CN114087528B - 一种利用微波进行金属氢化物储氢的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

一种利用微波进行金属氢化物储氢的装置及方法
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.)。
2)催化、元素掺杂、复合化：单一纳米化的改善效果有效，故往往在纳米化基础上，辅以催化、元素掺杂或复合化等改性措施。催化通过改变氢吸附/脱附反应路径，降低能垒。如纯镁表面氢解离需克服1.15eV反应能垒(相当于300℃以上反应温度)，在V、Ti等过渡金属催化下，其能垒可降至0.201eV(Mg-V)和0.103eV(Mg-Ti)。高电负性非金属元素B、N掺杂比金属掺杂具有更好的去稳定性能，脱氢能可降至27-45kJ/mol H2。复合其他储氢相同样是通过不同储氢相之间反应，不同温度下形成不同中间产物，改变MgH2反应路径。如MgH2+LiBH4+C复合储氢材料在150℃形成Li2B12H12中间产物，实现低温可逆储氢，但其氢容量仅有1wt％。因此，上述改性基本以牺牲储氢量(动力学)来降低反应温度(热力学)，且由于所添的亲氢元素与氢之间仍具有较强的离子或共价键合，脱氢温度难以降至150℃以下。(Journal of Alloys and Compounds,2017,693:979–988；International Journal ofHydrogen Energy,2016,41:18550–18561；International Journal of Hydrogen Energy,2016,41:22104–22117.)
3)传热强化：金属氢化物储氢过程热效应显著，而粉末材料的热导率小(-1W/(mK))，反应热易积聚，故吸放氢反应往往受限于传热过程。一般通过添加膨胀石墨、耦合换热管(翅片)、相变储热等方法，强化导/传热以快速移除或产生热量，维持反应推动力。但上述方法均需附加额外冷/热装置，通过换热流体移除或提供热量。而额外辅助装置势必造成金属氢化物为储氢介质的氢源系统(含储氢器和辅助装置)质量、体积储氢密度大幅降低。(International Journal of Hydrogen Energy,2017,42:30661–30682；Applied Energy,2020,278:115682.)
不难发现，上述方法基本围绕储氢材料和床层，其无论是通过强化传质还是改善传热，均无法兼顾提升质(储氢量等)与热(温度等)两方面的指标，热力学改善(降温度)往往以牺牲动力学(减容量)为代价。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种利用微波进行金属氢化物储氢的装置及方法，以解决现有技术中难以同时提升储氢量和降低吸氢温度两方面指标的问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种利用微波进行金属氢化物储氢的装置，包括储氢反应器壳体，所述储氢反应器壳体的上端设置有微波发生装置，微波发生装置的下部插入在储氢反应器壳体内；
储氢反应器壳体内部的下部分设置有储氢床层，储氢床层中装填有储氢颗粒；所述储氢颗粒为能够与氢气形成氢化物的金属，所述储氢颗粒的上端部具有尖端或凸起的结构；
所述储氢反应器壳体的侧壁上开设有氢气进口和氢气出口。
本发明的进一步改进在于：
优选的，所述储氢颗粒为I族、II族或III族金属。
优选的，所述储氢颗粒为镁元素。
优选的，储氢颗粒在储氢反应器壳体内为不规则放置。
优选的，所述储氢反应器壳体中设置有导热材料，所述储氢颗粒和导热材料混合设置在储氢反应器壳体中；氢气进口通入的为纯氢气体，或者是含有氢气的混合气体。
优选的，所述导热材料为石墨烯或铝粉。
优选的，所述微波发生装置包括微波调谐器，微波调谐器包括传导部分和发射部分；传导部分的下端穿过储氢反应器壳体，传导部分的下端和发射部分连接，发射部分在储氢反应器壳体内；传导部分上部分的两侧设置有相对的波导和微波发生器。
优选的，所述氢气进口中设置有氢气进口阀门，所述氢气出口中设置有氢气出口阀门。
一种基于上述的利用微波进行金属氢化物储氢的装置的方法，
储氢时，从氢气进口进入氢气，关闭氢气出口；微波发生器产生微波，微波产生的电磁场在储氢颗粒的尖端富集电荷，富集电荷产生电晕放电，形成电场，电场击穿在储氢床层上方的氢气，氢气产生出氢负离子，氢负离子和储氢颗粒结合生成金属氢化物；
放氢时，关闭氢气进口，打开氢气出口，微波发生器发出微波，微波产生的电磁场产生的热量加热储氢床层，提高储氢床层温度至满足金属氢化物脱氢温度时，金属氢化物中的氢原子逸出，直至金属氢化物成为原金属，完成放氢操作。
优选的，所述微波发生器发出的微波波长为122mm时，频率为912MHz；发出的微波波长为329mm时，频率为2450MHz。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种利用微波进行金属氢化物储氢的装置，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。
进一步的，储氢颗粒可以为Mg、Al、Li、Ca等I、II、III主族金属，为可以与氢气反应生成氢化物的元素。
进一步的，储氢反应器中填充有足量的储氢材料，使得在吸氢阶段能够释放出足够多的电场，击穿氢气产生氢离子和储氢颗粒发生反应；同时在放氢阶段能够有足够多的金属氢化物释放出氢气。
进一步地，由于金属氢化物一般不是导体，微波无法通过金属氢化物产生“加热效应”。因此本发明在反应床层内混合少量导热率高、密度小和床层覆盖率高的导热材料来提高床层的导热性能。
进一步，金属氢化物床层中添加的导热材料可以选择石墨烯、铝粉等良好导电导热材料；环境气体可以使用纯氢气氛，也可以是含有氢气的混合气体氛围。
进一步的，微波发生器包括微波调谐器、微波发生器和波导，能够产生微波。
进一步的，微波频率为912MHz或2450MHz的工业加热常用频率。
进一步的，氢气进口中设置有氢气进口阀门，氢气出口中设置有氢气出口阀门，用于控制氢气的输入和输出。
本发明还公开了一种利用微波进行金属氢化物储氢的装置的方法，在吸氢过程中，该方法利用耦合微波发生器的储氢反应器使储氢金属尖端富集电荷，达到一定强度后放电击穿环境气体并电离为活性氢负离子，该活性氢负离子可以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，避免了以往脱氢反应所需要的高温条件。同时利用微波加热效应对添加导热材料的金属氢化物床层进行加热，促进脱氢反应的进行，进一步提高脱氢速率。
附图说明
图1为本发明的耦合微波发生器的储氢反应器示意图。
图2为本发明吸氢过程微波与储氢金属相互作用微观示意图。
图3为本发明脱氢过程微波与金属氢化物相互作用微观示意图。
其中，1为波导；2为微波发生器；3为微波调谐器；4为氢气出口阀门；5为氢气进口阀门；6为储氢反应器壳体；7为储氢颗粒；8为导热材料；9为氢原子；10为微波；11为储氢床层；12为电晕；13为氢负离子；14为正负电荷；15为“微天线”针状金属颗粒示意；16为微波热效应；17为尖端放电区域；18为金属氢化物结构；19为氢负离子迁移后氢空位；20为脱氢后金属氢化物结构；21为微波壳体；301-发射部分；302-传导部分。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明涉及一种利用微波改善金属氢化物储氢性能的方法及装置。在吸氢过程中，利用耦合微波发生装置的储氢反应器使储氢金属尖端富集电荷，达到一定强度后放电击穿环境气体并电离为活性氢负离子，该活性氢负离子可以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，避免了以往脱氢反应所需要的高温条件。同时利用微波加热效应对添加导热材料的金属氢化物床层进行加热，促进脱氢反应的进行，进一步提高脱氢速率。
如图1所述的耦合微波发生器的储氢反应器。该反应器由两大部分构成，分别是微波发生装置和储氢反应器。微波发生装置由微波发生器2，波导1和微波调谐器3组成，其作用是为储氢反应提供微波作用。储氢反应器主要由储氢反应器壳体6，储氢反应床层11，氢气进口阀门5和出口阀门4组成。
具体的，储氢反应器壳体6内的下部分装载有储氢反应床层11，储氢反应器壳体6内部的上部分设置有微波调谐器3，微波调谐器3包括一体连接的发射部分301和传导部分302，传导部分302和发射部分301相互垂直；发射部分301在储氢反应器壳体6内，传导部分302设置在微波壳体21中，微波壳体21设置在储氢反应器壳体6的上端，传导部分302穿过储氢反应壳体6的上端与发射部分301的上端连接；微波壳体21的两侧分别连接有波导1和微波发生器2，微波发生器2和波导1在微波壳体21的两侧相对设置，微波发生器2和波导1均和传导部分302的上部分相对，使得微波发生器2发出的微波能够通过传导部分302传递至发射部分301。微波发生器2发出的微波为工业加热常用频率，具体的为：微波波长为122mm，频率为912MHz或波长为329mm，频率为2450MHz。
储氢反应器壳体6的侧壁上开设有氢气进气口和氢气出气口，氢气进气口中设置有氢气进口阀门5，氢气出气口中设置有氢气出口阀门。反应的气体为纯氢或者含氢气氛。储氢反应器壳体6能够为圆筒状、立方体状等形状，并无限制，能够满足工作需求即可。
储氢床层7中包括导热材料8和储氢颗粒7，储氢颗粒和导热材料进行混合后，填充至储氢反应器中。导热材料8可以为石墨烯、铝粉等良好导电导热材料。
更为具体的，储氢颗粒7为纯金属，如Mg、Al、Li、Na、K、Ca等I、II、III主族金属，储氢颗粒7选用的金属需要能够和氢气发生反应。
储氢颗粒7的结构为上端为尖端或凸起的结构，如天线状、针状、突刺状，下端面的截面积大于上端面的截面积，使得能够产生尖端聚电效应，同时下端能够将整个储氢颗粒7稳定的设置在导热材料8中。
参见图2，在储氢反应器中内填充处理成具有“微天线”结构的储氢金属颗粒15作为反应床层，主要目的是增强微波诱导金属放电能力，代表材料可以选择Mg系储氢金属。
另一方面，由于金属氢化物一般不是导体，无法利用微波热效应实现脱氢，因此在储氢床层11中可以混合少量导热率高，密度小和体积大的导热材料。在微波热效应下，为微波诱导金属氢化物还原脱氢提供热源，强化氢负离子扩散，且增强床层的热输运能力。由于石墨烯介电常数和电子迁移率高，仅单层石墨烯相对介电常数达到～3，易被微波加热，因此优先选择石墨烯作为导热材料。
储氢颗粒7采用离子束刻蚀法、水热法、离子束刻蚀法等方法构造储氢颗粒7，以调控金属形状结构。
储氢金属针状“微天线”结构的构造可以选择离子束刻蚀法。当然金属针状“微天线”结构的获得方法不仅限于离子刻蚀法，还包括其他方法。本实施例中以离子刻蚀法说明储氢颗粒7的制备过程。首先用溅射镀膜在样品台底层表面镀上纳米到微米级厚的金属层，在金属层表面涂胶(50～500nm厚的正胶瑞红)，以g-line紫外光(波长：432nm，能量密度：58mJ/cm2)作为辐射源透过掩膜对样品进行曝光，再用0.4％NaOH溶液对其进行显影处理1～5min，通过光刻将针状制作在瑞红上，借助离子束将没有被瑞红保护的金属刻蚀掉，剩余的正胶瑞红用乙醇溶液去胶，最后获得带有尖端或凸起的结构，为储氢颗粒。
通过上述装置进行吸氢和放氢的方法步骤为：
在布置完储氢床层之后，可以进行储氢操作。具体储氢过程可以分为两个阶段，分别是吸氢阶段和放氢阶段。具体吸氢阶段的微观原理如图2所示。在吸氢阶段，打开氢气进口阀门5，氢气进入整个储氢反应器壳体中，微波产生的电磁场在储氢颗粒7尖端富集电荷14，产生电晕放电12，形成电场，电场达到一定强度，则可以击穿在储氢床层11上方的氢气。氢气被电离后可以产生具有非平衡高能态的活性氢负离子13，活性氢负离子可以很容易与储氢颗粒7结合生成金属氢化物，从而实现对氢气的储存。采用微波诱导金属放电电离氢气产生活性氢负离子的方法能够显著降低反应能垒，激活原本需要一定条件下才能发生的反应，能够大大减少能量消耗，简化反应条件。以金属镁储氢反应为例，通常情况下需要在300℃以上才能实现吸氢反应。如果采用金属诱导放电技术降低吸氢反应能垒，则可以将吸氢温度降低至远远低于300℃，甚至有望实现室温吸氢。
放氢阶段的微观原理如图3所示。在放氢阶段需要关闭氢气进口阀门，打开氢气出口阀门。放氢阶段在微波10和导热材料8共同作用下可以通过微波加热技术放出热量以满足金属氢化物18脱氢时的温度要求，具体的温度与储氢材料脱氢温度要求确定，如镁基材料的脱氢温度为300℃左右。脱氢时金属氢化物中的氢原子9逐渐逸出形成具有氢空位的金属氢化物20。直到氢原子不断逸出，金属氢化物被复原为储氢金属继续进行下一步的吸氢操作，至此这样就完成了一个储氢循环。
综上所述，本发明公开的采用微波改善金属氢化物储氢性能的方法，利用微波诱导放电技术在吸氢时诱导储氢金属放电电离氢为活性氢负离子，激发反应活性。在放氢时利用微波对导热材料的热效应，为金属氢化物提供放氢所需温度，触发金属氢化物内氢负离子扩散，形成氢空位还原脱氢。
本发明有别于常规改善金属氢化物储氢性能方法，另辟蹊径，从氢气工质入手，引入微波电磁作用来改善储氢金属的储氢性能，在满足储氢动力学所需条件的同时又能够不降低储氢密度，实现了动力学和性能的协调优化。在宏观层面，该金属氢化物储氢优化方法不仅能够节约能源，减少了原本需要提供反应条件的辅助设备，简化了反应器结构，减少了储氢的整体成本，是一种非常具有前景的改善金属氢化物储氢性能的方法。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种利用微波进行金属氢化物储氢的装置的储氢放氢方法，其特征在于，所述利用微波进行金属氢化物储氢的装置包括：
储氢反应器壳体（6），所述储氢反应器壳体（6）的上端设置有微波发生装置，微波发生装置的下部插入在储氢反应器壳体（6）内；
储氢反应器壳体（6）内部的下部分设置有储氢床层（11），储氢床层（11）中装填有储氢颗粒（7）；所述储氢颗粒（7）为能够与氢气形成氢化物的金属，所述储氢颗粒（7）的上端部具有尖端或凸起的结构；
所述储氢反应器壳体（6）的侧壁上开设有氢气进口和氢气出口；
所述储氢颗粒（7）为I族、II族或III族金属；
所述储氢颗粒（7）为镁元素；
所述储氢反应器壳体（6）中设置有导热材料（8），所述储氢颗粒（7）和导热材料（8）混合设置在储氢反应器壳体（6）中；氢气进口通入的为纯氢气体，或者是含有氢气的混合气体；
所述导热材料（8）为石墨烯或铝粉；
储氢时，从氢气进口进入氢气，关闭氢气出口；微波发生器（2）产生微波，微波产生的电磁场在储氢颗粒（7）的尖端富集电荷（14），富集电荷（14）产生电晕放电，形成电场（12），电场（12）击穿在储氢床层（11）上方的氢气，氢气产生出氢负离子（13），氢负离子（13）和储氢颗粒（7）结合生成金属氢化物；
放氢时，关闭氢气进口，打开氢气出口，微波发生器（2）发出微波，微波产生的电磁场产生的热量加热储氢床层，提高储氢床层温度至满足金属氢化物脱氢温度时，金属氢化物中的氢原子逸出，直至金属氢化物成为原金属，完成放氢操作。
2.根据权利要求1所述的利用微波进行金属氢化物储氢的装置的储氢放氢方法，其特征在于，储氢颗粒（7）在储氢反应器壳体（6）内为不规则放置。
3.根据权利要求1所述的利用微波进行金属氢化物储氢的装置的储氢放氢方法，其特征在于，所述微波发生装置包括微波调谐器（3），微波调谐器（3）包括传导部分（302）和发射部分（301）；传导部分（302）的下端穿过储氢反应器壳体（6），传导部分（302）的下端和发射部分（301）连接，发射部分（301）在储氢反应器壳体（6）内；传导部分（302）上部分的两侧设置有相对的波导（1）和微波发生器（2）。
4.根据权利要求1所述的一种利用微波进行金属氢化物储氢的装置的储氢放氢方法，所述氢气进口中设置有氢气进口阀门（5），所述氢气出口中设置有氢气出口阀门（4）。
5.根据权利要求1所述的一种利用微波进行金属氢化物储氢的装置的方法，其特征在于，所述微波发生器（2）发出的微波波长为122 mm时，频率为912 MHz；发出的微波波长为329 mm时，频率为2450 MHz。
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US7896950B2 (en) * 2006-02-21 2011-03-01 Yashen Xia Plasma-aided method and apparatus for hydrogen storage and adsorption of gases into porous powder
US20090098421A1 (en) * 2007-04-24 2009-04-16 Mills Randell L Hydrogen-Catalyst Reactor
US9739422B2 (en) * 2007-09-18 2017-08-22 Paul H. Smith, Jr. Hydrogen energy systems
US9123925B2 (en) * 2007-09-18 2015-09-01 Paul H. Smith, Jr. Hydrogen energy systems
EP2877773A4 (en) * 2012-07-24 2016-04-06 Paul H Smith Jr HYDROGEN ENERGY SYSTEMS
CN101717072A (zh) * 2009-12-07 2010-06-02 北京化工大学 一种使用活性炭微球储存氢气和二氧化碳的方法
EP3498664B1 (en) * 2017-12-15 2020-08-19 Airbus Defence and Space GmbH Hydrogen-storage device for hydrogen-storage

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