專家專欄

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儲氫合金罐技術淺談

沈家傑 副教授

元智大學機械工程學系


儲氫合金罐因具有低壓、體積小及快速吸放氫的操作特性,近年來受到世人廣大的重視,目前已有許多相關研發產品,例如:儲氫罐、燃料電池機車、鎳氫電池與熱泵等,國際上計有日本JMC法國McPhy德國GfE美國BASF、新加坡Horizon及保加利亞LabTech等公司,國內有漢氫、亞太與博研等公司積極投入於此新興儲能領域的研究。

 圖1 LaNi5在室溫的吸氫反應PCT曲線。

 

儲氫合金主要是由與氫原子親合元素所組成的金屬材料,儲氫合金的吸放氫機制如反應式一所示,M代表固態的金屬合金材料,它與氫氣分子接觸時,氫氣分子會先吸附在金屬合金的表面,並藉由合金的觸媒效應將氫氣分子分解成氫原子,隨後氫原子擴散至金屬合金的內部晶格填隙位置,與金屬合金的原子發生化學反應,形成金屬氫化物(MHx)並同時釋放氫化熱量;另外,當外部系統供應熱至MHx時,MHx會發生解離反應,而回復至金屬合金材料狀態及釋放氫氣,金屬合金的吸氫與放氫反應具有可逆性。

      M(s)+ x/2 H2(g) → MHx(s) + heat          反應式一

圖2 填充LaNi5儲氫合金粉末的壓克力展示罐體(左側為氣嘴)。

 

常見的金屬合金材料種類計有:AB5 (LaNi5)、AB2 (TiMn2)、AB (TiFe)、AB3 (LaNi3)、A2B(Mg2Ni)、BCC-TiV與Mg等,合金的A元素即具有高度與氫原子結合能力的元素,而B元素則兼具催化氫氣分子分解的觸媒角色與調整合金的氫化熱量大小之功能元素。為了進一步調整儲氫合金的性能,材料工程師會添加適當的C元素(如Y、Zr、Al、Mn、Co或Sn等)取代其中的A或B元素之組成量,以LaNi5在室溫常壓條件為例,吸氫反應後所形成的金屬氫化物為LaNi5H6,LaNi5H6氫化物形成過程會釋放約~30 kJ/mol×H2的熱量;當微量3 at%的Al元素取代Ni的含量之後,所形成的金屬氫化物LaNi4.8Al0.2H~5.7之氫化熱量略增至33 kJ/mol×H2,因Al元素更能穩定LaNi4.8Al0.2的晶體結構,因此可有效延長儲氫合金的使用壽命。

儲氫合金製備方法有真空電弧熔煉法、高週波感應加熱法與機械合金球磨方法等,製備完成的儲氫合金可實施真空熱處理,以調整材料內部微結構,進而控制儲氫合金的氫化性能。 

鑑定儲氫合金的氫化性能之分析方法有體積法與重量法,前者是最常見的儲氫合金分析方法,因該方法以Sieverts設備可量測儲氫合金的PCT(pressure-composition-temperature)曲線,提供儲氫合金之a相固溶體與b氫化物的吸氫濃度,同時PCT曲線亦能清楚顯示儲氫合金的吸氫平台壓(即儲氫合金由a相固溶體轉變為b氫化物之平衡氫氣壓力),例如圖1為LaNi5在室溫的吸氫反應PCT曲線,LaNi5吸氫所形成的a相固溶體之吸氫濃度約0.1 H/M(H/M為吸氫量的單位,表示氫原子與金屬原子的莫耳比例),在3atm條件,大量的氫氣被吸收進入金屬合金內部,a相固溶體會轉變形成b相氫化物(氫濃度約1.0 H/M),隨後更高的氫氣壓力可略微增加b相氫化物至最高吸氫量。

儲氫合金罐由罐體、濾片(管)、氣體閥門、熱交換器及儲氫合金粉末等零組件所組成(如圖2儲氫合金罐)。罐體用來填充儲氫粉末,常見的罐體材質有不銹鋼、鋁合金及複合碳纖維等,氣體閥門安裝在罐體的進出口位置,控制儲氫合金的充氫與釋氫動作。儲氫合金實際應用時是以粉本型式充填於罐體內部,因此,罐體內需安裝濾片,才能防止儲氫合金粉末污染氣體閥門或外部管路零件與燃料電池,當要設計大型氫氣儲存量的儲氫合金罐時,罐體內部會安裝濾管及熱交換器,濾管能提高氫氣在罐體內部的質傳率,而熱交換器能將儲氫合金在吸氫反應的氫化熱導至罐體外部,以降低儲氫合金粉末的局部溫度,維持儲氫合金罐的充氫壓差量,增進儲氫合金粉末的吸氫速率;反之,在釋氫反應期間,罐體外的熱量藉由熱交換器能供應至儲氫合金粉末,維持儲氫合金罐的出口氫氣壓力及氫氣流速。

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