YDB 053-2010 通信用氢燃料电池固态储氢系统.pdf

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1、通信用氢燃料电池固态储氢系统 Solid hydrogen storage system of fuel cells for telecommunication 通信标准类技术报告 ICS 29.200 M 41 YDYDB 0532010备案号： 2010 09 - 29 印发 中国通信标准化协会 YDB 0532010 I 目 次 前 言 . 1 范围 .1 2 规范性引用文件 .1 3 术语和定义 1 4 产品系列 2 5 技术要求 2 6 试验方法 4 7 检验规则 7 8 标志、包装、运输、贮存 9 附录 A （规范性附录）建议试验用仪器 10 附录 B （资料性附录）固态储氢技术原

2、理和特点 .11 附录 C（资料性附录）固态储氢技术的应用情况 .13 YDB 0532010 II 前 言 本技术报告是通信用氢燃料电池固态储氢系统的技术报告。 本项技术研究将推进通信用氢燃料电池氢源系统的产业化进程，促进企业技术进步、提高产品质量，有利于产品的规范，有利于产品应用，更有利于引导行业产品的发展方向. 为适应信息通信业发展对通信标准文件的需要，在信息产业部统一安排下，对于技术尚在发展中，又需要有相应的标准性文件引导其发展的领域，由中国通信标准化协会组织制定“通信标准类技术报告”，推荐有关方面参考采用。有关对本技术报告的建议和意见，向中国通信标准化协会反映。 本技术报告由中国通信

3、标准化协会提出并归口。 本技术报告起草单位：北京有色金属研究总院、深圳市威安科技有限公司、工业和信息化部电信研究院、武汉银泰科技电源股份有限公司、天津市大陆制氢设备有限公司、中国移动通信集团公司、新源动力股份有限公司、上海攀业氢能源科技有限公司、艾默生网络能源有限公司 本技术报告主要起草人：李志念、王树茂、罗鸿业、吴京文、齐志刚、许卫、高健、石伟玉、董辉、董光宇。 YDB 0532010 1 通信用氢燃料电池固态储氢系统 1 范围 本技术报告规定了通信用氢燃料电池固态储氢系统的术语和定义、要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输和贮存。 本技术报告适用于通信用氢燃料电池固态储氢系统。 2 规

4、范性引用文件 下列文件中的条款通过本技术报告的引用而成为本技术报告的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本技术报告，然而，鼓励根据本技术报告达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本技术报告。 GB/T 191 包装储运图示标志 GB/T 2423.10-2008 电工电子产品环境试验 第 2 部分：试验方法 试验 Fc 和导则：振动（正弦） GB/T 2423.17-2008 电 工电子产品环境试验 第 2 部分: 试验方法 试验 Ka：盐雾 GB/T 2829-2002 周期检验计数抽样程序及表

5、（适用于对过程稳定性的检验检查） GB/T 3634.1-2006 氢气 第一部分 工业氢 GB/T 3873 通信设备产品包装通用技术条件 GB/T 16942-1997 电子工业用气体 氢 GB/T 24499-2009 氢气、氢能与氢能系统术语 YD/T 122-1997 邮电工业产品铭牌 3 术语和定义 下GB/T 24499 -2009 中及下列术语和定义适用于本技术报告。 3.1 储氢合金 hydrogen st orage alloys 可直接与氢气结合形成可逆金属氢化物的材料。 3.2 额定容量 rated c apacity 在规定的条件下，固态储氢模块（系统）所能提供的由制

6、造厂商标称的放氢量。 3.3 额定充氢速率 rated refil ling rate 在规定的条件下，固态储氢模块（系统）所能达到的由制造厂商标称的充氢速率。 3.4 额定放氢速率 rated discharging rate 在规定的条件下，固态储氢模块（系统）所能达到的由制造厂商标称的放氢速率。 3.5 额定充氢压力 rated hydro gen pressure 在规定的条件下，固态储氢模块（系统）在额定充氢速率下达到额定容量所需的最小充氢压力。 YDB 0532010 2 3.6 固态储氢模块solid-state hydrogen storage unit 一个完整的储氢系统单体

7、，包括储氢合金、外壳、阀门、内部结构和其它附属装置。 3.7 固态储氢系统 solid-state hydrogen storage system 由一系列固态储氢模块按照一定设计组成的一个独立、完整的系统，包括固态储氢模块、箱体、监测单元和其它附属装置。 注：固态储氢技术的原理和特点参见附录B，固态储氢技术的应用情况参见附录C。 4 产品系列 4.1 固态储氢模块的额定容量值 0.5 m3，1.0m3，1.5m3，2m3。 系统的型号依据 YD/T 638.3 的规定命名。 4.2 固态储氢系统的额定容量值 12m3，16m3，20m3，24m3。 注：当用户提出要求并与制造厂协商后，可以生

8、产系列数值以外的产品。 5 技术要求 5.1 使用条件 除非另有规定，固态储氢模块/系统应能在下列环境条件下正常运行： a) 海拔不超过3000m； b) 工作温度：-1050； c) 储存温度：-4060； d) 相对湿度：不大于 95%。 5.2 通用安全要求 由于固态储氢系统中有易燃易爆的氢气燃料，消除潜在危险很有必要。应按照以下顺序为其采取通用安全措施： a) 在储存的氢气燃料未释放时，首先应消除固态储氢系统外围的安全隐患； b) 对储存的氢气燃料进行控制（如采用防爆片、泄压阀、隔热构件等），确保放氢时不危及周围环境； c) 提供适当的、与残存危险有关的安全标记，例如：机械危险、电气危

9、险、电磁兼容性（EMC）危险、热危险、火灾和爆炸危险、故障危险、材料的危险、废物处置危险、环境危险等。 5.3 系统外观与结构 系统的外观和结构应符合下列要求： a) 系统外表应清洁，无机械损伤，接口触点无锈蚀； b) 系统表面应有清楚的产品标识； c）系统的供氢接口、充氢接口等应有明确的标识，并符合制造商产品图样。 d）系统应采用模块化结构，便于系统的装配、检测和维护。 e）系统应保证热交换的均匀和充分，并可合理利用燃料电池工作产生的热量。 5.4 固态储氢模块的安全性能 5.4.1 泄漏安全性能 YDB 0532010 3 在标准状态（0、101.325kPa）下，每 m3储氢容量的固态储

10、氢模块的氢气漏率应不大于 6cm3/h。 5.4.2 振动安全性能 按6.4的方法进行固态储氢模块的振动试验，模块应不发生容器破裂、变形等事故，振动试验后的模块应按6.3的方法进行气体泄漏试验并满足5.4.1的要求。 5.4.3 循环充（放）氢应力应变安全性能 按6.5的方法进行固态储氢模块的循环充（放）氢应力应变试验，试验结果应满足如下要求： a）在每50次连续循环测试中，每只应变片测定的最大应变量不应超过在最大设计应力极限下允许应变的50%，且应变量不再增加； b）循环充(放)氢应力应变试验完成后，所有模块应按6.3的方法进行气体泄露试验并符合5.4.1的要求，在水平和竖直方向上至少一个模

11、块应按6.7进行火烧试验并满足5.4.5的要求。 5.4.4 高（低）温工作安全性能 按6.6的方法进行固态储氢模块的冷热循环试验，进行试验后，所有模块应按6.3的方法进行泄漏试验并满足5.4.1的要求。 5.4.5 火烧安全性能 按 6.7 的方法进行固态储氢模块的火烧安全性能试验，固态储氢模块在试验过程中应无弹射物出现，并应满足如下条件之一： 固态储氢模块的泄压阀或其它泄压装置在火烧试验时开启，模块泄压至表压为零而不发生破裂； 所有进行火烧试验的固态储氢模块可火烧至少 20min 而不破裂。 5.5 系统的过压安全性能 固态储氢系统应安装泄压阀等过压保护装置，泄压阀的启动压力应低于储氢容器

12、、阀门、接头和氢气管线最大许用压力的 0.8 倍，并不大于系统额定充氢压力的 1.5 倍。 5.6 系统的耐腐蚀性 固态储氢系统中与氢气或储氢合金接触的容器、管线、阀门等在工作温度和压力下应不与氢气反应而脆化；容器外壳、截止阀和其它元器件应能在振动和潮湿条件下使用而不被损坏或腐蚀，应选择耐腐蚀材料或在以上部件上施加防腐涂层。 5.7 系统的储氢压力 固态储氢系统储存时的氢气压力应不高于 2.5MPa，工作时的氢气压力应不高于 1.5MPa。 5.8 系统的储氢容量 固态储氢系统额定容量的测定值与标称额定容量的负差值应不大于 5%。 5.9 模块的储氢密度 固态储氢模块的储氢密度应不低于 0.1

13、m3/kg。 5.10 系统的放氢纯度 固态储氢系统释放的氢气纯度应不低于 99.999%。 5.11 系统的放氢速率 固态储氢系统的额定放氢速率应不低于 2slpm/m3。 5.12 系统的充氢纯度 固态储氢系统充氢时的氢气纯度应不低于 99.95%。 5.13 系统的充氢压力 固态储氢系统充氢时的额定充氢压力应不高于 3.0MPa。 YDB 0532010 4 5.14 系统的充氢速率 固态储氢系统充氢时的额定充氢速率应不低于 2slpm/m3。 5.15 系统的循环充/放氢寿命 固态储氢系统的充(放)氢循环寿命应不低于 1000 次，即经过 1000 次充（放）氢循环后系统的容量保持率应

14、不低于 85%。 6 试验方法 6.1 试验前准备 6.1.1 试验环境条件 试验环境应符合下列条件： a）温度：15 35； b）湿度：45% 75% ； c）大气压力：86kPa 106kPa。 6.1.2 试验用仪表和设备 建议试验用仪表和设备见本技术报告附录 A。 6.2 外观与结构检查 目测系统的外观、标识、接口和结构，检查结果应符合 5.3 的要求。 6.3 泄漏试验 固态储氢模块的泄漏试验应在完全密闭的空间内进行，应充氢气、氦气或氢氦的混合气体，并按表 1 的条件依次进行泄漏试验，试验结果应符合 5.4.1 的要求。 表 1 固态储氢模块泄漏试验的温度和压力条件 温 度 压 力

15、最低工作温度 额定充氢压力 室温（1530） 额定充氢压力 最高工作温度 额定充氢压力 6.4 振动试验 按照GB/T 2423.10-2008中 “试验Fc” 的要求进行固态储氢模块的振动安全性能试验，频率为10 55Hz，振幅为 0.35mm，并以 1Hz/min的速率变化，一次频率往复循环周期控制在955min。试验结果应符合5.4.2 的要求。 6.5 循环充(放)氢应力应变试验 6.5.1 试验要求 a）对于设计在单一方向运输和使用的固态储氢系统，至少需要5个储氢模块在该方向上测试；对于可能在多个方向上使用的金属氢化物储氢系统，在水平和竖直两个相互垂直的方向上至少各需要3个储氢模块进

16、行测试； b）每一只待测的储氢容器均应安装足够多的应变片以测定吸放氢循环时容器的最大局部应变；最大应变量测定所需要的应变片的数量和位置的确定可以借助设计时的工程模型，包括容器制造商提供的应力分布和分析信息、内部构造和几何尺寸、储氢合金分布等；如果工程模型不能准确地确定最大应变位置点，则需要的应变片的数量和位置应通过经验，在至少两只储氢容器上密集安装应变片，并通过实际测试来确定； c）应采取必要的措施保护应变片，以免在长期测试和暴露在环境中对其造成损坏，如覆以耐化YDB 0532010 5 学腐蚀的环氧树脂薄膜；在循环测试的过程中，至少在循环过程的起始和结束时，应对应变片进行校准确保其能正常使用

17、，对不能正常使用的应及时更换； d）循环过程中充氢应从不高于额定容量的5%至不低于额定容量的95%，应采用额定充氢速率充氢并使温度保持在模块的工作温度范围内。 6.5.2 试验步骤 a）安装应力应变测试装置，连接气路，进行气密性检查，确保试验气路无氢气泄漏； b）固态储氢模块在额定充氢压力下充氢至最大吸氢容量，测量并记录达到最大吸氢容量时每只应变片的应变量； c）固态储氢模块在不低于额定放氢速率下放氢至储氢量不高于额定容量的5%，测量并记录每只应变片的应变量； d）重复b 、 c过程，直至进行至少100 次循环，试验结果应符合5.4.3 的要求；如在连续循环过程中，应变量超过设计极限或容器材料

18、出现塑性变形，应停止试验。 6.6 高（低）温工作试验 6.6.1 试验要求 a) 对于设计在单一方向运输和使用的固态储氢系统，至少需要5个固态储氢模块在该方向上进行试验；对于可能在多个方向上使用的固态储氢系统，至少在水平和竖直两个相互垂直的方向上各需要3个固态储氢模块进行试验； b) 固态储氢模块应充氢至额定容量，并置于控温箱内，控温箱可在2h内由固态储氢模块的最低工作温度升至其最高工作温度，反之亦然。 6.6.2 试验步骤 a）将待测固态储氢模块应充氢至额定容量； b) 将充氢后的模块置于控温箱里，在60min内，将箱体温度从20升至50； c）将固态储氢模块在502保温至少1h； d）在

19、60min内，将箱体温度从50降至20；然后在60min内，将箱体温度降至-10； e）将固态储氢模块在-102保温至少1h； f）在60min内，将箱体温度升至20； g）将a) 到e) 的过程重复50 次，试验结果应符合5.4.4 的要求。 6.7 火烧试验 6.7.1 试验要求 a）至少 3 只将要使用或运输的固态储氢模块按不同的朝向进行火烧试验；对于没有规定使用或运输朝向的储氢模块，至少需要 3 只分别按水平、竖直和另一任意方向进行火烧试验，如有可能，至少要进行一次泄压阀正对火源和一次泄压阀与火源成 180角的试验； b）固态储氢模块的整个宽度方向应置于最大长度为 1.65m 的火源中

20、；对于长度小于 1.65m 的模块，火源应吞没整个模块；对于长度超过 1.65m 或因装配多个泄压阀而空间长度大于 1.65m 的模块，需要在水平方向上进行火源部分吞没模块的测试；如果模块长度大于 1.65m 且泄压阀装配在其一端，则模块的另一端应置于火源中；如果泄压阀装配在模块的两端或在长度方向上的不同位置，火源应置于泄压阀最大水平间距的中间位置； c）对于长度小于或等于 0.3m 的固态储氢模块，温度测试仪器应安装在距离模块各端 0.05m 以内但不与模块表面接触的位置；在测试方向上，待测的固态储氢模块应距离燃料至少 0.1m 或更高以确保能被火焰完全吞没；火源产生的火焰应能吞没整个模块。

21、应对截止阀、配件和（或）泄压阀进YDB 0532010 6 行防护以使其免受火焰的直接冲击； d）在充分考虑燃料燃烧可能对周围环境造成的污染和影响的前提下，可采用能提供均匀热量且在特定的测试条件下能维持燃烧至少 20min 的任何燃料；火烧测试应在有合适的通风设施内或在开放的地面上进行，以保证安全；应详细记录火情状况以保证模块的受热情况能再现。 e）试验前,固态储氢模块应充氢至额定容量。 6.7.2 数据监视和记录 固态储氢模块的温度和压力信号应能远程监视和记录，数据时间间隔15s，应安装泄压阀以便当测试设备或系统出现故障时，装置可实现泄压；在记录的同时，每次试验时，还应记录如下试验信息： a

22、）固态储氢模块制造厂商和型号； b）泄压装置的类型和标称值； c）固态储氢模块的放置方向（竖直，水平或倒立）； d）泄压装置的放置位置和方向； e）固态储氢模块经历的吸放氢循环次数； f）泄压装置触发反应时间和测试完成耗费的时间； g）环境温度； h）风向和风速； i）试验员； j）证明人； k）测试日期； l）温度和压力数据； m）试验结果，试验结果应符合5.4.5的要求。 注：进行过 6.5 循环充( 放) 氢应力应变试验的固态储氢模块可用于火烧试验。 6.8 系统的过压试验 将系统氢气压力升高到额定充氢压力的 1.5 倍以上，检查系统过压保护装置是否正常工作，试验结果应符合 5.5 的要

23、求。 6.9 耐腐蚀性试验 按照 GB/T 2423.17-2008 中的试验方法对样品进行 48h 的盐雾试验，试验后的样品应符合 5.6 的要求。 6.10 放氢性能试验 6.10.1 试验要求 每批次系统取不少于 5 只同样规格的固态储氢模块进行试验，同样工况条件下应进行不低于 2次重复试验，取平均值。 6.10.2 试验步骤 a）将待测储氢模块固定于测试台，连接气路，进行气密性检查，确保检测气路无氢气泄漏，安装检测热电偶； b）根据固态储氢模块额定放氢速率设定仪器流量控制值； c）开启检测仪器，打开固态储氢模块放氢阀，同时进行放氢速率、放氢容量、氢气压力和容器表面温度的测量并实时记录，

24、系统的储氢压力和储氢容量应分别符合 5.7 和 5.8 的要求； YDB 0532010 7 d）称量固态储氢模块的重量，根据其储氢容量和重量的试验值，计算固态储氢模块的储氢密度（单位：m3/kg） ，试验结果应符合 5.9 的要求； e）按 GB/T 16942-1997 中的试验方法测定固态储氢系统放氢的氢气纯度，结果应符合 5.10 的要求； f）进行放氢速率、放氢容量、氢气压力和容器表面温度的测量并实时记录，系统的放氢速率应分别符合 5.11 的要求； 6.11 充氢性能试验 6.11.1 试验要求 每批次系统取不少于 5 只同样规格的固态储氢模块进行试验，同样工况条件下应进行不低于

25、2次重复试验，取平均值。 6.11.2 试验步骤 a）将待测储氢模块固定于测试台，连接气路，进行气密性检查，确保检测气路无氢气泄漏，安装检测热电偶； b）按 GB/T 3634.1-2006 中的试验方法测定固态储氢系统充氢的氢气纯度，结果应符合 5.12 的要求。 c）根据固态储氢模块的额定充氢压力设定充氢压力控制值，其额定充氢压力应符合 5.13 的要求； d）开启检测仪器，打开固态储氢模块充氢阀，同时进行充氢时间、充氢容量和氢气压力的测量和记录； e）将固态储氢模块充氢至额定容量，根据充氢时间和充氢容量的试验值，计算固态储氢模块的充氢速率，试验结果应符合 5.14 的要求。 6.12 系

26、统循环充/放氢寿命试验 按以下步骤进行试验： a）固态储氢系统在不高于 50下，以不低于额定放氢速率放氢至 0.15MPa，搁置 1h； b）固态储氢系统在不高于 50和额定充氢压力下，以不低于额定充氢速率充氢至额定容量的80%； c）固态储氢系统在不低于 0下，以不低于额定放氢速率放氢至 0.15MPa，即完成一次循环； d）固态储氢系统按 b）c）步骤连续重复 24 次； e）循环 25 次为一个周期，第 24 次循环结束后，第 25 次循环以额定充氢速率充氢至实际容量的 105%（即过充实际容量的 5%） ，若某个周期的第 25 次循环的放氢容量小于额定容量的 85%，则停止循环寿命试验

27、，试验结果应符合 5.15 的要求。 7 检验规则 7.1 检验分类 产品检验分为出厂检验和型式试验。 7.2 出厂检验 每套系统出厂时均需进行出厂检验。有一项性能指标不符合要求，即为不合格，应返修复检。复检再不合格，则不能发给合格证。检验合格后，填写检验记录并发给合格证方能出厂。出厂检验分全检和抽检两种，可根据情况任选一种。 7.3 型式检验 YDB 0532010 8 型式检验按周期检查进行，一般 l 年进行一次。具有下列情况之一的均需做型式检验： a) 产品停产一个周期以上又恢复生产； b) 转厂生产再试制定型； c) 正式生产后，如结构、材料、工艺有较大改变； d) 产品投产前签定或质

28、量监督机构提出。 型式检验按 GB/T 28292002 进行，采用判别水平的二次抽样方案。产品质量以不合格数表示。产品的不合格判定分 B 和 C 两类。 产品不合格质量水平 RQL 值见表 2。 表 2 RQL 值 不合格分类 RQL 抽样方案 B类 2,0;22,1;250 C类 3,0;24,3;280 型式检验项目的 B、C 类不合格、要求及检验方法见表 3。 表 3 检验项目及判定 不合格判定 出厂检验 序号 项 目 B C 全检 抽样型式 检验 要 求 试验方法1 系统的外观和结构 5.3 6.2 2 固态储氢模块的泄漏安全性能 5.4.1 6.3 3 固态储氢模块的振动安全性能

29、5.4.2 6.4 4 固态储氢模块的循环充（放）氢应力应变安全性能 5.4.3 6.5 5 固态储氢模块的高（低）温工作安全性能 5.4.4 6.6 6 固态储氢模块的火烧安全性能 5.4.5 6.7 7 系统的过压安全性能 5.5 6.8 7 系统的耐腐蚀性 5.6 6.9 8 系统的储氢压力 5.7 6.10 9 系统的储氢容量 5.8 6.10 10 系统的储氢密度 5.9 6.10 11 系统的放氢纯度 5.10 6.10 11 系统的放氢速率 5.11 6.10 12 系统的充氢纯度 5.12 6.11 13 系统的充氢压力 5.13 6.11 14 系统的充氢速率 5.14 6.

30、11 15 系统的循环充/ 放氢寿命 5.15 6.12 YDB 0532010 9 8 标志、包装、运输、贮存 8.1 标志 8.1 产品标志 在产品的适当位置应有标志，产品铭牌的内容、外观、性能应符合 YD/T 122-1997 标准的规定。 8.2 包装标志 产品包装上应有标志并符合 GB/T 191 的规定。 8.3 其他标志 8.3.1 氢气接口标志 应当明确标识系统中氢气的入口和出口。 8.3.2 警示标志 存在危险的部位应使用警示标志，例如：易燃气体。 8.2 包装 产品包装应防潮、防振，并应符合 GB/T 3873 规定。 产品随带文件： a） 产品合格证； b） 产品说明书；

31、 c） 材料安全性一览表：应包含氢气泄漏和（或）储氢系统破裂，储氢合金与反应物如空气和水可能的反应及处理要求； d） 用户操作手册：应包含产品指定的最低工作条件、氢气质量、充氢步骤、循环和处理信息和（或）其它使用的有关限制，包括使用或存储点的最低通风条件，定期测试和检验的最小间隔时间等； e） 装箱清单； f） 其他技术资料。 8.3 运输 产品在运输中，应有遮篷，不应有剧烈振动、撞击等。 管道、阀门和接头应有防止碰撞的防护装置。 8.4 储存 产品储存应符合GB/T 3873 的规定。 YDB 0532010 10 附 录 A （规范性附录） 建议试验用仪表和设备 A.1 温度测试仪 测温范

32、围：（-100300）。 测温精度：0.1。 A.2 氢气流量测量控制仪 测量范围：0200L/min。 测量精度：不低于0.2FS。 A.3 氢气压力变送器 测量范围：05MPa。 测量精度：不低于 0.75。 A 4 四极质谱仪 灵敏度：1ppm。 A.5 恒温恒湿试验箱 温控范围： （-70200）。 升降温速率：不低于本技术报告的要求。 温控误差： 2。 A.6 振动、冲击试验台 应符合本技术报告相关试验要求。 YDB 0532010 11 附 录 B （资料性附录） 固态储氢技术的原理和特点 B.1 固态储氢技术的原理 所谓固态储氢，是指在适宜的温度和压力条件下，将氢气与能够氢化的金

33、属（合金）化合，以固体金属氢化物的形式储存氢气，并在改变条件(加热或降压)时，氢化物能够发生分解释放出氢气。 当储氢金属（合金）与氢气接触时，首先形成固溶体，固溶度 C H与平衡氢压 P H2遵循 Sievert 定律： （B.1） 21/2HPCH固溶饱和后，在一定温度、压力条件下，与氢反应生成氢化物： 222xyMHH MH Hyx yx+ +（B.2） 式中 M 为金属（合金） ； MH y为金属（合金）的氢化物；H 为反应的焓变。 对于上述反应，根据 Gibbs 相律，若温度一定，则压力一定，此压力为反应的平衡压力。储氢金属（合金）的氢化反应为可逆反应，材料吸氢时为放热反应，放氢时为吸

34、热反应。因此，改变反应的温度或压力条件，即可控制反应的方向。这一点是储氢金属（合金）工程应用所依据的最基本特性。 图 B.1 金属氢化物的 PCI 曲线 金属（合金）氢体系的相平衡一般用压力与组成的等温图线（Pressure composition isotherm, PCI）表征。典型的 PCI 曲线如图 B.1 所示，图中三条等温图线分别表示三个温度下压力与组成的关系。以在 T1 温度的 PCI 曲线为例，说明金属（合金）氢体系的相平衡特征。在 ab段，氢固溶进入金属（合金）晶格内形成固溶体 相，固溶度随氢压升高而增加。到达 b 点后，固溶体中氢原子的浓度超出固溶度极限，开始生成金属氢化物

35、即 相。bc 段平台区是 相和 相的共存区域，在氢压基本保持不变的情况下 相连续转变为 相，氢浓度显著增加。至 c 点，相已完全转变为 相，继续升高氢压，氢可以继续固溶进入 相，并有可能形成新的氢化物和出现新的平台。PCI 曲线的平台宽度反映了氢压的少量变化对氢浓度的影响。随温度增加，平台压升高，平台的宽度减小，意味着升高温度就会有氢气放出，即低温吸氢，高温放氢，这也正是金属（合YDB 0532010 12 金）的储氢原理。 PCI 曲线是衡量储氢金属（合金）储氢性能的重要依据，通过 PCI 曲线可以直接了解氢化物的氢含量、平衡氢压、平台起始浓度、滞后效应，也可以推算出氢化物的生成焓和反应熵。

36、这些热力学参数既是鉴定金属（合金）储氢性能的主要指标，也是探索新型储氢合金的依据。根据式 B.2 的平衡，可以推导出平衡氢压(PH 2)与温度（T）的关系，即 Vant Hoff 方程4： 2ln( )HH SPRT R=（1.3） H 和S 分别是反应焓和反应熵，根据 Vant Hoff 方程绘出的 ln(PH 2)与 1/T 的关系图，即 Vant Hoff 图线，如图 B.1 右侧所示，在 Vant Hoff 图线中，ln(PH 2)与 1/T 在一定的温度范围内基本呈直线关系，由直线斜率和 y 轴截距可以分别求出H 和S。 B.2 固态储氢技术的特点 B.2.1 固态储氢技术储氢压力低

37、，安全性好，使用寿命长。 首先，固态储氢技术的氢气储存压力在 2.5MPa 以内，远低于普通高压钢瓶的 15MPa 和碳纤维复合瓶的（3570）MPa。由于储存和使用的压力很低，相对于高压气瓶，固态储氢的氢气泄露风险大大降低。其次，固态储氢技术储存的氢气以金属氢化物的形式存在，储氢容器内只用氢气和固体颗粒，没有任何溶液或腐蚀性物质，长期储存不会发生自腐蚀、自放氢和容量衰减现象。且由于容器内氢气压力低，大大降低了器壁氢脆风险，因此，在不遭受外界破坏和严重的环境侵蚀时，可长期放置。此外，储氢合金具有优良的循环使用寿命性能。目前， 部分实用的储氢材料在循环吸放氢 5000次后，其储氢容量仍可达初始容

38、量的 80%以上。如以每年 200 次吸放氢循环计算，则材料的使用寿命可达 25 年。 B.2.2 固态储氢技术放氢纯度高、有利于提高燃料电池的工作效率和使用寿命。 燃料电池工作时，膜催化剂对杂质气体如 NH 3、NO 2、CO 2、CO 等非常敏感，微量的杂质气体即可导致催化剂部分或全部中毒而失去活性，从而缩短电池的使用寿命。目前，使用寿命短是制约燃料电池大规模应用的一个重要因素。由于储氢材料可吸附上述杂质气体，实现对 H 2的纯化，因此，对固态储氢系统充入普通纯氢，便可释放出纯度达 6N（99.9999）的超高纯氢，从而大大降低燃料电池膜催化剂的中毒风险，有效提高燃料电池的工作效率和使用寿

39、命。 B.2.3 固态储氢技术放氢吸热，有利于燃料电池工作的散热，提高整个系统的能量效率。 目前，燃料电池正常工作时的发电效率约为 50%，其余能量基本转化为热能。以 2KW 燃料电池为例，其在额定功率下工作，每分钟的发热量为 120kJ，耗氢量约为 30L/min，即 1.34mol H2，实用的储氢合金放氢需要吸收的热量约为 2740kJ/mol.H 2，即每分钟的吸热量为 3654 kJ，储氢合金可以吸收掉燃料电池工作热量的 3045%，所以通过合理的一体化结构设计，燃料电池电源工作释放的热量可确保储氢系统的正常工作，而储氢系统吸收的热量可大大缓解燃料电池的散热负担，提高系统的整体能量利

40、用效率。 B.2.4 固态储氢技术储氢密度大，系统体积小，结构紧凑。 固态储氢模块的体积储氢密度可达 50kgH 2/m3，是标况下 H 2体积密度的 560 倍，分别是普通高压氢气钢瓶和超高压碳纤维复合瓶的 4 倍和 2 倍以上。 B.2.5 固态储氢技术再充氢压力低，充氢方便。 固态储氢系统在室温下的充氢压力一般不高于 3MPa，可方便地实现在线充氢，操作简便、安全。 YDB 0532010 13 附 录 C （资料性附录） 固态储氢技术的应用情况 C.1 固态储氢技术的现状和应用 固态储氢技术已在多个领域得到广泛应用，利用其气固相储氢特性可开发出贮氢器、氢能汽车燃料罐，用于无污染的氢能汽

41、车，还可用于氢及其同位素（氘、氚）的纯化精制、回收与分离；利用其电化学储氢特性可开发出 Ni/MH 电池；利用其吸放氢过程产生的热效应可开发出热泵和空调等；利用其氢平衡压随温度变化而显著变化的特性可开发出氢化物静态压缩机、机器人驱动装置、温度传感器等。 C.1.1 在氢燃料电池中的应用 随着氢燃料电池技术的飞速发展，固态储氢系统已在各种固定式和移动式氢燃料电池电站中逐步得到应用。在固定式应用方面，主要为分布式燃料电池电站供氢。分布式供电是指将发电系统以小规模（数千瓦至 50MW 的小型模块式）、分散式的方式布置在用户附近，可独立地输出电、热或（冷）能的系统。2003 年在美国、加拿大发生的大范

42、围电网停电事故，使人们对分布式电站格外感兴趣。可再生能源分布式发电系统对能源密度的要求远低于集中供电方式，而且，通过与氢能技术相结合，可在很大程度上克服可再生能源资源不稳定和能源密度低的缺点。因此，分布式燃料电池电站具有较大的优势。由于固定式应用对氢能储存系统的重量储氢率要求不高，固态储氢材料具有较大的应用潜力，国内外研究单位已开发出一系列储氢器用于固定式氢能系统。如德国生产的大型储氢器的储氢容量可达 2000m3，在国内，北京有色金属研究总院设计研制了十几种不同规格的储氢器（如图 c.1 所示） ，容量从 15L 到 10m3不等，其最高储氢率达 50kgH2/m3，并成功解决了储氢器的传热

43、传质及与使用端接口等技术难题，已形成批产化能力。累计出口日本逾百套，主要用于备用燃料电池电源的氢源系统，用户反馈效果良好。 YDB 0532010 14 固态储氢技术在车载氢燃料电池上有巨大的应用前景。由于储氢材料的体积储氢密度很高 固态储氢合金与氢反应过程中的热效应，开发热能的化学贮存和输送技术，图 c.1 金属 氢化物系列储氢器 ，氢系统在相同储氢量下与钢瓶法储氢（容积 47L，压力 15MPa，贮氢量约 7m3）相比，其储氢容积可减小到后者的 1/31/4，而且可将压力降到 2MPa 以下，使用安全，没有爆炸危险。采用固态储氢系统作为氢燃料电池汽车燃料箱，不仅能部分或全部取代汽油，而且几

44、乎不排放污染环境的有害气体，有利于环保，世界上很多国家都在致力于开发这种氢能汽车。近年来，随着燃料电池技术的飞速发展，世界各主要汽车厂家都相继开发出了一系列的燃料电池客车、中巴车和小轿车；我国第一辆燃料电池车于 1999 年 12 月在清华大学试验成功，燃料电池由氢气和氧气驱动，最高速度20km/h，一次加氢的续驶里程 80km。“十五”以来，在国家“863”电动汽车重大专项等项目的支持下，我国氢燃料电池汽车技术取得长足进步，先后开发出燃料电池城市客车、燃料电池轿车和燃料电池观光车等系列氢能汽车，实现了一系列的技术突破，达到了国际先进水平。如清华大学开发的“清能”系列客车，上海同济大学与上汽集

45、团共同研发的“超越”系列轿车，武汉理工大学与东风汽车公司共同研发的“楚天”系列轿车等，为未来氢能汽车普及应用奠定了良好的技术基础。 考虑到氢燃料电池驱动的电动汽车按 500km 续驶里程和汽车油箱的通常容量推算，储氢材料的重量储氢密度需达到 6.5%以上才能满足实际应用的要求。由于已开发的储氢合金还达不到移动式储氢的要求，目前，世界上仅日本丰田公司研制出应用于燃料电池汽车上的固态储氢系统。固态储氢系统主要用于小型移动式氢燃料电池中，如美国氢能公司以固态储氢装置供氢，开发出了氢燃料电池驱动的残疾人轮椅车，以及 40W 的燃料电池便携电源，用于手提电脑、便携式收音机或其他便携设备；日本公司采用固态

46、储氢装置供氢，研制出了小型燃料电池照明电源。我国北京有色金属研究总院、浙江大学、南开大学和中科院微系统与信息技术研究所都在固态储氢技术的研究方面有所建树，开发出适合小型燃料电池用固态储氢系统，供应国内外企业和研究单位。 C.1.2 在热能系统中的应用 在热能应用方面，利用储YDB 0532010 15 中，需要超高纯氢气，利用储氢合金对氢气的选最重要的应用之一，近年来，随着汽油/ 电动混合动力汽车的开发，大大储氢系统在通信领域的应用 已有大量的实际应用，截至目前为止，已经使用了数千套。如美可以进行蓄热或废热回收。用固态储氢技术蓄热主要是要选择与各种废热温度相适应的储氢合金，使其生成热大。如适合于-30 0 冷热源的 Ti-Cr-Mn 合金；适于室温至 100的有 Mm-Ni 系合金；适于 100 150的有 Ti-Co 系和 Ti-Fe-Ni 系合金；适于 300的镁基合金等。固态储氢技术蓄热的优点是贮存过程中没有热损失，还可以得到比废热源温度高的热能（称增热技术），能充分回收利用废热以节能。日本已使用 6.5 吨储氢合金制成了 1260MJ/h 的大型热泵。 C.1.3 在氢及其同位素的纯化、回收与分离中的应用 在集成电路、半导体器件、电子材料和光纤等产业择性吸收功能制成氢气纯化器，在氢气纯化器中，储氢合金选择吸氢，而对杂质气体不吸收。当储氢合金吸氢饱和后，将