應高壓的氫氣。

氫平衡壓力與溫度的關(guān)系

氫壓縮機對貯氫材料的要求：

①吸氫量大，可逆性好；

②動力學特征好，吸放氫速度快；

③壓力平臺平坦且范圍寬，以便在合適的床溫下得到足夠的放氫壓力和大的壓縮氫量；

④滯后小，以保證有高的壓縮比；

⑤壓縮比高，以滿足用低溫熱源獲得高壓氫；

⑥生成熱大。

02 金屬氫化物傳感器

利用合金與氫反應的可逆性和氫化物的平衡氫壓對溫度的依存關(guān)系，可制取控制溫度或膨脹的金屬氫化物傳感器。工作原理如右圖所示。

金屬氫化物傳感器原理示意圖

其他技術(shù)

01 氫分離、回收與凈化

應用背景

化學工業(yè)、石油精制、冶金工業(yè)等均有大量含氫尾氣排出，含氫量有些達到50%~60%，目前很多是排空或白燃燒處理。

集成電路、半導體器件、電子材料、光纖等生產(chǎn)中，需要超高純氫氣，目前多采用鈀管或鈀膜凈化器，價格昂貴。

VS

利用貯氫材料選擇性吸氫的特性，不但可以回收廢氣中的氫，還可使氫純度達99.9999%以上，價格便宜、安全，有十分重要的社會效益和經(jīng)濟意義。

基本原理：

一是金屬與氫反應生成金屬氫化物，加熱后放氫的可逆反應；

二是貯氫材料對氫原子有特殊的親和力，對氫有選擇性吸收作用，而對其他氣體雜質(zhì)則有排斥作用。

生產(chǎn)實例：

如果氣態(tài)氫時工業(yè)普氣，通常含O2、Ar、N2、CH4和H2O等雜質(zhì)。氫化反應時氫被貯氫材料吸收而雜質(zhì)氣體除極少數(shù)吸附于氫化物顆粒表面外，絕大多數(shù)將濃縮于容器的死空間。將濃縮雜質(zhì)的氫氣排出。然后再加熱氫化物層，就可得到高純氫。

凈化裝置要求：

①良好的熱交換條件；

②系統(tǒng)耐壓和真空密封；

③系統(tǒng)的潔凈處理；

④防止粉末外溢的過濾措施；

⑤高效吹吸濃縮雜質(zhì)的結(jié)構(gòu)等。

吸氫合金制取高純氫的優(yōu)點：

①縮小貯氫空間和占地面積；

②安全性好；

③制氫效率高；

④氫的釋放為吸熱反應，故吸氫合金對泄露有自我保護機能；

⑤精制后的氫純度高。

利用吸氫合金制取高純氫的精制系統(tǒng)

雙筒體貯氫材料氫凈化裝置

多機組分段循環(huán)式氫分離裝置

凈化用貯氫合金要求：

貯氫量大、易活化、反應迅速、耐毒化、抗粉化、成本低。

目前常用合金：

LaNi5、LaCu4Ni、MmNi4.5Al0.5、TiFe0.85Mm0.15等。

氫化物凈化的應用：

①從合成氨廠的含氫氣中回收氫；

②利用吸氫合金提高發(fā)電機內(nèi)氫純度；

③利用貯氫合金精制氫。

02 金屬氫化物氫同位素分離

應用意義：

核工業(yè)中常大量應用重水作原子裂變反應堆的冷卻劑和中子減速劑，氚是核聚變反應的主要核燃料。由于氚具有放射性，回收氚對環(huán)境保護具有重要意義。

分離原理：

金屬或合金吸氕、氘、氚的平衡壓力和吸附量上存在差異；在合金中的擴散速度以及吸收速度方面也存在差異，前者稱為熱力學同位素效應，后者稱為動力學同位素效應。我們可以利用這些差異分離氫（H2）與氘（D2）和氚（T）。

應用實例：

右圖所示為H2和D2對釩（V）的分解壓力-組成等溫線。從圖中可以看出VH0.9的離解壓比VD0.9高約3倍。將含有D2的H2在1MPa下通入裝有貯氫材料V的容器內(nèi)，H2和D2同時被吸收到V里。然后將壓力降到0.2~0.3MPa，被捕集的H2首先釋放，D2被濃縮在V里。

VH0.9和VD0.9系40℃時的p-c-T曲線

03 金屬氫化物作催化劑

基本原理：

貯氫合金等迅速吸收大量的氫，且反應是可逆的。反應時由于氫時分解后被吸收的，氫是以單元子存在于表面的，說明這些金屬間化合物的表面具有相當大的活性。

貯氫材料作為催化劑的應用：

①烯烴、有機化合物的氫化反應；②一氧化碳、二氧化碳的氫化反應；③氨合成；④乙醇、炭化氫的脫氫反應；⑤氫化分解反應；⑥結(jié)構(gòu)異性化反應等。

04 其他應用

貯氫合金貯能發(fā)電；

利用貯氫合金變風能為熱能；

利用貯氫合金的真空絕熱管。