金属氢化物热泵的研究及其进展

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1、金属氢化物热泵的研究及其进展当前人类面临着能源危机，作为主要能源的石油，煤炭和天然气由于长期的过量开采已濒临枯竭。由于一次能源越来开越难以适应人类生存和发展需要，继续寻找和开发新能源，如太阳能，生物质能，氢能，风能，潮汐能，地热能及核能等。在众多的新能源中，氢能因其资源丰富，发热值高，清洁及热效率高等优点收到特别重视，因此21世纪被认为是氢能时代。氢气是输运和储存是目前氢技术难以广泛应用的难题之一。金属氢化物的储氢密度与液氢相同或者更高，储氢效率高。从安全性，输运和储存等几个反方面综合衡量，储氢合金具有广泛的应用前景。金属氢化物热泵是美国学者Terry【1】提出的，它具有以下优

2、点：①可利用废热，太阳能等低品位的热源驱动热泵工作，是唯一由热驱动，无运动部件的热泵②系统工作时只有气固相作用，因而无腐蚀，且由于无运动部件，因而无磨损，无噪声；③系统工作温度范围大，不存在氟利昂对大气臭氧层的破坏作用④可达到夏季制冷冬季采暖双效作用。由于以上优点，因而作为热泵材料的金属氢化物发展迅速。1．金属氢化物的原理与类型：金属氢化物热泵的原理是通过氢气与储氢材料之间的可逆化学反应，利用金属氢化物吸热放氢和吸氢放热的特点，通过交替加热冷却，实现加热或制冷的目的。其过程可用以下反应式来表示，即M+H2⇌MHx+∆H，反应式中M为储氢材料，NHx为对应的金属氢化物，∆H为氢化

3、物生成焓变。用于热泵的金属氢化物满足Vant`tHoff方程，即,式中P为氧化物平衡压力，△S为氢化物分解熵变，R为气体常数，Fs为表示坪域平坦性的参数，Fh为表示坪域滞后性的参数，Xo为吸储氢的最大量（H∕合金），Xf吸储氢量（H∕合金）。氢化物热泵式以氢气（H2）为工作介质，以贮氢材料作为能连转换材料，由同温度下分解压不同的两种氢化物组成的热力循环系统，利用他们的平衡压差来去动氢气流动，是两种氢化物分别处于吸氢（放热）和放氢（吸热）状态，从而达到升温，增热或制冷的目的。已开发的氢化物热泵按其功能可分为三类：升温性，增幅性和制冷型。按系统使用的氢化物的种类可分为单氢化物热泵

4、，双氢化物热泵和多氢化物热泵三种。2．氢化物热泵的主要性能指标：评价氢化物热泵的性能指标有系统的特性系数COP【2】和总热输出能力Eout【3】。COP是指系统的有效输出热量Q出与系统作为动力输入热量Q人的比值，即COP=Q出∕Q入.Eou是指单位时间内系统输出的总热量，即Eout=n∙△H∙△C∙m，式中：n为单位时间内的循环次数，△H为氢化物分解焓变，△C为有效工作氢容量，M为贮氢合金重量。影响系统COP和Eout的主要因素可概括为两个方面，即贮氢合金的贮氢特性和系统的传热传质特性。3．氢化物热泵用贮氢合金的发展合金的优化原则与方法由于氢化物热泵是以贮氢合金吸放氢反应的热效

5、应来工作的，因此，贮氢合金的性能对氢化物热泵性能起着决定作用。氢化物热泵的循环操作系统又是以一个氢化物对进行的。因此，影响系统性能的因素不仅仅是每个合金的贮氢特性，更重要的是合金对的配对特性。对贮氢合金的主要要求是：有效氢容量大，平台平坦，之后小，动力学性能好，抗衰退能力和抗中毒能力强，并且要求有较合适的△H值；对合金对的评价爱性能指标可概括为两个参量，即合金对在给定的操作温度下，循环开始时的压力差△P和最大工作氢容量△Cmax。△P影响单位时间内的循环次数，因而直接影响总热量输出Eout，△Cmax则既影响Eout,也影响COP。优化合金的贮氢特性通常有以下三种方法法：（1）

6、                       合金化。在已经开发的合金中添加其他元素，形成多元合金，以改善合金性能，使之适于其具体要求，这是目前普遍采用的方法。（2）                       热处理。主要以真空退火热处理，以减轻平台倾斜程度。（3）                       合金混合。将不同的贮氢特性的合金混合。以改善合金性能，如吸氧量，平台特性和火化性能等。4．氢化物热泵用贮氢合金的种类（1）AB5型合金。该系合金是由稀土金属或钙与过渡元素（如Ni，Co，Cu等）组成的具有CaCu5型六方结构的AB5型金属间化合物。LaNi5MlNi5

7、和MmNi5是其典型代表。为了满足不同环境条件下的工作要求，通常对合金进行多元合金化，主要以AL，Mn，Fe，Cr，Cu，Zr等元素部分取代Ni，调整其平台压力，改善滞后和火化性能，Zr还可以作为添加元素，不仅可以提高氢化物的△H值，而且还具有抑制合金粉化的作用。（2）AB2型合金。该系合金是一种Laves相，A是原子半径较大的Ti或Zr元素，B是原子半径稍小的Mn,Cr，Fe等元素。其中具有MgZn2，TiCr2的多元合金化产物最有应用前景。（3）AB型合金。该系合金主要是指TiFe及合金