熱-機械能技術

01 金屬氫化物氫壓縮機

傳統往復式機械壓縮機

①能耗高；

②有磨損、振動大、噪聲高；

③由于潤滑劑的污染和密封襯墊的泄露，很難用以制取高純氫。

新型金屬氫化物氫壓縮機

①運轉安靜、無振動；

②無驅動部件，易維修；

③器件體積小、質量輕（機械壓縮機的1/5）；

④釋放氫的純度高；

⑤可利用廢熱、耗電量少；

⑥多段壓縮可產生高壓。

唯一缺點：氫流量受合金吸收、釋放氫的循環速度限制。

工作原理：

儲氫材料在室溫和較低壓力下吸收氫氣形成金屬氫化物，飽和后提高金屬氫化物的溫度，則其平衡壓力將相應提高，因此處于高溫的氫化物可以釋放相應高壓的氫氣。

氫平衡壓力與溫度的關系

氫壓縮機對貯氫材料的要求：

①吸氫量大，可逆性好；

②動力學特征好，吸放氫速度快；

③壓力平臺平坦且范圍寬，以便在合適的床溫下得到足夠的放氫壓力和大的壓縮氫量；

④滯后小，以保證有高的壓縮比；

⑤壓縮比高，以滿足用低溫熱源獲得高壓氫；

⑥生成熱大。

02 金屬氫化物傳感器

利用合金與氫反應的可逆性和氫化物的平衡氫壓對溫度的依存關系，可制取控制溫度或膨脹的金屬氫化物傳感器。工作原理如右圖所示。

金屬氫化物傳感器原理示意圖

其他技術

01 氫分離、回收與凈化

應用背景

化學工業、石油精制、冶金工業等均有大量含氫尾氣排出，含氫量有些達到50%~60%，目前很多是排空或白燃燒處理。

集成電路、半導體器件、電子材料、光纖等生產中，需要超高純氫氣，目前多采用鈀管或鈀膜凈化器，價格昂貴。

VS

利用貯氫材料選擇性吸氫的特性，不但可以回收廢氣中的氫，還可使氫純度達99.9999%以上，價格便宜、安全，有十分重要的社會效益和經濟意義。

基本原理：

一是金屬與氫反應生成金屬氫化物，加熱后放氫的可逆反應；

二是貯氫材料對氫原子有特殊的親和力，對氫有選擇性吸收作用，而對其他氣體雜質則有排斥作用。

生產實例：

如果氣態氫時工業普氣，通常含O2、Ar、N2、CH4和H2O等雜質。氫化反應時氫被貯氫材料吸收而雜質氣體除極少數吸附于氫化物顆粒表面外，絕大多數將濃縮于容器的死空間。將濃縮雜質的氫氣排出。然后再加熱氫化物層，就可得到高純氫。

凈化裝置要求：

①良好的熱交換條件；

②系統耐壓和真空密封；

③系統的潔凈處理；

④防止粉末外溢的過濾措施；

⑤高效吹吸濃縮雜質的結構等。

吸氫合金制取高純氫的優點：

①縮小貯氫空間和占地面積；

②安全性好；

③制氫效率高；

④氫的釋放為吸熱反應，故吸氫合金對泄露有自我保護機能；

⑤精制后的氫純度高。

利用吸氫合金制取高純氫的精制系統

雙筒體貯氫材料氫凈化裝置

多機組分段循環式氫分離裝置

凈化用貯氫合金要求：

貯氫量大、易活化、反應迅速、耐毒化、抗粉化、成本低。

目前常用合金：

LaNi5、LaCu4Ni、MmNi4.5Al0.5、TiFe0.85Mm0.15等。

氫化物凈化的應用：

①從合成氨廠的含氫氣中回收氫；

②利用吸氫合金提高發電機內氫純度；

③利用貯氫合金精制氫。

02 金屬氫化物氫同位素分離

應用意義：

核工業中常大量應用重水作原子裂變反應堆的冷卻劑和中子減速劑，氚是核聚變反應的主要核燃料。由于氚具有放射性，回收氚對環境保護具有重要意義。

分離原理：

金屬或合金吸氕、氘、氚的平衡壓力和吸附量上存在差異；在合金中的擴散速度以及吸收速度方面也存在差異，前者稱為熱力學同位素效應，后者稱為動力學同位素效應。我們可以利用這些差異分離氫（H2）與氘（D2）和氚（T）。

應用實例：

右圖所示為H2和D2對釩（V）的分解壓力-組成等溫線。從圖中可以看出VH0.9的離解壓比VD0.9高約3倍。將含有D2的H2在1MPa下通入裝有貯氫材料V的容器內，H2和D2同時被吸收到V里。然后將壓力降到0.2~0.3MPa，被捕集的H2首先釋放，D2被濃縮在V里。

VH0.9和VD0.9系40℃時的p-c-T曲線

03 金屬氫化物作催化劑

基本原理：

貯氫合金等迅速吸收大量的氫，且反應是可逆的。反應時由于氫時分解后被吸收的，氫是以單元子存在于表面的，說明這些金屬間化合物的表面具有相當大的活性。

貯氫材料作為催化劑的應用：

①烯烴、有機化合物的氫化反應；②一氧化碳、二氧化碳的氫化反應；③氨合成；④乙醇、炭化氫的脫氫反應；⑤氫化分解反應；⑥結構異性化反應等。

04 其他應用

貯氫合金貯能發電；

利用貯氫合金變風能為熱能；

利用貯氫合金的真空絕熱管。