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储氢合金的制备和在制氢 、氢分离和储氢上的应用

2022/04/25 点击次数:

项目简介

随着经济、社会的不断发展,对能源清洁性、高效性的要求愈发突出,氢能作为一种崭新能源以其高燃烧效率、燃烧产物洁净、易于低成本储存和输送以及用途多样化等突出优点将在21世纪起着越来越大的作用。储氢合金能将气体的氢气以原子的形式储存,其储存密度可以大于液氢状态下的氢气密度,十分有利于氢气的储存和运输,具有储氢密度高、安全性好、使用便捷的优势可以在固态储氢 、二次电池、混合动力汽车等方面获得重要的应用。

此外,利用储氢合金的气体选择性吸收特性可以开发出高纯氢气的提纯技术,具有工程量小、占地面积少、一次性投资小、纯化速度快、纯度高的特点。利用储氢合金在吸放氢过程中吸放热特点,可以开发太阳热、地热以及工厂废热的储存和利用 。利用储氢合金的水解放氢技术可以实现高容量高密度储氢 制氢一体化, 并在中小型氢燃料电池供氢、 备用电源、氢健康供氢产品等领域获得重要应用。

应用范围

储氢合金能将气体的氢气以原子的形式储存,其储存密度可以大于液氢状态下的氢气密度,十分有利于氢气的储存和运输, 具有储氢密度高、安全性好、使用便捷的优势可以在固态储氢 、 二次电池、 混合动力汽车等方面获得重要的应用。

项目阶段

1.储氢合金的生产

在一定温度和氢气压力条件下,储氢金属或合金与氢反应生成金属氢化物,并释放出热量,当提高温度或降低氢压时,氢化物释放出氢气,可以用如下式子表示 储氢合金吸放氢的示意图如图1所示 。

图1储氢合金吸放氢的示意图

项目组已经开发出了AB5稀土系 、AB2型Ti Mn或Zr Mn系 、AB型Ti Fe系 、V基BCC固溶体 、Mg基储氢合金的制备技术 。通过项目组开发出来的等离子体储氢合金制备金属 也 可以制备纳米结构的合金 提高储氢性能 。

主要技术性能:室温下活化次数少,吸放氢速度快 室温附近 质量储氢密度在1.5wt.%~3.0wt.%范围之间 ,平台压力在0 2.0 MPa。

2.固态储氢系统

安全经济高效储氢技术的开发是氢能产业发展的关键瓶颈,合金储氢将氢以原子状态存储到材料晶格内部空隙中,可实现常温常压下固态储氢,这种固体储氢相对于高压气态和液态储氢,具有体积储氢密度高、工作压力低、安全性能好等优势。通过热交换系统的优化设计,可以实现氢气的快速吸收和放出。图2是储氢合金罐工作示意图和照片。

主要技术参数:

工作温度:-40~60℃

吸氢压力:5 MPa

供氢压力:0.05~2.0 MPa

循环寿命:2500次~4000次(最终吸氢量达最大吸氢量80%)

储氢密度:30~35 kg H2/m3

3.高纯氢气提纯

氢能源的发展对氢气的纯度提出更高的要求,目前氢气提纯主要是变压吸附分离方法,这种方法的主要问题是工程量大、占地面积大、一次性投资大、而氢气纯化速度慢且纯度很难达到99.999%。然后,储氢合金具有选择性吸收氢气的特性,且体积储氢密度大,吸放氢速度快,只需要很小的体积就可以进行快速氢气纯化和储存,可有效地解决传统的氢气纯化和储存问题。

利用储氢合金开展氢气纯化和高密度储存联用研究,开发出氢纯度高、能耗少、成本低和运输安全性好的供氢技术,可以提高副产氢气中一氧化碳、二氧化碳、硫、氯等杂质的去除精度和检测技术,纯化指标达到氢气纯度≥99.999%,符合燃料电池用氢指标。也可以获得更高纯度的氢气,满足半导体等产业的高纯氢气的要求。

4.热泵和制冷器

金属氢化物吸放氢的过程中伴随着较大的吸放热,是良好的储热材料,因此也能被用于储热、热泵、制冷、热压缩。金属储氢合金吸放氢的过程中伴随着较大的吸放热,是良好的储热材料,可以实现储热和供热的作用,也可以利用氢气放出时的吸热效应做成制冷器,如图可用于储热、热泵、制冷、热压缩。储氢合金做成的这种加热或制冷设备利用的是太阳能、地热以及工厂废热,有很好的节能效应。另外这种设备上没有机械运动的部分,寿命长、安静、没有环境污染,而且制冷制热转换方便。

5.水解制氢及其应用

活性金属以及金属氢化物的水解(MHx+H2O→M(OH)x+H2↑)是一种方便的制氢和供氢方法。项目组通过原创的材料和装备技术,开发了高效、安全的制氢储氢材料和装置,材料储氢质量密度高,加水就能平稳的产生氢气,安全、流量平稳可控,供氢装置使用便携,可广泛用于氢能源的储存和运输,以及氢医疗健康领域。

在氢能源领域,项目组开发了制氢储氢纳米材料、便携的供氢装置以及集成燃料电池电源,其中材料能量密度高达1200wh/kg,供氢装置操作便携(质量供氢密度大于4wt%),可广泛应用于单兵作战电源、无人机、UUV等。目前产品已开始推广给中船重工、北京理工大学等军方相关单位以及国鸿氢能等试用。

在氢健康领域,公司通过食品级纳米材料水解可控释放氢气,制备出供人体呼吸的不同流量的氢呼吸机,氢气纯度高,吸氢装置相比于市场上同类产品价格下降80%,同时产品的体积和重量也下降80%,将显著推动氢医学健康的普及,改善人类的身体健康。

制氢储氢材料现在实现了自主量产,已解决材料量产问题,在制备过程中不产生废气和废水,对环境友好。吸放氢装置目前主要通过外包生产,目前已打通上游供应链,选定了几家代工生产商,可确保能源类产氢装置以及氢健康类吸氢机的批量生产。

知识产权

已授权30余项国家发明专利。

合作方式

技术入股、共同开发。

联系方式

电子信箱:kjkfb@pku.edu.cn

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