AB5型贮氢合金性能及适配固态贮氢装置的设计研究

摘要

本论文研究工作包括AB5型贮氢合金的性能研究（气态贮氢和电化学贮氢）和与之适配的固态贮氢装置结构设计两部分。
　　在AB5型贮氢合金性能研究方面，以LaNi3.8Co1.1Mn0.1-xTiMn1.5(x=0wt.％、4wt.%、8wt.%)合金为研究对象，运用XRD、SEM等材料分析手段对合金结构进行了分析表征；利用等容压差法测试了贮氢合金的气态贮氢性能（333K、353K和383K）；利用模拟电池法、结合交流阻抗法（EIS）等电化学测试手段研究了合金的电化学贮氢性能（303K、313K和323K）。
　　研究工作表明：
　　1）制备的LaNi3.8Co1.1Mn0.1合金为具有典型LaNi5相结构的单相合金。熔炼掺杂适量TiMn1.5后，合金主相仍为LaNi5相，同时出现少量(CoNi)3Ti相，该相随掺杂量的增加而增加。
　　2）气态贮氢测试表明，LaNi3.8Co1.1Mn0.1合金333K时最大贮氢容量达1.38wt.%，TiMn1.5的熔炼掺杂使得合金贮氢容量稍微降低，但吸放氢平台压降低，滞后效应明显减小。高温有利于合金中氢的释放，同时随着TiMn1.5的掺杂合金的吸放氢动力学性能有所改善。
　　3）电化学测试表明，当测试温度由303K增加至323K时，LaNi3.8Co1.1Mn0.1合金电极的最大放电容量、高倍率放电性能及循环稳定性能均降低。EIS分析证实，合金电极中的氢扩散系数DH由303K时的3.8×10-7cm2/s分别增加至313K时的5.2×10-7cm2/s和323K时的6.0×10-7cm2/s，但表面交换电流密度I0由303K时的373mA/g分别降至313K时的299mA/g和323K时的93.25mA/g。
　　4）303K下 LaNi3.8Co1.1Mn0.1-xTiMn1.5(x=4wt.%、8wt.%)合金电极电化学测试结果表明，合金电极的最大放电容量和循环稳定性降低，自放电性能和合金电极高倍率放电性能（x=4wt.%）有一定改善。EIS分析证实，掺杂合金电极的氢扩散系数DH降低，由未掺杂时的3.8×10-7cm2/s，分别降至x=4wt.%时的3.4×10-7cm2/s和x=8wt.%时的0.7×10-7cm2/s；掺杂合金电极的表面交换电流密度I0在x=4wt.%增加，由未掺杂时的373mA/g增加至x=4wt.%时的522mA/g。
　　固态贮氢是氢能应用领域的一个热点，本研究结合AB5型贮氢合金特性开展了适配燃料电池使用的固态贮氢装置的设计研究。本工作创新性地设计出内部分层导热构架系统（包括十字形导热架和导热托盘），该设计可将装置内部和外部传热器件有效集成传热，解决了装置内部热传递问题。设计的换气阀配合上述内部分层导热构架实现的分层功效解决了装置内部传质问题。设计的外部循环水系统可以充分利用燃料电池工作产生的废热。另外，针对不同燃料电池特定的工作条件，设计了放氢参数灵活可调节的充放氢管路控制系统。综合而言，设计的装置是一种低成本、高能效的固态贮/放氢装置。

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第一章 绪论

§1.1 贮氢合金的贮氢原理

§1.2 镍氢电池的工作原理

§1.3 贮氢合金的分类和研究现状

§1.4 固态贮氢装置的研究现状

§1.5 本文研究的主要内容

第二章 实验原理及方法

§2.1 合金样品的制备

§2.2 合金样品的微结构分析

§2.3 合金样品的气态贮氢性能测试

§2.4 合金样品的电极充放电性能测试

§2.5 合金电极的动力学性能测试

第三章 LaNi3.8Co1.1Mn0.1-xTiMn1.5(x=0wt.%，4wt.%，8wt.%)合金结构和气态贮氢性能

§3.1 合金的相结构

§3.2 合金的活化性能

§3.3 合金的吸放氢PCT曲线及热力学分析

§3.4 合金的吸放氢动力学性能分析

§3.5 本章小结

第四章 LaNi3.8Co1.1Mn0.1-xTiMn1.5(x=0wt.%，4wt.%，8wt.%)合金的电化学性能

§4.1 LaNi3.8Co1.1Mn0.1合金电极充放电性能

§4.2 LaNi3.8Co1.1Mn0.1合金电极的动力学性能

§4.3 熔炼掺杂TiMn1.5后合金电极充放电性能

§4.4 熔炼掺杂TiMn1.5后合金电极的动力学性能

§4.5 本章小结

第五章 固态贮氢装置的研究设计

§5.1 基于PEM燃料电池的小型电源系统总体设计

§5.2 固态贮氢装置关键部分设计

§5.3 固态贮氢装置的总体设计及分析

§5.4 贮氢介质的选取

§5.5 本章小结

第六章 总结与展望

§6.1 本文研究的主要结论与创新点

§6.2 本文研究的意义及展望

参考文献

致谢

作者攻读硕士期间的主要研究成果