金屬氫化物氫壓縮機(jī)用AB2型Ti-Mn基儲(chǔ)氫合金研究郭秀梅，王樹(shù)茂，劉曉鵬，李志念，呂芳，郝蕾，米菁，蔣利軍（北京有色金屬研究總院能源材料與技術(shù)研究所，北京100088）Zr-Mn-CrV-Fe系列氫壓縮材料，對(duì)于V-Fe、Mn/Cr比值和Zr含量對(duì)合金吸放氫平臺(tái)特性和熱力學(xué)性能的影響進(jìn)行了研究，優(yōu)化出具有優(yōu)異綜合儲(chǔ)氫性能的氫壓縮材料Mn.4Cr035V0.2Fe.。05合金。該合金具有較低的吸放氫平臺(tái)壓力、較小的壓力滯后和平坦的平臺(tái)特性，其放氫反應(yīng)的焓變也很大，是一種氫壓縮比很高的合金材料，可以在油浴熱源介質(zhì)的作用下實(shí)現(xiàn)非常高的氫氣增壓。

　　隨著以氫為燃料的燃料電池以及電動(dòng)汽車的迅，速發(fā)展，車載儲(chǔ)氫技術(shù)及氫能基礎(chǔ)設(shè)施的研究與建1設(shè)已引起各個(gè)國(guó)家的普遍關(guān)注，但是傳統(tǒng)的機(jī)械式〕氫壓縮機(jī)存在體積大、質(zhì)量重、電耗高、水耗多、能量效率低等缺點(diǎn)，已難于滿足高效車載儲(chǔ)氫技術(shù)的要求。開(kāi)發(fā)高壓輕質(zhì)新型儲(chǔ)氫壓力容器是現(xiàn)階段國(guó)際上解決高效車載儲(chǔ)氫的一個(gè)重要趨勢(shì)。金屬氫化物1在低溫時(shí)吸氫壓力低，高溫時(shí)放氫壓力高，可以利用金屬氫化物的這一特點(diǎn)對(duì)氫氣進(jìn)行增壓而替代機(jī)械式氫壓縮機(jī)，達(dá)到非常高的目標(biāo)氫壓，這種技術(shù)被稱為金屬氫化物氫壓縮技術(shù)。

　　金屬氫化物氫壓縮技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是氫壓縮材料的研制。對(duì)于氫壓縮機(jī)用金屬氫化物材料而言，一般要滿足下列要求：（1）大的儲(chǔ)氫容量；（2）平坦的平臺(tái)壓力；（3）小的壓力滯后；（4）大的氫化物生成熱，高的壓縮比；（5）良好的動(dòng)力學(xué)性能；（6）長(zhǎng)的循環(huán)壽命，良好的抗中毒和抗老化性能。為此，各國(guó)的科學(xué)家們進(jìn)行了廣泛的研究工作，以尋求具有優(yōu)異性能的金屬氫化物氫壓縮材料。常用的金屬氫化物氫壓縮材料分為AB511―61和AB26~9型兩種。對(duì)于整個(gè)的AB5型氫壓縮材料系統(tǒng)而言，其吸放氫平臺(tái)壓力較低，在溫和壓力下只能實(shí)現(xiàn)較低的氫氣增壓。而且AB5型氫壓縮材料在常溫下的吸氫量很少（1 %），這對(duì)于氫壓縮材料來(lái)說(shuō)是非常不利的。相比而言，AB2型Laves相氫壓縮合金的吸氫量較多（8wt%），吸放氫平臺(tái)壓力范圍也很寬，可以通過(guò)選擇不同的體系來(lái)實(shí)現(xiàn)很寬的氫氣增壓范圍。

　　量很多，但是其放氫率很低，一般需對(duì)其進(jìn)行多元合金化以提高其放氫量。本研究設(shè)計(jì)了Ti-Zi-Mn-Ci-V-Fe系列的儲(chǔ)氫合金，對(duì)其吸放氫平臺(tái)特性和熱力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)定，研究了不同組元對(duì)合金儲(chǔ)氫性能的影響，優(yōu)化出具有優(yōu)異性能的金屬氫化物氫壓縮材料。該合金材料可以在較低的原料氫壓的條件下，通過(guò)化學(xué)熱壓縮方式實(shí)現(xiàn)較高的氫氣增壓。

　　1.隨著合金中Zi含量的增加，合金室溫下吸放氫平臺(tái)壓力分別由412MPa和205MPa下降到205MPa和112MPa平臺(tái)變得更加平坦，平臺(tái)斜度系數(shù)Sf由0 81下降到0.76合金吸放氫過(guò)程中的壓力滯后程度也有所減小，壓力滯后系數(shù)Hf由0 68下降到0.47，合金的吸氫容量隨著Zi含量的增多而增大至H/fu=306.Zi原子的半徑（216A）比Ti原子（20A）略大，Zi原子的加入使合金的晶胞體積增大，從而使合金中可被氫原子占3合金放氫熱力學(xué)性能根據(jù)合金在不同溫度的放氫平臺(tái)壓力，得到合金的van‘tHoff曲線圖并對(duì)曲線采用“*小二乘法”進(jìn)行擬合，根據(jù)擬合直線的斜率計(jì)算得到合金放氫反應(yīng)的焓變AH，合金100°C時(shí)的放氫平臺(tái)壓力與室溫吸氫平臺(tái)壓力的比值定義為合金的氫壓縮系數(shù)，即（7310/Pa（293K）所有合金的放氫反應(yīng)焓變IAHl和100°C時(shí)的氫壓縮系數(shù)均列于表1中。從表可以看出，V-Fe合金的加入在改善合金平臺(tái)特性的同時(shí)，降低了合金的放氫反應(yīng)焓變AHI，從而使得合金的氫壓縮系數(shù)Rp減小。Mn/Cr比值的增大，使得合金的IAHl和Rp的值進(jìn)一步減小。但是合金中Zr含量的增加卻可以在改善平臺(tái)特性的同時(shí)，大大提高合金的IAHI和Rp值。在所研究的合金中，Ti09ZrniMm4Cm35V02Fe005具有*大的放氫反應(yīng)焓變值（IAH=27.64k（mol.1―1H2）和*大的氫壓縮系數(shù)（Rp=7 1），該合金在130°C時(shí)的放氫平臺(tái)壓力可達(dá)20MPa在167°C時(shí)可以產(chǎn)生40MPa的產(chǎn)品氫壓。比較4種合金材料發(fā)現(xiàn)，Titi95Z1.005Mn0sCrti95V（i2Fen05合金在相同溫度下，所能達(dá)到的放氫平臺(tái)壓力*高，要達(dá)到20MPa和40MPa的放氫壓力所需要的溫度僅為79°C和114但是該合金在室溫下的吸放氫平臺(tái)壓力較高，因此需要壓力很高（~ 10MPa）的原料氫氣才能使其吸氫飽和。而921-01河川4035V02Fen05合金室溫下的吸放氫平臺(tái)壓力較低，在4MPa原料氫氣下就可吸氫達(dá)到飽和，并且，該合金也表現(xiàn)出較好的平臺(tái)特性，是一種性能良好的氫壓縮材料，該合金要達(dá)到20MPa以上的產(chǎn)品氫壓需要采用油浴作為熱源介質(zhì)。

　　4結(jié)論氫壓縮材料，對(duì)V-Fe、Mn/Cr比值和Zi元素對(duì)合金儲(chǔ)氫性能和熱力學(xué)性能的影響進(jìn)行了研究。V-Fe合金的加入使合金的吸放氫平臺(tái)壓力升高，平臺(tái)特性得到明顯改善。Mn/Cr比值的增大使得合金的平臺(tái)壓力略有升高，平臺(tái)斜度和壓力滯后明顯增大。而合金中Zr含量的增加大大改善了合金的綜合儲(chǔ)氫性能。在所研究的合金系列中，優(yōu)化出Ti09Zm1Mm4Cr.35Va2Fe005合金，該合金室溫下具有較低的吸放氫平臺(tái)壓力，平臺(tái)區(qū)域較為平坦，壓力滯后也較小，并且其有效儲(chǔ)氫量較大，放氫反應(yīng)的焓變和氫壓縮系數(shù)都較大。該合金若采用油浴作為熱源介質(zhì)，可將4MPa的原料氫氣壓縮到20MPa以上。