金属氢化物氢压缩机用AB_2型Ti-Mn基储氢合金研究

　　金属氢化物氢压缩机用AB2型Ti-Mn基储氢合金研究郭秀梅，王树茂，刘晓鹏，李志念，吕芳，郝蕾，米菁，蒋利军（北京有色金属研究总院能源材料与技术研究所，北京100088）Zr-Mn-CrV-Fe系列氢压缩材料，对于V-Fe、Mn/Cr比值和Zr含量对合金吸放氢平台特性和热力学性能的影响进行了研究，优化出具有优异综合储氢性能的氢压缩材料Mn.4Cr035V0.2Fe.。05合金。该合金具有较低的吸放氢平台压力、较小的压力滞后和平坦的平台特性，其放氢反应的焓变也很大，是一种氢压缩比很高的合金材料，可以在油浴热源介质的作用下实现非常高的氢气增压。

　　随着以氢为燃料的燃料电池以及电动汽车的迅，速发展，车载储氢技术及氢能基础设施的研究与建1设已引起各个国家的普遍关注，但是传统的机械式〕氢压缩机存在体积大、质量重、电耗高、水耗多、能量效率低等缺点，已难于满足高效车载储氢技术的要求。开发高压轻质新型储氢压力容器是现阶段国际上解决高效车载储氢的一个重要趋势。金属氢化物1在低温时吸氢压力低，高温时放氢压力高，可以利用金属氢化物的这一特点对氢气进行增压而替代机械式氢压缩机，达到非常高的目标氢压，这种技术被称为金属氢化物氢压缩技术。

　　金属氢化物氢压缩技术中的关键环节是氢压缩材料的研制。对于氢压缩机用金属氢化物材料而言，一般要满足下列要求：（1）大的储氢容量；（2）平坦的平台压力；（3）小的压力滞后；（4）大的氢化物生成热，高的压缩比；（5）良好的动力学性能；（6）长的循环寿命，良好的抗中毒和抗老化性能。为此，各国的科学家们进行了广泛的研究工作，以寻求具有优异性能的金属氢化物氢压缩材料。常用的金属氢化物氢压缩材料分为AB511―61和AB26~9型两种。对于整个的AB5型氢压缩材料系统而言，其吸放氢平台压力较低，在温和压力下只能实现较低的氢气增压。而且AB5型氢压缩材料在常温下的吸氢量很少（1 %），这对于氢压缩材料来说是非常不利的。相比而言，AB2型Laves相氢压缩合金的吸氢量较多（8wt%），吸放氢平台压力范围也很宽，可以通过选择不同的体系来实现很宽的氢气增压范围。

　　量很多，但是其放氢率很低，一般需对其进行多元合金化以提高其放氢量。本研究设计了Ti-Zi-Mn-Ci-V-Fe系列的储氢合金，对其吸放氢平台特性和热力学性能进行了测定，研究了不同组元对合金储氢性能的影响，优化出具有优异性能的金属氢化物氢压缩材料。该合金材料可以在较低的原料氢压的条件下，通过化学热压缩方式实现较高的氢气增压。

　　1.随着合金中Zi含量的增加，合金室温下吸放氢平台压力分别由412MPa和205MPa下降到205MPa和112MPa平台变得更加平坦，平台斜度系数Sf由0 81下降到0.76合金吸放氢过程中的压力滞后程度也有所减小，压力滞后系数Hf由0 68下降到0.47，合金的吸氢容量随着Zi含量的增多而增大至H/fu=306.Zi原子的半径（216A）比Ti原子（20A）略大，Zi原子的加入使合金的晶胞体积增大，从而使合金中可被氢原子占3合金放氢热力学性能根据合金在不同温度的放氢平台压力，得到合金的van‘tHoff曲线图并对曲线采用“*小二乘法”进行拟合，根据拟合直线的斜率计算得到合金放氢反应的焓变AH，合金100°C时的放氢平台压力与室温吸氢平台压力的比值定义为合金的氢压缩系数，即（7310/Pa（293K）所有合金的放氢反应焓变IAHl和100°C时的氢压缩系数均列于表1中。从表可以看出，V-Fe合金的加入在改善合金平台特性的同时，降低了合金的放氢反应焓变AHI，从而使得合金的氢压缩系数Rp减小。Mn/Cr比值的增大，使得合金的IAHl和Rp的值进一步减小。但是合金中Zr含量的增加却可以在改善平台特性的同时，大大提高合金的IAHI和Rp值。在所研究的合金中，Ti09ZrniMm4Cm35V02Fe005具有*大的放氢反应焓变值（IAH=27.64k（mol.1―1H2）和*大的氢压缩系数（Rp=7 1），该合金在130°C时的放氢平台压力可达20MPa在167°C时可以产生40MPa的产品氢压。比较4种合金材料发现，Titi95Z1.005Mn0sCrti95V（i2Fen05合金在相同温度下，所能达到的放氢平台压力*高，要达到20MPa和40MPa的放氢压力所需要的温度仅为79°C和114但是该合金在室温下的吸放氢平台压力较高，因此需要压力很高（~ 10MPa）的原料氢气才能使其吸氢饱和。而921-01河川4035V02Fen05合金室温下的吸放氢平台压力较低，在4MPa原料氢气下就可吸氢达到饱和，并且，该合金也表现出较好的平台特性，是一种性能良好的氢压缩材料，该合金要达到20MPa以上的产品氢压需要采用油浴作为热源介质。

　　4结论氢压缩材料，对V-Fe、Mn/Cr比值和Zi元素对合金储氢性能和热力学性能的影响进行了研究。V-Fe合金的加入使合金的吸放氢平台压力升高，平台特性得到明显改善。Mn/Cr比值的增大使得合金的平台压力略有升高，平台斜度和压力滞后明显增大。而合金中Zr含量的增加大大改善了合金的综合储氢性能。在所研究的合金系列中，优化出Ti09Zm1Mm4Cr.35Va2Fe005合金，该合金室温下具有较低的吸放氢平台压力，平台区域较为平坦，压力滞后也较小，并且其有效储氢量较大，放氢反应的焓变和氢压缩系数都较大。该合金若采用油浴作为热源介质，可将4MPa的原料氢气压缩到20MPa以上。