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用于氢化物复合储氢器和高压氢化物压缩器的储氢合金研究

2020-12-08阅读(297)

用于氢化物复合储氢器和高压氢化物压缩器的储氢合金研究

论文摘要

本文对氢化物复合高压储氢器用储氢合金及高压金属氢化物压缩机用储氢材料的研究进展进行了全面综述。在此基础上,选择具有高分解压和高储氢容量的AB2型Ti-Cr-Mn（Fe）基多元储氢合金为研究对象,系统研究了合金的晶体结构、储氢性能、以及压缩性能。通过吸放氢性能测试和XRD分析,研究了Cr/Mn比、Cr/Fe比和电子浓度e/a对合金吸放氢特性的影响,以及Fe、V、Cu元素的添加对合金储氢性能和相结构的影响规律,优化出性能优良、适用于氢化物复合高压储氢器和金属氢化物高压压缩器的储氢合金,采用研制的储氢合金设计并研制出性能优异的工作压力为40MPa的氢化物复合高压储氢器和增压压力超过70MPa的金属氢化物高压压缩器样机。对Ti0.9Zr0.15CrxMn1.8-xV0.2 （x=1.4,0.9,0.5,0.2）和Ti0.95Zr0.05CrxMn1.75-xV0.2Fe0.05（x=1.1,0.9,0.7,0.5,0.3）系多元合金的研究结果表明：合金的主相均为C14 Laves相,并且存在少量的杂相。合金的晶格常数和晶胞体积都随Cr/Mn比的减小呈线性递减。随着Mn含量增加,Ti0.9Zr0.15CrxMn1.8-xV0.2系列合金的吸放氢平台压升高,倾斜因子减小,但滞后因子增大。Ti0.95Zr0.05CrxMn1.75-xV0.2Fe0.05系列合金吸放氢平台平坦且范围宽,吸氢量大,放氢率高。随着Cr/Mn比的减小和电子浓度e/a的增加,吸放氢平台压升高,吸放氢平台倾斜度减小,但滞后因子增大。其中Ti0.95Zr0.05Cr0.7Mn1.05V0.2Fe0.05合金的在273K时最大储氢量达到2.09wt.%,吸放氢平台压分别为2.13MPa、1.17MPa,滞后因子为0.60,具有优异的储氢特性,适合于作为氢化物复合高压储氢器用储氢合金。采用该合金与轻质高压储氢容器复合制作了氢化物复合高压储氢器,室温下体积储氢密度和质量储氢密度分别达到29.7kg H2/m-3和2.4wt.%。对Ti0.8Zr0.2Cr（2-x）/2Fe（2-x）/2Vx（x=0,0.1,0.2）和Ti0.8Zr0.2Cr1.9-xFexV0.1 （x=0.5,0.7,0.95,1.1,1.2）系列合金的研究结果表明：合金吸放氢前后都是由六方晶系的MgZn2（C14）结构组成,随着Cr/Fe比的降低,合金的晶格常数和晶胞体积呈线性递减,合金的吸放氢曲线均具有较宽的压力平台和良好的平台特性。随着V、Cu元素的引入,Ti0.8Zr0.2Cr（2-x）/2Fe（2-x）/2Vx系合金的吸氢量和吸氢速率显著提高。适量的V可以减小合金的滞后性和平台倾斜度,但是Cu的加入会增加滞后因子和倾斜度程度。当部分Ti被Zr替代时,吸氢量有所提高,但滞后性增加。同时,Ti0.8Zr0.2Cr1.9-xFex-V0.1（x=0.5,0.7,0.95,1.1,1.2）系列合金随着Cr/Fe比的减小,储氢量增加,但合金活化次数增加,饱和吸氢时间延长,a、B两相区域变宽,滞后性增加,平台倾斜度降低。其中,Ti0.8Zr0.2Cr0.95Fe0.95V0.1合金动力学性能良好,具有较为平坦的压力平台,在258K时最大储氢量为1.72wt.%,吸放氢平台压分别为2.54MPa、2.32MPa,滞后因子为0.09,吸放氢时的生成焓ΔH分别为-19.6kJ/mol H2和-20.5J/mol H2,该合金适合于作为高压氢化物压缩用储氢合金。采用该合金作为第二级高压压缩合金与AB5型稀土系合金La0.35Ce0.45Ca0.2Ni4.95Al0.05（作为第一级压缩合金）配对,设计并制作了容量为2000L的二级高压氢化物压缩机样机。当温度升高到423K时,该高压氢化物压缩机可提供74.5MPa的高压氢。

论文目录

  • 致谢
  • 摘要
  • Abstract
  • 1 绪论
  • 1.1 氢能源及储氢材料概况
  • 1.2 储氢合金的储氢机理
  • 1.2.1 储氢合金的热力学原理
  • 1.2.2 储氢合金的动力学原理
  • 1.2.3 储氢合金的活化机制
  • 1.3 储氢合金的研究概况
  • xBy型储氢合金'>1.3.1 AxBy型储氢合金
  • 1.3.2 非金属储氢材料
  • 1.3.3 金属配位氢化物
  • 1.4 储氢合金的制备及测试方法
  • 1.4.1 储氢合金的制备
  • 1.4.2 储氢合金的测试方法
  • 1.5 储氢合金的应用
  • 2 文献综述
  • 2.1 Ti-Cr-Mn基储氢合金的研究进展
  • 2.1.1 Ti-Cr基储氢合金的储氢性能
  • 2.1.2 Ti-Mn基储氢合金的储氢性能
  • 2.1.3 Ti-Cr-Mn三元储氢合金的储氢性能
  • 2.2 用于高压储氢容器的储氢合金的研究进展
  • 2.2.1 轻质高压储氢容器的发展现状
  • 2.2.2 高压储氢容器用氢化物的研究
  • 2.3 用于高压氢化物压缩器的储氢合金的研究进展
  • 2.3.1 高压氢化物压缩器的原理
  • 2.3.2 高压氢化物压缩器及其氢化物的研究现状
  • 2.4 问题的提出及本文的研究思路
  • 3 实验方法
  • 3.1 实验用原料
  • 3.2 储氢合金的成分设计及样品制备
  • 3.2.1 储氢合金的成分设计
  • 3.2.2 储氢合金的熔炼
  • 3.3 储氢合金的P-C-T测试装置
  • 3.3.1 低压储氢合金的p-c-T测试装置
  • 3.3.2 高压储氢合金的p-c-T测试装置
  • 3.4 储氢合金的组织及微结构分析
  • 3.5 储氢合金的P-C-T曲线测试
  • 3.5.1 实际气体的状态方程
  • 3.5.2 测试装置的空容标定
  • 3.5.3 储氢合金的活化及吸氢动力学的测试
  • 3.5.4 储氢合金吸放氢p-c-T曲线的测试
  • 0.95Zr0.05Cr（0.9-x/2）Mn（0.9-x/2）V0.2Mx（x-0.1,0.2;M=Fe,Cu,Ni）系合金的晶体结构和储氢特性'>4 Ti0.95Zr0.05Cr（0.9-x/2）Mn（0.9-x/2）V0.2Mx（x-0.1,0.2;M=Fe,Cu,Ni）系合金的晶体结构和储氢特性
  • 0.95Zr0.05Cr（0.9-x/2）Mn（0.9-x/2）V0.2Mx（x=0.1,0.2;M=Fe,Cu,Ni）系合金的晶体结构'>4.1 Ti0.95Zr0.05Cr（0.9-x/2）Mn（0.9-x/2）V0.2Mx（x=0.1,0.2;M=Fe,Cu,Ni）系合金的晶体结构
  • 0.95Zr0.05Cr（0.9-x/2）Mn（0.9-x/2）V0.2Mx（x=0.1,0.2;M=Fe,Cu,Ni）系合金的储氢特性'>4.2 Ti0.95Zr0.05Cr（0.9-x/2）Mn（0.9-x/2）V0.2Mx（x=0.1,0.2;M=Fe,Cu,Ni）系合金的储氢特性
  • 4.3 本章小结
  • 5 用于氢化物复合高压储氢器的储氢合金研究
  • 0.9Zr0.15CrxMn1.8-xV0.2（x=1.4,0.9,0.5,0.2）系合金的晶体结构和储氢特性'>5.1 Ti0.9Zr0.15CrxMn1.8-xV0.2（x=1.4,0.9,0.5,0.2）系合金的晶体结构和储氢特性
  • 0.9Zr0.15CrxMn1.8-xV0.2（x=1.4,0.9,0.5,0.2）系合金的晶体结构'>5.1.1 Ti0.9Zr0.15CrxMn1.8-xV0.2（x=1.4,0.9,0.5,0.2）系合金的晶体结构
  • 0.9Zr0.15CrxMn1.8-xV0.2（x=1.4,0.9,0.5,0.2）系合金的储氢特性'>5.1.2 Ti0.9Zr0.15CrxMn1.8-xV0.2（x=1.4,0.9,0.5,0.2）系合金的储氢特性
  • 0.9Zr0.15Cr0.2Mn1.6V0.2合金中添加少量Fe后的晶体结构和储氢特性'>5.2 Ti0.9Zr0.15Cr0.2Mn1.6V0.2合金中添加少量Fe后的晶体结构和储氢特性
  • 0.9Zr0.15Cr0.2Mn1.6V0.2合金中添加少量Fe后合金的晶体结构'>5.2.1 Ti0.9Zr0.15Cr0.2Mn1.6V0.2合金中添加少量Fe后合金的晶体结构
  • 0.9Zr0.15Cr0.2Mn1.6V0.2合金中添加少量Fe后合金的储氢特性'>5.2.2 Ti0.9Zr0.15Cr0.2Mn1.6V0.2合金中添加少量Fe后合金的储氢特性
  • 0.95Zr0.05CrxMn1.75-xV0.2Fe0.05（x=1.1,0.9,0.7,0.5,0.3）系合金的晶体结构和储氢特性'>5.3 Ti0.95Zr0.05CrxMn1.75-xV0.2Fe0.05（x=1.1,0.9,0.7,0.5,0.3）系合金的晶体结构和储氢特性
  • 0.95Zr0.05CrxMn1.75-xV0.2Fe0.05（x=1.1,0.9,0.7,0.5,0.3）系合金的晶体结构'>5.3.1 Ti0.95Zr0.05CrxMn1.75-xV0.2Fe0.05（x=1.1,0.9,0.7,0.5,0.3）系合金的晶体结构
  • 0.95Zr0.05CrxMn1.75-xV0.2Fe0.05（x=1.1,0.9,0.7,0.5,0.3）系合金的储氢特性'>5.3.2 Ti0.95Zr0.05CrxMn1.75-xV0.2Fe0.05（x=1.1,0.9,0.7,0.5,0.3）系合金的储氢特性
  • 0.95Zr0.05Cr0.7Mn1.05V0.2Fe0.05合金的动力学和热力学特性'>5.3.3 Ti0.95Zr0.05Cr0.7Mn1.05V0.2Fe0.05合金的动力学和热力学特性
  • 5.4 氢化物复合高压储氢器
  • 5.4.1 氢化物复合高压储氢器的结构
  • 5.4.2 氢化物复合高压储氢器的基本参数计算
  • 5.5 本章小结
  • 6 用于高压氢化物压缩器的储氢合金研究
  • 0.8Zr0.2Cr（2-x）/2Fe（2-x）/2Vx（x=0,0.1,0.2）系合金的晶体结构和储氢特性'>6.1 Ti0.8Zr0.2Cr（2-x）/2Fe（2-x）/2Vx（x=0,0.1,0.2）系合金的晶体结构和储氢特性
  • 0.8Zr0.2Cr（2-x）/2Fe（2-x）/2Vx（x=0,0.1,0.2）系合金的晶体结构'>6.1.1 Ti0.8Zr0.2Cr（2-x）/2Fe（2-x）/2Vx（x=0,0.1,0.2）系合金的晶体结构
  • 0.8Zr0.2Cr（2-x）/2Fe（2-x）/2Vx（x=0,0.1,0.2）系合金的储氢特性'>6.1.2 Ti0.8Zr0.2Cr（2-x）/2Fe（2-x）/2Vx（x=0,0.1,0.2）系合金的储氢特性
  • 0.8Zr0.2Cr0.95Fe0.95V0.1合金的压缩特性'>6.1.3 Ti0.8Zr0.2Cr0.95Fe0.95V0.1合金的压缩特性
  • 0.8Zr0.2Cr1.9-xFexV0.1（x=0.5,0.7,0.95,1.1,1.5）系合金的晶体结构和储氢特性'>6.2 Ti0.8Zr0.2Cr1.9-xFexV0.1（x=0.5,0.7,0.95,1.1,1.5）系合金的晶体结构和储氢特性
  • 0.8Zr0.2Cr1.9-xFexV0.1（x=0.5,0.7,0.95,1.1,1.5）系合金的晶体结构'>6.2.1 Ti0.8Zr0.2Cr1.9-xFexV0.1（x=0.5,0.7,0.95,1.1,1.5）系合金的晶体结构
  • 0.8Zr0.2Cr1.9-xFexV0.1（x=0.5,0.7,0.95,1.1,1.5）系合金的动力学特性'>6.2.2 Ti0.8Zr0.2Cr1.9-xFexV0.1（x=0.5,0.7,0.95,1.1,1.5）系合金的动力学特性
  • 0.8Zr0.2Cr1.9-xFexV0.1（x=0.5,0.7,0.95,1.1,1.5）系合金的热力学特性'>6.2.3 Ti0.8Zr0.2Cr1.9-xFexV0.1（x=0.5,0.7,0.95,1.1,1.5）系合金的热力学特性
  • 0.8Zr0.2Cr0.8Fe1.1V0.1合金的压缩特性'>6.2.4 Ti0.8Zr0.2Cr0.8Fe1.1V0.1合金的压缩特性
  • 6.3 高压氢化物压缩器样机的设计
  • 6.4 本章小结
  • 7 总结与展望
  • 0.95Zr0.05Cr（0.9-x/2）Mn(（0.9-x/2）V0.2Mx（x=0.1,0.2;M=Fe,Cu,Ni）系合金的晶体结构和储氢特性'>7.1 Ti0.95Zr0.05Cr（0.9-x/2）Mn(（0.9-x/2）V0.2Mx（x=0.1,0.2;M=Fe,Cu,Ni）系合金的晶体结构和储氢特性
  • 7.2 用于氢化物复合高压储氢器的储氢合金研究
  • 7.3 用于高压氢化物压缩器的储氢合金研究
  • 7.4 对今后研究工作的建议
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间发表的论文

    • 相关论文文献

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