【摘 要】
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金属氢化物氢压缩机利用储氢合金在不同温度下平台压的不同来提升氢气压力,具有安全、环保、无振动噪音、能有效提纯氢气以及维护成本低等优点。Ti Cr2基合金的吸放氢平台压值和储氢量比La Ni5基合金大,常用于高压氢压缩,而Zr Fe2基合金因具备极高的脱氢压力以及较小的α氢固溶区,也是应用于氢压缩领域的潜在材料。然而,以Ti Cr2和Zr Fe2为代表的AB2型合金具有活化难、平台斜率和滞后大等缺点
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金属氢化物氢压缩机利用储氢合金在不同温度下平台压的不同来提升氢气压力,具有安全、环保、无振动噪音、能有效提纯氢气以及维护成本低等优点。Ti Cr2基合金的吸放氢平台压值和储氢量比La Ni5基合金大,常用于高压氢压缩,而Zr Fe2基合金因具备极高的脱氢压力以及较小的α氢固溶区,也是应用于氢压缩领域的潜在材料。然而,以Ti Cr2和Zr Fe2为代表的AB2型合金具有活化难、平台斜率和滞后大等缺点,这限制了其应用和发展。本论文通过合金化和过化学计量比方法调控了TiCr2和ZrFe2基合金的氢压缩性能,开发了85 MPa级氢压缩机用和6 MPa级长管拖车返厂氢气充分利用的加压储氢合金,探讨了合金相结构和储氢性能之间的内在联系。针对85 MPa级氢压缩材料的要求,本文采用Ti过化学计量、Mn和Fe部分取代Cr以提升Ti Cr2合金的活化性能和平台压值,并按照正交表制备了Ti1.04+xCr2-y-zMnyFez系列合金。XRD测试结果表明该系列合金均为C14单相结构,且伴随着Ti过计量减少和Mn、Fe取代量增加,合金的晶胞体积逐渐缩小。结合PCT性能测试结果,可知晶胞体积减小会促使合金的平台压升高,但其储氢量和平台滞后性能变差,而引入过计量Ti会显著增大合金的平台斜率。经正交分析优选,Ti1.08Cr1.3Mn0.2Fe0.5合金表现出较优异的氢压缩性能,其90℃输出的氢气压力为53.52 MPa,但无法满足85 MPa的脱氢压力要求。为满足85 MPa脱氢压力要求并减小Ti1.08Cr1.3Mn0.2Fe0.5合金的平台斜率,本文减少Ti过计量并增加Fe对Cr的取代量,制备了具有C14单相结构的Ti1.08Cr1.8-xMn0.2Fex和TiyCr1.0Mn0.2Fe0.8合金。随着Fe对Cr取代量的增加或Ti过计量的减少,合金的晶胞体积减小,平台压升高,且平台斜率和滞后均得到了明显改善,但储氢量有所降低。Ti1.04Cr1.0Mn0.2Fe0.8为优选的合金成分,该合金15℃的实测吸氢平台压为43.03 MPa,80℃的理论放氢平台压为130.86 MPa,可满足85 MPa级氢压缩材料的要求。针对目前长管拖车中约6 MPa剩余氢气通过机械式氢压缩机难以增压的现象,本文开发了Zr Fe2基氢压缩合金,其可以通过提升氢压来满足机械式氢压缩机的输入压力需求。本文采用Cr和V共同取代Fe以减小Zr Fe2的平台斜率和滞后,并尝试用Ti部分取代Zr以调控合金的平台压值。第一性原理计算结果表明当Ti计量比超过0.5时,合金的体积模量值会急剧下降,因此实验制备了Zr1-xTixFe1.7Cr0.2V0.1（x=0,0.1,0.2,0.3,0.4）合金。实验结果表明,随着Ti取代量增加,合金基体相的晶胞体积减小,富Ti-V的第二相逐渐析出,且平台压升高,平台滞后减小。优选的Zr0.8Ti0.2Fe1.7Cr0.2V0.1合金氢气压缩量为1.28 wt%,可在75℃放出6.08 MPa氢气,Zr0.7Ti0.3Fe1.7Cr0.2V0.1合金可在60℃下输出6.2 MPa氢气,有望实现长管拖车中约6 MPa剩余氢气的高效利用,降低氢气的运输成本。
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