书城工业不可思议的新材料
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第17章 储氢材料

氢是一种热值很高的燃料。燃烧1千克氢可放出62.8千焦的热量,1千克氢可以代替3千克煤油。氢氧结合的燃烧产物是最干净的物质——水,没有任何污染。氢的来源非常丰富,若能从水中制取氢,则可谓取之不尽、用之不竭。

新型储氢材料

氢能的利用,主要包括两个方面:一是制氢工艺;二是储氢方法。

传统储氢方法有两种:一种方法是利用高压钢瓶(氢气瓶)来储存氢气,但钢瓶储存氢气的容积小,瓶里的氢气即使加压到150个大气压,所装氢气的质量也不到氢气瓶质量的1%,而且还有爆炸的危险;另一种方法是储存液态氢,将气态氢降温到-253℃变为液体进行储存,但液体储存箱非常庞大,需要极好的绝热装置来隔热,才能防止液态氢不会沸腾汽化。近年来,一种新型简便的储氢方法应运而生,即利用储氢合金(金属氢化物)来储存氢气。

研究证明,某些金属具有很强的捕捉氢的能力,在一定的温度和压力条件下,这些金属能够大量“吸收”氢气,反应生成金属氢化物,同时放出热量。其后,将这些金属氢化物加热,它们又会分解,将储存在其中的氢释放出来。这些会“吸收”氢气的金属,称为储氢合金。

能源材料储氢合金的储氢能力很强。单位体积储氢的密度是相同温度、压力条件下气态氢的1000倍,也即相当于储存了1000个大气压的高压氢气。

储氢合金具有很强的捕捉氢的能力

由于储氢合金都是固体,既不使用储存高压氢气所需的大而笨重的钢瓶,又不需存放液态氢那样极低的温度条件,需要储氢时使合金与氢反应生成金属氢化物并放出热量,需要用氢时通过加热或减压使储存于其中的氢释放出来,如同蓄电池的充电、放电,因此储氢合金不愧是一种极其简便易行的理想储氢方法。

目前研究发展中的储氢合金,主要有钛系储氢合金、锆系储氢合金、铁系储氢合金及稀土系储氢合金。

储氢合金不光有储氢的本领,而且还有将储氢过程中的化学能转换成机械能或热能的能量转换功能。储氢合金在吸氢时放热,在放氢时吸热,利用这种放热—吸热循环,可进行热的储存和传输,制造制冷或采暖设备。

储氢合金还可以用于提纯和回收氢气,它可将氢气提纯到很高的纯度。例如,采用储氢合金,可以以很低的成本获得纯度高于99.9999%的超纯氢。

储氢合金以其高超的本领在许多方面得到应用,成为人们储存和利用氢气的得力帮手,并将获得进一步发展。

人们利用储氢合金在吸氢时放热而放氢时又要吸收热量的本领进行蓄热制冷。例如,镧镍储氢合金在吸氢时放出的热约为210千焦/千克,而金属镁在吸氢时放出的热高达3182千焦/千克,其能量是非常大的。利用储氢材料的这种特性,就可进行蓄热制冷。

利用储氢合金蓄热的原理与蓄电池相似。例如,将工厂低温排放的热量或太阳能作用于储氢合金上,它在吸热时放出氢,所放出的氢储存在氢气瓶里;而当人们需要热水时,只要给氢气瓶加少量的压力,储氢合金就会进入放热反应,在吸氢的同时放出热量,从而将热交换管中的水加热,供人们使用。在吸氢放热的过程中,氢气并不消耗,它只是和储氢合金一起组成了蓄热器。

美国、日本等国根据上述利用储氢合金吸收太阳能装置的原理,制成了一种简单的吸收太阳能装置,并已投放市场。

超纯氢气是现代电子工业和一些尖端技术使用的重要原料,例如用作晶体外延生长时的运载气体等。但通常精制超纯氢气的方法成本很高,现在利用储氢合金就可生产廉价的超纯氢气。目前,不少国家都在利用储氢合金特别是稀土镍铝和稀土镍锰储氢合金进行精制超纯氢气的实验研究,并已取得很大进展,有的已开始商品化生产。其中如日本已用稀土镍铝储氢合金处理含有一氧化碳、氮气、氧气等杂质的工业氢气,生产出纯度高于6~9的高纯氢气。

利用储氢合金放氢时所产生的压力,通过适当的动力转换装置,即可转变成有用的机械能。用储氢合金制作的压缩机,当向装有储氢合金填充层的压缩机内输入低压氢气时,储氢合金便吸氢放热,将氢储存起来,而放出的热量用通入管子的冷水吸收,然后,将热水通入管子,使储氢合金加热,它便吸热并放出高压氢气,可用来作为驱动力。这种压缩机由于没有复杂的机械零件,所以结构简单,制造成本低,而且工作中不产生噪音,也不会发生机械故障。用储氢合金制成的小型驱动器,因为氢气有缓冲作用,所以耐冲击和过负载,而且重量轻,无噪声,能产生相当大的驱动力。美国、日本等国已利用储氢合金制作机器人的驱动装置,既灵敏可靠又轻便。

知识点:氢的同位素氘

为了寻找氢的同位素,人们前后用了十几年的时间,而没有得出肯定的结果。但有人从理论上推导,认为应该有质量数为2的氢同位素存在。1931年年底,美国哥伦比亚大学的尤里教授,将四升液态氢在三相点14°K下缓慢蒸发,最后只剩下几立方毫米液氢,然后用光谱分析。结果在氢原子光谱的谱线中,得到一些新谱线,它们的位置正好与预期的质量为2的氢谱线一致,从而发现了重氢。尤里对它定了一个专门名,“氘”,符号“D”。后来英、美的科学家们又发现了质量为3的“氚”,符号“T”,是具有放射性的另一重要氢同位素。

氘的发现是科学界在20世纪30年代初的一件大事。尤里因此在1934年获得了诺贝尔化学奖金。现在最常见的是氧化氘(又名重水),易于用电解水而取得,所以电费低廉的北欧能大量生产。重水早已成为制造氢弹的重要材料之一。