【摘 要】
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金属氢化物压缩机具备结构简单紧凑、安全系数高和可利用工业废热驱动等优点。国家重点研发计划项目设计了一种三级金属氢化物氢压缩机,该装置以水作为传热介质可将8 MPa氢气分级压缩成25、45和85 MPa高压氢气。Ti Cr2基合金具备储氢量高、动力学快、成本低和脱氢平台高等优点,适合作为氢压缩材料。为研发出45 MPa级Ti Cr2基氢压缩合金,本文应用第一性原理计算探讨了元素取代对Ti Cr2合金
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金属氢化物压缩机具备结构简单紧凑、安全系数高和可利用工业废热驱动等优点。国家重点研发计划项目设计了一种三级金属氢化物氢压缩机,该装置以水作为传热介质可将8 MPa氢气分级压缩成25、45和85 MPa高压氢气。Ti Cr2基合金具备储氢量高、动力学快、成本低和脱氢平台高等优点,适合作为氢压缩材料。为研发出45 MPa级Ti Cr2基氢压缩合金,本文应用第一性原理计算探讨了元素取代对Ti Cr2合金储氢性能的影响,并基于计算结果通过优化合金成分调控了Ti-Zr-Cr-Fe合金的储氢性能,最终开发出了45 MPa级氢压缩合金。首先,本文通过第一性原理计算方法探究了Mn和Fe取代Cr对Ti Cr2合金微观结构和储氢性能的影响。结果表明,Mn和Fe取代Cr都会导致合金晶胞体积和四面体间隙体积减小,且两种元素都更偏向于占据2a位置;合金与氢原子的结合能随着Mn和Fe含量增加而增大,说明Mn和Fe的引入会降低合金氢化物稳定性。同时,适量的Mn和Fe取代Cr可使得Ti Cr2四面体间隙体积和结合能的分布状态由离散变为连续,这将改善合金的平台斜率。为初步筛选出45 MPa级氢压缩材料,本文以Ti Cr Fe为基底,并结合正交实验方法设计了(Ti1-xZrx)yCr2-zFez（x=0.1,0.15,0.2;y=1,1.05,1.1;z=0.9,1,1.1）系列合金。XRD测试结果表明该系列合金均为C14单相,SEM和EDS结果表明合金各元素分布均匀。通过正交分析可知,Zr含量和A侧过化学计量增加会增大晶胞体积和脱氢焓变,同时会降低脱氢平台和滞后。而Fe含量的增加会导致晶胞体积和脱氢焓变减小,平台压力、斜率和滞后会急剧增加。通过比较筛选,(Ti0.85Zr0.15)1.05Cr1.1Fe0.9合金表现出了较优的综合储氢性能,然而该合金在80℃的脱氢压力仅为30 MPa,低于45 MPa脱氢压力的需求。此外,本文还提出了一个简单预测脱氢焓变的模型。为进一步调控Ti-Zr-Cr-Fe合金的吸放氢平台,选定(Ti0.85Zr0.15)1.05Cr Fe合金作为实验对象,探究了A侧过化学计量比和Fe取代Cr对合金微观结构和储氢性能的影响。实验结果表明,A侧元素增加和Fe含量降低会扩大合金的晶胞体积,这将导致合金氢化物稳定性增强,而合金脱氢压力也会逐渐降低。虽然A侧元素和Fe含量的增加都会导致合金最大储氢量降低,但对可逆储氢量影响较小。最终,(Ti0.85Zr0.15)1.05Cr0.9Fe1.1合金表现出了良好的综合储氢性能,其在15-80℃范围内可将20 MP氢气压缩至45 MPa,可用储氢量约为1.33 wt%,满足45 MPa级氢压缩材料的要求。
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