金屬氫化物熱泵原理

金屬氫化物熱泵的原理是通過(guò)氫氣與儲(chǔ)氫材料之間的可逆化學(xué)反應(yīng)，利用金屬氫化物吸熱放氫和吸氫放熱的特點(diǎn)，通過(guò)交替加熱冷卻，實(shí)現(xiàn)加熱或制冷的目的。其過(guò)程可用以下反應(yīng)式來(lái)表示，即：

M H₂?MHx ?H

反應(yīng)式中M為儲(chǔ)氫材料，NHx為對(duì)應(yīng)的金屬氫化物，?H為氫化物生成焓變。用于熱泵的金屬氫化物滿(mǎn)足Vant`tHoff方程，即：

式中P為氧化物平衡壓力，△S為氫化物分解熵變，R為氣體常數(shù)，F(xiàn)s為表示坪域平坦性的參數(shù)，F(xiàn)h為表示坪域滯后性的參數(shù)，Xo為吸儲(chǔ)氫的最大量（H∕合金），Xf吸儲(chǔ)氫量（H∕合金）。

氫化物熱泵式以氫氣（H₂）為工作介質(zhì)，以貯氫材料作為能連轉(zhuǎn)換材料，由同溫度下分解壓不同的兩種氫化物組成的熱力循環(huán)系統(tǒng)，利用他們的平衡壓差來(lái)去動(dòng)氫氣流動(dòng)，是兩種氫化物分別處于吸氫（放熱）和放氫（吸熱）狀態(tài)，從而達(dá)到升溫，增熱或制冷的目的 。

金屬氫化物熱泵是美國(guó)學(xué)者Terry提出的，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①可利用廢熱，太陽(yáng)能等低品位的熱源驅(qū)動(dòng)熱泵工作，是唯 一由熱驅(qū)動(dòng)，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件的熱泵；

②系統(tǒng)工作時(shí)只有氣固相作用，因而無(wú)腐蝕，且由于無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，因而無(wú)磨損，無(wú)噪聲；

③系統(tǒng)工作溫度范圍大，不存在氟利昂對(duì)大氣臭氧層的破壞作用；

④可達(dá)到夏季制冷冬季采暖雙效作用。

由于以上優(yōu)點(diǎn)，因而作為熱泵材料的金屬氫化物發(fā)展迅速 。

人類(lèi)面臨著能源危機(jī)，作為主要能源的石油，煤炭和天然氣由于長(zhǎng)期的過(guò)量開(kāi)采已瀕臨枯竭。由于一次能源越來(lái)開(kāi)越難以適應(yīng)人類(lèi)生存和發(fā)展需要，繼續(xù)尋找和開(kāi)發(fā)新能源，如太陽(yáng)能，生物質(zhì)能，氫能，風(fēng)能，潮汐能，地?zé)崮芗昂四艿取Ｔ诒姸嗟男履茉粗?，氫能因其資源豐富，發(fā)熱值高，清潔及熱效率高等優(yōu)點(diǎn)收到特別重視，因此21世紀(jì)被認(rèn)為是氫能時(shí)代。氫氣是輸運(yùn)和儲(chǔ)存是氫技術(shù)難以廣泛應(yīng)用的難題之一。金屬氫化物的儲(chǔ)氫密度與液氫相同或者更高，儲(chǔ)氫效率高。從安全性，輸運(yùn)和儲(chǔ)存等幾個(gè)反方面綜合衡量，儲(chǔ)氫合金具有廣泛的應(yīng)用前景 。

近10多年來(lái)，氫熱泵得到了迅速發(fā)展，在可逆熟化學(xué)循環(huán)領(lǐng)域里，吸收式氫熱泵巳成為金屬氫化物應(yīng)用中的一個(gè)富有吸引力的分支。與其它類(lèi)型的熱泵相比，氯熱泵無(wú)機(jī)槭運(yùn)動(dòng)部件，適用溫度范圍很寬(從-50°C到幾百攝氏度)，可利用低品位廢熱和太陽(yáng)能等。節(jié)約能耗，在一個(gè)系統(tǒng)中可適用空調(diào)制冷、增熱、升溫和能盤(pán)轉(zhuǎn)換等多種功能。此外，作為CFCs制冷方法的替代制冷方祛，很有競(jìng)爭(zhēng)力，并對(duì)保護(hù)臭氧層、減少酸雨和減緩溫室效應(yīng)等環(huán)境保護(hù)有重大作用。已有許多試驗(yàn)的和實(shí)用的氫熱泵裝置，如1976年美國(guó)L.Z.Terry提出氫熱泵制冷的第-一個(gè)專(zhuān)利。1976年美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室建成HYCSOS系統(tǒng)，集增熱采暖、 空調(diào)制冷和能量轉(zhuǎn)換于一體，美國(guó)于80年代初就建成制冷量為3.489kW和供熱量為3.5kW的升溫裝置。西德從1981年開(kāi)始組建一支用氫熱泵空調(diào)的汽車(chē)隊(duì)和家用氫熱泵系統(tǒng)。日本的研究規(guī)模最大，也最有成效，已建成348.9kW的氡熱泵。我國(guó)在金屬氫化物材料研究方面巳取得重大成就，在863計(jì)劃的資助下，我校開(kāi)展利用金屬氫化物的空調(diào)制冷裝置研究，主要技術(shù)指標(biāo)為;夏天空調(diào)室面積18~25m',空調(diào)溫度24~28°C，制冷能力3.489kW。

氫氣與多數(shù)金屬都能夠發(fā)生化合反應(yīng)，即多數(shù)金屬都有儲(chǔ)氫的功能。其中，氫氣與堿金屬和除鈹以外的堿土金屬的化合反應(yīng)一般在較高的溫度下進(jìn)行，而與d區(qū)或f區(qū)部分金屬化合則需要更為特殊的條件，如鎳（Ni）須在高壓下才能形成穩(wěn)定的氫化物。

在工業(yè)生產(chǎn)中，儲(chǔ)氫材料多為合金而非純金屬。世界上研究成功的儲(chǔ)氫合金大致分為：

（1）稀土鑭鎳，每千克鑭鎳合金可儲(chǔ)氫153L；

（2）鐵鈦合金，儲(chǔ)氫量大，價(jià)格低廉，能在常溫常壓下釋放氫；

（3）鎂系合金，是吸氫量最大的儲(chǔ)氫材料，但需要在287℃條件下才能釋放氫，而且吸收氫十分緩慢；

（4）釩、鈮、鉛等多元素系，這些金屬本身是稀貴金屬，因此只適用于某些特殊場(chǎng)合。

與其它儲(chǔ)氫方式相比，金屬氫化物儲(chǔ)氫具有壓力平穩(wěn)、充氫簡(jiǎn)單、安全方便等優(yōu)點(diǎn)，單位體積儲(chǔ)氫的密度可達(dá)相同溫度、壓力條件下氣態(tài)氫的1000倍。該儲(chǔ)氫方式存在的問(wèn)題為在大規(guī)模應(yīng)用中如何提高儲(chǔ)氫材料的儲(chǔ)氫量和降低材料成本并節(jié)約貴重金屬。國(guó)際能源機(jī)構(gòu)確定的未來(lái)新型儲(chǔ)素材料的標(biāo)準(zhǔn)為儲(chǔ)氫量應(yīng)大于5Wt%，并且能在溫和條件下吸放氫。根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)，儲(chǔ)氫合金大多尚不能滿(mǎn)足這一性能要求。 2100433B