能貯存氫氣的金屬–貯氫合金
99/10/08
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蘇明德｜
嘉義大學應用化學系
氫做為能源使用的優點是發熱量大、清潔、資源豐富，可謂取之不盡，用之不竭，因此被譽為 21 世紀最有希望的新能源之一。然而，要實現氫能源的使用，必須解決 3 個關鍵問題：大量廉價氫的製取、氫的貯存和運輸、氫的使用。
為了解決氫的貯存和運輸問題，首先想到的是把氫氣直接貯存在鋼瓶中。事實上這種做法是不可取的，因為即使在 15 兆帕的高壓下，瓶中所裝氫氣的質量還不到鋼瓶本身的百分之一，而且很不安全，一旦洩漏後遇到火花就會爆炸。
若把氫氣變成液體後再貯存，不僅需要攝氏零下 252.6 度的超低溫設備，而且要放在隔熱的容器中，因此需要很大的裝置空間，只能用在一些特殊的場合，如以液態氫為燃料，液態氧做助燃劑的宇宙火箭上。
若把氫氣以固體的形式貯存起來，不僅體積小，而且貯氫量大。1972 年，科學家成功地在 1,000 億帕的高壓下製得了金屬氫，用它直接做為燃料是十分理想的。但問題是壓力太高，目前還無法在較低壓力下製得穩定的金屬氫。
若採用「貯氫金屬」來貯氫和運氫，與貯存氫氣的鋼瓶和貯存液氫的貯箱相比，不僅質量和體積都很小，而且貯氫量很大，是一種很有前景的方法。
所謂「貯氫合金」或「貯氫金屬」(或稱儲氫合金)，是利用金屬合金或金屬與氫氣反應，形成合金氫化物或金屬氫化物，使氫氣以固體的形式貯存起來，稍微改變條件，合金氫化物或金屬氫化物就會放出氫氣並變回合金或金屬。因此，用「貯氫合金」或「貯氫金屬」來貯氫、運氫和用氫都十分方便。雖然一些純金屬如鈀、鈾等具有較好的貯氫功能，但價格較貴；一些合金雖貯氫性能並非最好，但比較便宜，因此「貯氫合金」是氫能開發利用中最有希望採用的材料。
「貯氫合金」的貯氫性能是在偶然情況下發現的。那是在 1974 年某天，日本松下電器產業中央研究所的研究人員把鈦—錳合金和氫氣一起裝入容器後，驚奇地發現氫氣的壓力居然從 1,013.25 千帕降到 101.325 千帕，顯示減少的氫氣是被鈦—錳合金「吃掉」的，而且「胃口」相當大，被鈦—錳合金吃進的氫氣體積比它本身大 1,000 ～ 3,000 倍。
鈦—錳合金為什麼能吃進氫氣，使氫氣貯存起來呢？研究發現，金屬之所以能貯氫是因為它們在形成晶體時，原子雖然採最密堆積的方式，但是在整個晶體中仍有許多空隙，能容納原子半徑較小的氫原子，並與氫原子形成氫化物。
在「貯氫合金」中，1 個金屬原子大約與 2、3 個，甚至更多個氫原子結合成合金氫化物，但仍保持合金的晶體結構。一旦條件改變，如稍微加熱，氫原子就會從晶體空隙中跑出來，並以氫氣的形式放出，同時合金的晶體也會恢復原狀。因此，合金的貯氫過程是可逆的，有人稱它為「可逆貯氫」。「貯氫合金」不僅貯氫量大，且可以反覆使用，因而被人們看好。
但是，並不是所有的合金都可以做為「貯氫合金」材料使用，具有實用價值的貯氫合金必須滿足下列條件。首先，貯氫量要大；第二，吸氫和放氫都容易，只要稍稍加熱就可以放氫且速度要快；第三，使用壽命長和價格便宜。
目前，有很多正在研究和開發的「貯氫合金」，但歸納起來主要有 4 大系列。第 1 個系列是鎂系貯氫合金，如二氫化鎂、鎂—鎳合金等；第 2 個系列是稀土系貯氫合金，如鑭—鎳合金、混合稀土鎳—錳合金、混合稀土鎳—鋁合金等；第 3 個系列是鈦系貯氫合金，如二氫化鈦、鈦—錳合金等；第 4 個系列是鋯系貯氫合金。
「貯氫合金」的應用前景十分廣闊，人們設想用「貯氫金屬」或「貯氫合金」來淨化氫氣。當把不純的氫氣與「貯氫合金」或「貯氫金屬」作用時，只有氫氣才能進入金屬晶體形成氫化物，雜質便留在外面，進而達到與雜質分離的目的。當改變條件再讓氫氣放出時，所得到的已經是高純度的氫氣了。
例如，使不純的氫氣在常溫常壓下與金屬鈀作用，然後減壓並加熱到攝氏 100 度，就可以獲取純度高於 99.999999％ 的超高純氫氣。如果用混合稀土貯氫合金處理含有氫氣、氧氣、氮氣、二氧化碳、一氧化碳等氣體的工業廢氣時，可以獲得純度高於 99.9999％ 的超純氫。
人們也設想把「貯氫合金」引入汽車和家用廚房設備做為氫燃料使用，其中燃氫汽車是最具吸引力的。最大的吸引力在於用氫做燃料，既不會汙染環境，又能提高熱效率。
人們從 1965 年就開始在這方面進行嘗試，目前實務上要利用這項技術還有相當難度，主要的問題是貯氫合金的氫燃料箱比現用的汽油箱重得多。例如，一個貯存 40 公斤汽油同等能量的鎂鎳合金氫燃料箱質量達 100 公斤。1980年中國研製成的第1輛氫能汽車，氫燃料箱的重量是 90 公斤，車內可乘坐12人，車速是每小時四十多公里。德國試驗的燃氫汽車，採用鐵合金氫燃料箱，其重量達 200 公斤，車速每小時最快可行駛 130 公里。
人們又設想把「貯氫合金」或「貯氫金屬」做為電極，以製造新型化學電源的關鍵元件。例如利用「貯氫合金」製造鎳—氫電池，以代替近年一直活躍在化學電源領域中的鎘—鎳電池。
我們知道，鎘—鎳電池的性能十分優異，它的應用相當廣泛，小到電子手表、電子計算機、電動玩具、電動工具、高級電腦中的記憶體，大到礦燈、航標燈，乃至飛行探測器等，都用鎘—鎳電池做為電源。有一種密閉式的鎘—鎳電池，還能用於飛機起動、火箭和 V2 飛彈，以及衛星上。例如，人造衛星在白天依靠衛星表面的太陽能電池方陣供電，夜間則由鎘—鎳電池供電。鎘—鎳電池的最大問題是做為電池負極的鎘會引起鎘汙染，因此許多國家已明確規定要少用或不用鎘—鎳電池。
現在大力開發的鎳—氫電池，仍用鎳做為正電極以保持鎘—鎳電池中鎳電極的先進性，負電極則採用鈦—鎳或鑭—鎳合金。當電池充電時，負極產生的氫氣被貯存在鑭—鎳合金上；當電池放電時，鑭—鎳合金釋放出氫氣，再由氫氣完成電化學反應。鎳—氫電池的電容量是鎘—鎳電池的 1.5 倍，且它的開路電壓和價格與鎘—鎳電池相當，因此鎳—氫電池的性能遠優於鎘—鎳電池。正因如此，早在 1991 年，鎳—氫電池就已投入市場。
人們還設想用「貯氫合金」來貯熱與運熱。因為氫氣進入合金晶格的過程是放熱的，反之，「貯氫合金」放出氫氣的過程是吸熱的。當工廠低溫排放出熱量或太陽能作用在「貯氫合金」上時，「貯氫合金」就吸收外界的熱而放出氫氣，並把放出的氫氣累積在貯罐中保存。到夜間或需要熱的時候，只要對貯氫罐施加少量的壓力，罐中的氫氣就會重新進入「貯氫合金」，同時放出熱量。在這個可逆過程中，氫氣沒有消耗，只是與「貯氫合金」一起構成了一個蓄熱器。
人們還設想用「貯氫合金」解決電廠供電需求不穩的問題。由於用電尖峰和用電離峰時的用電量相差很多，造成電廠的供電需求不穩，如夜間許多工廠停工，發電廠的電力就過剩。由於電能是過程性能源，它的貯存很困難，因此在一般情況下只能白白放空。如果設法利用夜間電廠用電離峰時的過剩電力來分解水獲取氫氣，並用「貯氫合金」把所得的氫氣貯存起來，當白天電廠的電力供不應求時，就能用「貯氫合金」釋放出的氫讓氫—氧燃料電池發電，以彌補電廠電力的不足。
根據「貯氫合金」解決電廠供電需求不穩的原理，可以解決一些自然能源不能連續供電的問題。例如，太陽能發電、風能發電、潮汐能發電等，都會受到自然條件的影響，不可能連續穩定供電。如果人們利用有陽光、風及潮汐時所發的電分解水製取氫氣，並用「貯氫合金」把所得的氫氣貯存起來，等到這些發電廠不能發電時，再使「貯氫合金」釋放出的氫氣通過氫—氧燃料電池發電，就可以提高發電系統供電的連續性。
人們對「貯氫合金」的應用還有許多構想，如把它應用在金屬粉末製造、中子減速、空調製冷等。
