金屬氫化物氫壓縮機用AB2型Ti-Mn基儲氫合金研究郭秀梅，王樹茂，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，對于V-Fe、Mn/Cr比值和Zr含量對合金吸放氫平臺特性和熱力學性能的影響進行了研究，優(yōu)化出具有優(yōu)異綜合儲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壓力、較小的壓力滯后和平坦的平臺特性，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汽車的迅，速發(fā)展，車載儲氫技術(shù)及氫能基礎(chǔ)設(shè)施的研究與建1設(shè)已引起各個國家的普遍關(guān)注，但是傳統(tǒng)的機械式〕氫壓縮機存在體積大、質(zhì)量重、電耗高、水耗多、能量效率低等缺點，已難于滿足高效車載儲氫技術(shù)的要求。開發(fā)高壓輕質(zhì)新型儲氫壓力容器是現(xiàn)階段國際上解決高效車載儲氫的一個重要趨勢。金屬氫化物1在低溫時吸氫壓力低，高溫時放氫壓力高，可以利用金屬氫化物的這一特點對氫氣進行增壓而替代機械式氫壓縮機，達到非常高的目標氫壓，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。對于氫壓縮機用金屬氫化物材料而言，一般要滿足下列要求：（1）大的儲氫容量；（2）平坦的平臺壓力；（3）小的壓力滯后；（4）大的氫化物生成熱，高的壓縮比；（5）良好的動力學性能；（6）長的循環(huán)壽命，良好的抗中毒和抗老化性能。為此，各國的科學家們進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。對于整個的AB5型氫壓縮材料系統(tǒng)而言，其吸放氫平臺壓力較低，在溫和壓力下只能實現(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 %），這對于氫壓縮材料來說是非常不利的。相比而言，AB2型Laves相氫壓縮合金的吸氫量較多（8wt%），吸放氫平臺壓力范圍也很寬，可以通過選擇不同的體系來實現(xiàn)很寬的氫氣增壓范圍。

　　量很多，但是其放氫率很低，一般需對其進行多元合金化以提高其放氫量。本研究設(shè)計了Ti-Zi-Mn-Ci-V-Fe系列的儲氫合金，對其吸放氫平臺特性和熱力學性能進行了測定，研究了不同組元對合金儲氫性能的影響，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，通過化學熱壓縮方式實現(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壓力分別由412MPa和205MPa下降到205MPa和112MPa平臺變得更加平坦，平臺斜度系數(shù)Sf由0 81下降到0.76合金吸放氫過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合金放氫熱力學性能根據(jù)合金在不同溫度的放氫平臺壓力，得到合金的van‘tHoff曲線圖并對曲線采用“*小二乘法”進行擬合，根據(jù)擬合直線的斜率計算得到合金放氫反應(yīng)的焓變AH，合金100°C時的放氫平臺壓力與室溫吸氫平臺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特性的同時，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的值進一步減小。但是合金中Zr含量的增加卻可以在改善平臺特性的同時，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時的放氫平臺壓力可達20MPa在167°C時可以產(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，所能達到的放氫平臺壓力*高，要達到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壓力較低，在4MPa原料氫氣下就可吸氫達到飽和，并且，該合金也表現(xiàn)出較好的平臺特性，是一種性能良好的氫壓縮材料，該合金要達到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V-Fe、Mn/Cr比值和Zi元素對合金儲氫性能和熱力學性能的影響進行了研究。V-Fe合金的加入使合金的吸放氫平臺壓力升高，平臺特性得到明顯改善。Mn/Cr比值的增大使得合金的平臺壓力略有升高，平臺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壓力，平臺區(qū)域較為平坦，壓力滯后也較小，并且其有效儲氫量較大，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。