[发明专利]一种利用微波进行金属氢化物储氢的装置及方法

说明书

本发明公开了一种利用微波进行金属氢化物储氢的装置及方法，该装置采用耦合的微波发生装置和储氢反应器。微波发生装置能够在储氢床层的上方为储氢反应提供微波作用，储氢反应器主要由圆筒状的储氢反应器壳体，储氢反应床层，氢气进口阀门和出口阀门组成，其作用是为金属与氢气的反应提供反应场所。该装置中要求储氢金属形状为天线状、针状、突刺状等带有尖端或突起的结构，以诱导金属尖端放电，进而富集电荷。该结构在吸氢过程中发射微波诱导产生活性氢负离子，改善储氢金属难以快速、低能耗储氢的缺点。在脱氢过程中，采用微波诱导活性氢负离子扩散，形成氢空位，激发还原脱氢，降低脱氢温度。

技术领域

本发明属于金属储氢性能优化技术领域，具体涉及一种利用微波进行金属氢化物储氢的装置及方法。

背景技术

传统高压储氢即使在70MPa超高压下，质量和体积储氢密度等核心指标仍无法达到国际权威机构美国能源部DOE对车载储氢要求。不同于高压储氢，固态储氢具有高质量和体积密度、安全、经济等优点，相同里程下固态储氢器体积最小，被列入我国《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》重点行动。金属氢化物储氢具有来源丰富、优异可逆循环性、长寿命、成熟制备工艺等优点，被视为未来最可能实现氢储运和车载氢动力规模化的储氢技术之一。因此，基于金属氢化物的高密度、快速、低能耗储氢技术有望推动氢能大规模应用，是目前世界储氢领域研究的热点问题之一。

金属储氢反应伴随着显著热效应。主要原因在于金属与氢之间强烈的离子键混合部分共价键，热稳定性高，因此大部分金属吸氢时要维持较高的温度才能完成吸氢过程。例如镁基金属，在吸氢过程中需要维持300℃左右的高温环境，这样会导致吸氢反应条件苛刻，难以在常规条件下完成反应，而且过高的温度会增加能耗使得储氢经济性下降。此外，金属储氢是典型的气固可逆反应，而且粉末材料的热导率小(-1W/(m K))，反应热积聚易造成氢平衡压随温度急剧升高，致使反应推动力(外氢压与平衡氢压之差)大幅下降，严重抑制反应传质过程。因此吸氢受反应放热负反馈抑制，导致反应动力学缓慢。

目前为了改善储氢热/动力学性能，主要有以下几种方法：

1)纳米化：纳米材料的尺寸效应致使其具有良好物理和化学性质。以金属镁储氢为例。研究发现：1μm晶粒尺寸几乎不吸氢，而降至50nm时，储氢量和动力学性能明显提升。其性能改善归纳于：一方面，纳米颗粒细化，表面能增加，出现能级较低的原子配位与键合，意味Mg-H强键在纳米化后有所弱化；另一方面，纳米化后表面原子更多，而表面原子比本体原子具有更少相邻镁原子，反应活性和氢环境(扩散通道)更好。然而，理论计算表明：即使MgH₂原子簇尺寸降至0.9nm(原子尺寸级，极限值)，其脱氢温度仍高达200℃(Journal ofAlloys and Compounds,1997,253-254:70–79；Applied Physics A,2001,72:157–165.)。