储氢合金在储氢与输氢技术中的应用—热-机械能及其他技术

热-机械能技术

01 金属氢化物氢压缩机

传统往复式机械压缩机

①能耗高；

②有磨损、振动大、噪声高；

③由于润滑剂的污染和密封衬垫的泄露，很难用以制取高纯氢。

新型金属氢化物氢压缩机

①运转安静、无振动；

②无驱动部件，易维修；

③器件体积小、质量轻（机械压缩机的1/5）；

④释放氢的纯度高；

⑤可利用废热、耗电量少；

⑥多段压缩可产生高压。

唯一缺点：氢流量受合金吸收、释放氢的循环速度限制。

工作原理：

储氢材料在室温和较低压力下吸收氢气形成金属氢化物，饱和后提高金属氢化物的温度，则其平衡压力将相应提高，因此处于高温的氢化物可以释放相应高压的氢气。

氢平衡压力与温度的关系

氢压缩机对贮氢材料的要求：

①吸氢量大，可逆性好；

②动力学特征好，吸放氢速度快；

③压力平台平坦且范围宽，以便在合适的床温下得到足够的放氢压力和大的压缩氢量；

④滞后小，以保证有高的压缩比；

⑤压缩比高，以满足用低温热源获得高压氢；

⑥生成热大。

02 金属氢化物传感器

利用合金与氢反应的可逆性和氢化物的平衡氢压对温度的依存关系，可制取控制温度或膨胀的金属氢化物传感器。工作原理如右图所示。

金属氢化物传感器原理示意图

其他技术

01 氢分离、回收与净化

应用背景

化学工业、石油精制、冶金工业等均有大量含氢尾气排出，含氢量有些达到50%~60%，目前很多是排空或白燃烧处理。

集成电路、半导体器件、电子材料、光纤等生产中，需要超高纯氢气，目前多采用钯管或钯膜净化器，价格昂贵。

VS

利用贮氢材料选择性吸氢的特性，不但可以回收废气中的氢，还可使氢纯度达99.9999%以上，价格便宜、安全，有十分重要的社会效益和经济意义。

基本原理：

一是金属与氢反应生成金属氢化物，加热后放氢的可逆反应；

二是贮氢材料对氢原子有特殊的亲和力，对氢有选择性吸收作用，而对其他气体杂质则有排斥作用。

生产实例：

如果气态氢时工业普气，通常含O2、Ar、N2、CH4和H2O等杂质。氢化反应时氢被贮氢材料吸收而杂质气体除极少数吸附于氢化物颗粒表面外，绝大多数将浓缩于容器的死空间。将浓缩杂质的氢气排出。然后再加热氢化物层，就可得到高纯氢。

净化装置要求：

①良好的热交换条件；

②系统耐压和真空密封；

③系统的洁净处理；

④防止粉末外溢的过滤措施；

⑤高效吹吸浓缩杂质的结构等。

吸氢合金制取高纯氢的优点：

①缩小贮氢空间和占地面积；

②安全性好；

③制氢效率高；

④氢的释放为吸热反应，故吸氢合金对泄露有自我保护机能；

⑤精制后的氢纯度高。

利用吸氢合金制取高纯氢的精制系统

双筒体贮氢材料氢净化装置

多机组分段循环式氢分离装置

净化用贮氢合金要求：

贮氢量大、易活化、反应迅速、耐毒化、抗粉化、成本低。

目前常用合金：

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

氢化物净化的应用：

①从合成氨厂的含氢气中回收氢；

②利用吸氢合金提高发电机内氢纯度；

③利用贮氢合金精制氢。

02 金属氢化物氢同位素分离

应用意义：

核工业中常大量应用重水作原子裂变反应堆的冷却剂和中子减速剂，氚是核聚变反应的主要核燃料。由于氚具有放射性，回收氚对环境保护具有重要意义。

分离原理：

金属或合金吸氕、氘、氚的平衡压力和吸附量上存在差异；在合金中的扩散速度以及吸收速度方面也存在差异，前者称为热力学同位素效应，后者称为动力学同位素效应。我们可以利用这些差异分离氢（H2）与氘（D2）和氚（T）。

应用实例：

右图所示为H2和D2对钒（V）的分解压力-组成等温线。从图中可以看出VH0.9的离解压比VD0.9高约3倍。将含有D2的H2在1MPa下通入装有贮氢材料V的容器内，H2和D2同时被吸收到V里。然后将压力降到0.2~0.3MPa，被捕集的H2首先释放，D2被浓缩在V里。

VH0.9和VD0.9系40℃时的p-c-T曲线

03 金属氢化物作催化剂

基本原理：

贮氢合金等迅速吸收大量的氢，且反应是可逆的。反应时由于氢时分解后被吸收的，氢是以单元子存在于表面的，说明这些金属间化合物的表面具有相当大的活性。

贮氢材料作为催化剂的应用：

①烯烃、有机化合物的氢化反应；②一氧化碳、二氧化碳的氢化反应；③氨合成；④乙醇、炭化氢的脱氢反应；⑤氢化分解反应；⑥结构异性化反应等。

04 其他应用

贮氢合金贮能发电；

利用贮氢合金变风能为热能；

利用贮氢合金的真空绝热管。