三级金属氢化物氢压缩机设计及氢压缩材料的研究进展

随着氢能产业的发展,氢燃料电池汽车因无污染、零排放等优点逐渐进入公众的视野,引起了人们的强烈关注。在氢燃料电池汽车系统中,车载储氢罐发挥着至关重要的作用,为提高其体积储氢密度并确保其应用的安全性,国际标准组织氢技术委员会规定储氢罐最多可充入70 MPa的氢气。因此,实现氢气的安全、高效加注是氢燃料电池汽车市场化的关键,这也对加氢站中氢压缩机的研发提出了更高的要求。现阶段,大多数已建成的加氢站均使用机械式氢压缩机,其普遍存在安全性差、振动与噪音大以及维护成本高等缺点。金属氢化物氢压缩机是利用储氢合金(氢压缩材料)在不同温度下平台压的不同对氢气进行增压。相比传统的机械式氢压缩机,金属氢化物氢压缩机具有安全、环保、无振动和噪音、密封性好、无摩擦、能有效提纯氢气以及维护成本低等优点。为提升其加氢压力和压缩比,通常将几种不同的氢压缩材料串接设计为多级氢压缩机。而提升各级氢压缩材料的热力学与动力学性能则是优化整个金属氢化物氢压缩系统性能的关键。氢压缩材料的改性主要集中于合金化。例如:LaNi_(5)合金A侧常被混合稀土Mm和Ml取代,而B侧常被Co、Al、Mn、Sn等元素取代,改性后的AB_(5)型合金因具有较低的吸放氢平台、较强的抗毒化性能与循环稳定性,通常作为高密度储氢材料或初级氢压缩材料;而TiCr_(2)合金A侧常被同族的Zr取代,B侧常被同周期的V、Mn、Fe、Co、Ni等元素取代,改性后的AB_(2)型合金具有较高的吸放氢平台、较大的储氢量,一般可作为中级或末级氢压缩材料。除此之外,具有极高平台压的ZrFe_(2)基合金也是应用于氢压缩领域的潜在材料。本文首先介绍了金属氢化物氢压缩机的工作原理与特点,然后设计了三级氢压缩机系统并综述了各级氢压缩材料的研究进展,最后还对未来氢压缩材料的发展方向进行了展望。