储氢材料的研究与应用.pdf

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1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/在非陶瓷材料中是超导临界温度最高的材料。此外,美国哈佛大学的一个科研 小组也报告说,掺杂艳的。碳分子在呈现超导性。故。显然,发现后,对 它 的研 究又波及到天文物理学领域。参 考文 献试。研究领域在扩大现在,天 文物理学家也对。发生浓厚兴趣,认为在星际空间可能寻找到以离子形式存在的。,年月,呵的科一学 家蛋和的埃姆斯研究 中心提出研究 报告 说,他们还没有从和陨星提取的样品中发现有。,认为可能是碳分子 在形成。之前就在空

2、间与氢发生了反应的 缘仁,一,一时,一 七,吕,吕,盯。刀,加台,责 任编辑青永斌储氢 材 料的研究与应用教鸣王启东浙江大学摘要叙述了储氮金属材料的研究发展状况以及储氮材朴在储存和 运输 氮气、分离和 净化氮 气、空调制冷、制作热传感器和二次电池等方面的应用。主口饲储氢材料研究应用飞年荷兰公司研究人员在研究磁性材料时,偶然发现金属间化合物址改。能在室温大量吸放氢 气,这 引起乙了遥全球学术界极大的兴趣。于是,储氢金属材料很快就被认定为一种多功能的功 能材料并得到迅速而广泛的研究 与发展,获得了 许多有应用价值的成果。有人认为一个新的工程学的分枝金属氢化物工程正在形成。储氢材料多为金属 间化合物

3、,发展初期研究较多的是。、和三大矛类型。其后,为降低合金的价格或为适应不同应用的要求,常以树富翎混合稀 土、富饰混合稀土替 代,以、等合金元素取代部分、或以取代等,制成具有不 同功能特性的储氢材料。储氢材料在一定压力和温度下可以吸收大量氢气王一创扭,形成金属氮化物。当压力降低或温度升高时,金属氢化物便分解,放出所吸收的氢气,氢 化物 自身则还原为储氢金属。该过程可以很迅速地反复循环。储氢材料具有下列特点储氢 密度大,不吸收储存其他气体,因而放出的氢气纯度极高,可用以进行氢气的净化与提纯,放氢压力可通过 改变温度加以调 节吸放氢过程伴有较大的热效应、体积膨胀效应及电化学效应,而且均可加以利用。这

4、些特殊的物理化洲益 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/学性能使得储氢材料在氢气的“固态化”储存运 输、氢气的净化、氢气的 压缩、金属 氢 化物空调制冷与热泵、温度传感、真空制 备、氢化物一镍电池等方面 有着诱人的应用前景。氢气的“固态化”储存与运输氢气是一种易燃易爆易拽漏的气体。年代“新登堡”号充氢飞艇爆炸的惨 剧,至今使 人们对 氢气的使 用存有恐 俱感。然而,氢气却又是航天燃料和 重要的工 业原料。使用液氢槽车贮罐和高压氢气瓶运输 或存储氢,不 仅昂贵

5、,安全措施要求甚 高,而且由于蒸发和拽漏不 宜长期储存。用储氢材料作介质,使氢气与储氢合金 化合成 固态金属氢 化物 来储存运 输氢气,则可解决长期储存和安全运输的问题。用合金储存氢气,其体积含氢量为刁,已超过液氢体积含氢量刁浏。储存相 同体,积的氢 气,用。储 氢材料容器比使用钢瓶时 轻帕,体积仅为后 者的,且 容器内 压 力 仅为。,无蒸发损耗和浅漏。曾试用步枪子弹 击穿储氢合金容器,只瞬时有火苗 出现,并不发生起火爆炸,十分安全。目前,德国公司专门生产各种 系列规格的氢储存器。日本早 稻田大学与日本化学 工程公司研制成填装一一一一合 金储氢量为冬的储 氢 容 器。浙江大学研制的储氢量为功

6、吕的 金 属 氢化物集装箱,装合金,在相距冰的氢源厂和 用氢厂 之间进行了工业性储运 试验,安全可靠,深受欢迎。肠的氢气加以吸收、净化、储存并运送到浮法玻璃广使用,可取代 电解 水制氢系统,节电肠,氢气回收率达呱,取得 良好工业应用效果。储氢材料也可用于氢氦分 离,把某 些化工行业氢气中所含的氦气加以分 离回收,叮获得较大的经济收益。利用氢、氖、氮与储氢合金发生反应时压力上的差异 同位素效应,可将它们逐步加以分 离。如美国西屋电气公司 用瓦,。合金对氢与氛进行了分 离,川国家实验室用合金成功地 进行了氢同位素的分 离。我国有关 部门也正在进行这方面的研究。国外还有人提出可用储氢合金的 同位 素

7、效应通过两次压缩与吸氢,可将电解水制得的氢气中氖浓 度 由风提 高到,经四次压缩一吸氢后所 获氖 浓度 可 达肠,同时也获得了大量高纯氢气。氖与氧燃烧就可获得廉价的高纯度重 水。这可显著 降低制取氖的成本。氢气的超纯净化氢气的分离利用储氢材料选择性吸收氢气 这一特性,可以从各种含氢混合气体中把氢分 离出来。如浙江大学材料系在 最近通过专家镌定的国家“七五”攻关项目中,使 用储氢 合金把合成氨厂放空尾 气 中 所 含 萄一纯度为肠的工业氢气通入储氢合金容器后,绝大部分氢被吸收并进入合金的晶体点阵空隙之中,但杂质气体却不被吸收而富集于材料的周围。若用氢气流先将浓缩的杂质气体带出,再进行吹洗过程,即

8、升高温度使纯氢从金属氢化物 点阵空隙中逸出,并逐渐带走 容器空间内残留的杂质气体,当吹洗掉肠的氢之后,容器 出口的 氢 纯 度就可达到。肠。这便是储氢材料 的超纯净化功能。兼有储存和净化双重功能的储氢器与现行的氢气钢瓶一把膜氢净化器体系犷相比,具有价格低、体积小、容量大、操 作简便,不易损坏等优点,适用于电子、化工、冶金、气 象等一切需要高纯氢的部门。美国、德国、日本都研制成 了金属氢化物净化装置。材杆导报 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/国内浙大、上海

9、冶金研究所、北京有色金属研究总院等 部门也都研制过多种类型的氢储存净化器。这类氢储存净化器 采用。、等储氢 合金,其 容量不 等,在之间,已在电子、化学 分析 部门小规模地应用。减,获得了很好的效果。热传感器氢气的压缩储氢合 金的吸放氢压力随温度的升高成对 数关系升高。在常温下吸入较低压力的普通氢气,在较高温度下 则可释放出高压高纯度氢 气。根据这一原理,可制成兼有净化与压缩双重功能的无运 动件高压高纯氢 压 缩器。浙江大学已开发成功几种型 号的氢压缩器。在时,吸入压力为。的 工业氢气 纯度为”肠,通入的热水后,放出氢气压 力 可 达,纯度可达呱,即可 由低压工业氢气一步转化成高压高纯度氢气。

10、该设备兼有净化与压缩双重功能,已转让给国内五家工厂,效益都很好。每种储氢合金都有其恒定 的温度一压力关系,温度的变化可以通过与其成对数关系的氢化物压力的变 化而得以检测。这种热压传感器敏感度高,探头容积很小,可用较长导管而不影响测量精度,亦无重力效应,已在一些国外飞机上采用。真空技术在制备真空时,将一定量完全氢化的高温储氢材料放置于容器内加热,使之放出氢气,容器内的空气也随氢排出容器。到一定真空度后,封闭容器,冷却后储氢材料将容器中残留的氢吸回,即可形成较高的真空度。这样可较大地缩短抽气时 间。上述两项应用,国内皆尚未开展研究。氢化物一镍电池空调制冷与热泵储氢材料吸氢时放出大量热量,放氢时则吸

11、 收等量的热量。将两种吸氢压力不同的储氢合金分别置 于低 温侧 冷源和 高 温 侧热源,以氢气为工 质,进行吸放氢循 环,可制成空调机 或热泵。用太阳能或工业废热作高温热源,不 用 电力即可在夏季降温,而在冬季加热。日本制 钢所用坛一两一合金制成一 台制冷 量为“刀的中央空讽装置,用于矿泉疗养区,用温泉的热水作热源,可供间客房,人使用。浙大用。一。合金对,研制成 制 冷 量为的空调机,已通过“”专家组的验收。日本千代田化工建 设公司开发的大型热泵系统功率达 到刀,日本制钢所 研制的吹热泵运 转了数年,回收热量未用储氢材料作负极、镍作正极,以为电解质可制成新型高容量二次电池可 充电电池。充电时,

12、负极上不断析出氢气并被储氢 电极材料所吸收,生成金属氢化物。放电时,氢化物释放的氢又在同一电极上进行阳极氧化。氢化物一镍 电池电能 量 密度可 达拓一坷,是传统镐一镍 电池的倍。用储氢合金代替镐,不仅电池成本低,而且还消除了锡对环境的污染与对工人的毒害。美国仍公司采用一系多元合 金作储氢 电极材料,电池容量为功五,其 号 电池年生产能力已达 的万只。日本松下公司。作储氢 电 极,电池容量为州。三洋公司 号 氢 化物一镍 电池年产量达万只。浙大用翻。作负极研制成容量 为韶血人习王公,、冲 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing

13、 House.All rights reserved.http:/的小钮扣 电池和容量为的 号电 池。南开大学也研制 成以作 负极的号电池。二次电池目前广泛 用于通讯 设备、音象设 备、空间飞行器、电动车辆、备用 电源及各种日用 电器中,市场需求量很大。氢 化物一镍电池已进入产业化阶段,即将全面 取 代现今市场上的锡一镍电池。色被认为是金属氢化物应用中最巨大、最有经济 价值的突破。美、日、中的技术竞争已趋 向炽化程度。虽然我国在储氢金属材料及金属氢 化物工程方面的起步较先进国家约迟年,但由于国内科研人员的虚心好学,不 懈探索和艰苦开拓,近 年来已取得较大的进展,能根据各种需要设计与制造储氢材料

14、,一些应用也已进入 工业化推广阶段,它 即将在建立新兴的高技术产业和老企业的技术改造中发挥应有的作用。责任编辑张汉民前苏联超导线材生产达到世界水平沈庆鉴中国驻前苏联大使馆科技处年月日机电部上海电器科 学研究所 超导技术研究室专家组参观访问了位于莫斯科市南郊捷尔任斯基卫星城的苏联通用机械制造部“地 平线”试验 设计局下 属的选号基地。“地 平线”试验 设计局 及其下属的 基地 均系军工单位,过 去不对外开放,最近苏方强调要 重视军转民后才开始 接待外宾。该试验设计局实际上已转变为一个科研生 产联 合体,其所属的 号基地共有工作人员 约名,下设超导 材料、金相、粉末冶金、超导磁系统和等离子切割个

15、实验室及个机工冶金车间,每个实验室约有名工作人员。我专家组重点参观了超导材料试验室和机 工冶金车间,并同该局、基地和试验室、车间有关领导 进行了交谈和合作 探讨。该攀地能生产各种规格的超导线材该基地的 特点是已达到工业化生产的规模,设计年生产能 力为,但实际产量远低于此 数,它主要取决于 用户的订货情况既可从事常规产品的生产,也可根据用户提出的各种规格和要求,生产专用的超导线材。可以说,几乎西方国家各公司的产品种类,该基地都有巳生产的样品可展示。基体材料分铜、铝、铜镍等。也能生产有迫流冷却通道的带材能批量生产极细芯线直 径 达协,这在西方国家的公司也是不多见的。从后来苏方提供的现场实测样品数据表明,超导线的性能已达到西方国家主要公司的先进水平。常用的两类产品的主要规格和性 能 如下泥钦超导材料圆线或扁线主要优点是在超导 线的整个长度上几何参数和性能 高度稳定稳定用材料的质量高,电阻比二载流大。产品主要性能 如表 所示。材针导报