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贮氢材料

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2017-09-05

 

贮氢材料

 

人们很早就发现,稀土金属与氢气反应生成稀土氢化物REH2,这种氢化物加热到1000℃以上才会分解。而在稀土金属中加入某些第二种金属形成合金后,在较低温度下也可吸放氢气,通常将这种合金称为贮氢合金。在已开发的一系列贮氢材料中,稀土系贮氢材料性能最佳,应用也最为广泛。其应用领域已扩大到能源、化工、电子、宇航、军事及民用各个方面。用于化学蓄热和化学热泵的稀土贮氢合金可以将工厂的废热等低质热能回收、升温,从而开辟出了人类有效利用各种能源的新途径。利用稀土贮氢材料释放氢气时产生的压力,可以用作热驱动的动力,采用稀土贮氢合金可以实现体积小、重量轻、输出功率大,可用于制动器升降装置和温度传感器。

石油和煤炭是人类两大主要能源燃料,但由于它们储量有限,使用过程中产生环境污染等问题,因此解决能源短缺和环境污染成为当今研究的重点之一。氢是一种完全无污染的理想能源材料,具有单位质量热量高于汽油两倍以上的高能量密度,可从水中提取。氢能源开发应用的关键在于能否经济地生产和高密度安全制取和贮运氢。

 

 典型的贮氢合金LaNi5是1969年荷兰菲利浦公司发现的,从而引发了人们对稀土系储氢材料的研究。

稀土系贮氢合金可以贮存大量的氢气。与以往的高压瓶相比,装有贮氢合金容器的重量基本相同,但体积可缩小到1/4,并可在低压力下贮存,而且除非外部加热,否则不会放出氢气。因此,用贮氢合金贮存氢安全可靠。

贮氢合金吸放氢气的反应热很大,因而可用于化学蓄热和化学热泵。能够通过在两种物性不同的贮氢合金之间互相交换氢气的办法吸收或放出其反应热的装置叫做金属氢化物热泵。通过调节混合稀土金属中各稀土元素的比例,设计出各种合金以适应多种用途。金属氢化物热泵是无需燃料燃烧就可以致热的装置,也是不使用环境污染的制冷剂就可以制冷的装置,与其它使用机械动力的热泵不同,不仅费用便宜,又无噪音和振动。

贮氢合金生成氢化物后,氢达到一定平衡压,在温度升高时,合金压力也随之升高。根据这一原理,只要将一小型贮氢器上的压力表盘改为温度指示盘,经校正后即可制成温度指示器。这种温度计体积小,不怕震动,温度测量准确,广泛应用于飞机。这种温度传感器还可改制成火警报警器,利用金属氢化物吸放氢时的压力效应,如某些金属氢化物吸氢后在100℃时即可获得6~13MPA的压力,除可制成无传动部件的氢压缩机外,还可作机器人动力系统的激发器、控制器和动力源。

一般来说,贮氢合金是由可吸氢的金属A(Mg、 Ca、Ti、Zr、Hf、V、Nb及La等稀土元素)和不吸氢的金属B(Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ni、Cu、Zn、Al)组成,合金的性能与A和B的组合关系有关,主要用于制作镍氢电池的负极,它以易活化、平台平坦、滞后小、抗中毒性好等优点而被认为是最理想的镍氢电池负极材料,为降低成本,多用混合稀土金属或富镧混合稀土取代金属镧,虽然电容量有所下降,但材料成本可大幅降低,在已形成产业化的日本镍氢电池生产厂家中,只有一家用钛系贮氢合金,其他厂家都采用稀土系贮氢合金做负极材料。

用作电池用的贮氢材料还有以下要求:

 电化学容量高,循环工作寿命长;

 对电解液有良好的耐蚀性,对过充电时正极产生的氧要有良好的耐氧化性;

 电催化活性高,反应阻力(氢过电压)小,氢扩散速率大,电极反应可逆性好;

 在电池工作温度范围(-20~+60)内有合适的氢平衡分解压。

由于稀土镍系合金能满足上述要求,因此除日本外,美国的奥芬尼克、荷兰的菲利浦等公司都在大力开发稀土镍氢电池。我国稀土贮氢电池也已进入产业化阶段。目前虽然稀土镍氢电池在有些领域已进入实用化阶段,但仍然存在容量衰减快,自放电和价格高、应用范围小等问题,还有待于进一步的开发研究。

 

 以氧化镍为正极,贮氢合金氢化物为负极的镍金属氢化物电池(Ni-MH)是在氢能源的研究开发基础上发展起来的一种高比容量、无污染的化学电源,是当今世界各国关注的一个热点。Ni-MH电池的技术核心之一是贮氢电极材料。

 

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