储存氢气的新技术

储存氢气的新技术


发布日期: 2016-10-24 更新日期: 2016-12-08 编辑:xuzhiping 浏览次数: 8093

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摘要: 氢气分子小,容易逃逸与泄漏,而且氢气易燃、易爆,因此氢的储存与运输技术直接关系到使用的方便与安全。 传统的气体储存方法是将气体加压或液化后装人钢瓶。由于氢气的密度小,即使将它加压到150个大气压,1个40升的钢瓶也只能存放氢气0.5千克。如果降温至零下240°...

氢气分子小,容易逃逸与泄漏,而且氢气易燃、易爆,因此氢的储存与运输技术直接关系到使用的方便与安全。

传统的气体储存方法是将气体加压或液化后装人钢瓶。由于氢气的密度小,即使将它加压到150个大气压,1个40升的钢瓶也只能存放氢气0.5千克。如果降温至零下240°C,再加压使它液化,同样40升的钢瓶可储存液氢2.8千克。但是液化氢气所耗去的能量,大约相当于这些氢燃烧所释放能量的四分之一至三分之一。

上述储氢方法不仅耗能大、成本高,而且安全性差,一个高压氢气钢瓶犹如一颗重磅炸弹。

20世纪60年代末,荷兰科学家首先发现,钛、铌、镁、锆、镧等金属具有吸附氢气的特性。后来又发现贵金属铂、铑、钯等也有很强吸附氢气的能力。它们吸附氢气以后就成为金属氢化物,使氢原子深藏于金属原子晶格的间隙里。而一旦稍稍加热或降低压力,氢气又会重新释放出来。

后来,科学家又发现一些合金材料同样具有“吸氢”作用,而且生产成本远比稀土金属和贵金属低。目前,具有吸氢功能的合金材料主要有以下三类:

第一类是钛的合金,如钛锰、钛铁合金,它们放氢的温度较低(钛锰合金的放氢温度为80°C),平衡氢压低,使用寿命长;

第二类是镁的合金,如镁镍合金,它质轻,放氢的温度较高(镁镍合金放氢的温度为300°C),储氢量大;

第三类是稀土合金,如镧镍合金,它吸、放氢的特性更加优异。

如将标准状态(0°C、1个大气压)下氢原子的相对密度设定为1,将氢气加压至150个大气压后储入钢瓶,则氢原子的相对密度为150;若降温至零下240°C,再加压使其液化,则液态氢的氢原子的相对密度约为778;而钛锰合金、铁钛合金以及镁镍合金等吸附氢气后的氢原子的相对密度分别可达到1037、1056和1148。这说明合金的储氢能力约是储氢钢瓶的7~8倍,因此人们形象地称这些合金为“储氢罐”。例如,日本近年开发的一种稀土合金(镧镍合金)储氢罐,平均每立方米可储氢103千克。

这种储氢罐技术不仅可以作为储运氢气之用,而且还可以用于空调、冷藏压缩机和热泵技术,以及氢的同位素分离等领域。例如,美国应用金属储氢技术建成了能够自动调节室温的太阳能温室。当白天有阳光照射时,储氢金属便吸收热量释放出氢气,降低气温;当夜晚来临时,由于室内温度下降,储氢金属又通过吸收氢释放出能量,使室温上升。这种调节温度的方法既可节约能源,又不会产生噪音和污染。

有些储氢金属(如钛铁合金),可用空气加热进行放氢,使温度下降至-20°C左右,因此可以利用它们制成无能耗的冰箱。还有一些储氢金属的放氢压力能随温度的升降而发生急剧的变化,因此可利用它们制成压缩机。例如金属钒吸收氢后(VH2),当温度由25°C上升至200°C时,它放出氢的压力就会由1.9个大气压猛增至870个大气压,因此可以用它制成理想的压缩机。日本已经成功地应用稀土金属制成实用的压缩机(工作压强为4~45个大气压),其基本原理仍源于“金属吸氢”。

储氢金属还可以用来纯化氢。例如,微电子行业、高纯度金属材料的冶炼等常常需要高纯度的氢气,而市售氢气中常常含有氮、氧、二氧化碳、一氧化碳、水蒸气和有机物等杂质,因此可以利用储氢金属来吸收氢气(不吸收其他气体)后再释放出来,即可制得纯度达到99.9999%以上的超纯氢。

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