氫技術和熱分析(三)

4. 以氫為燃料的裝置和工藝

一旦氫氣被創造和儲存並可供（移動）使用，它的高能量密度允許各種應用。

最常見的是用作還原劑、燃料、載氣以及合成碳水化合物、氨等分子。一個經常使用的應用是金屬的燒結。

金屬或含有金屬氧化物的工件通常是通過將粉末壓縮成所謂的生坯來製造的。這些生坯隨後通過在低於熔點的溫度下加熱來固化，這一過程稱為燒結。在燒結過程中觀察到尺寸減小。因此，可以通過測量尺寸來研究燒結過程。這通常在膨脹計中完成（參見應用示例）。

為了避免氧化並降低最終產品的氧化物含量，可以在含氫氣氛或什至純氫氣氛中進行燒結。

由於其在氫氣安全技術方面的知識，LINSEIS 能夠提供用於純氫氣環境的膨脹計。膨脹計可用於還原氣氛中的氫燒結或膨脹測量。除氣與安全燃燒單元相連接，系統連接到氫氣檢測器，該檢測器可以關閉系統並在氫氣釋放不受控制的情況下用惰性氣體沖洗系統。

應用實例：金屬粉末的H2燒結

信息圖標該示例顯示了用作催化劑的金屬粉末生坯的氫燒結。

應用 H2 燒結金屬粉末

測量結果顯示了在絕對氫氣氣氛中根據燒結曲線（下部曲線）加熱的壓制燒結金屬粉末的燒結曲線。

在燒結過程中，氫氣會減少樣品中所含的氧氣，並導致更高的密度和更低的金屬氧化物百分比。因此，氣體氣氛以及燒結剖面對結果有顯著影響。

藍色曲線表示相對膨脹和收縮，紅色曲線表示絕對值。在 500°C 和 1400°C 之間的第二個加熱階段可以觀察到主要的燒結步驟。

5. 燃料電池技術

儘管如此，氫最有趣和最常提到的應用是燃料電池，它可以用於許多不同的情況，從為建築物供電和供熱到為增加續航里程的汽車提供動力。它們是將儲存的能量從氫轉化為電能的關鍵部分。

在燃料電池中，氫氣與空氣反應生成水。該反應不直接通過燃燒產生熱量使用，而是在燃料電池中產生電能：該方案顯示了氫燃料電池的示意圖。

目的是通過氫氣和氧氣的反應“按需”產生電能。與經典的直接反應相反，在經典的直接反應中，水是在以熱量形式大量釋放能量的情況下形成的（想像一下被點燃的氫氧混合氣），燃料電池有兩個腔室，包含兩種化合物。

在這些室的中間，有一個膜，允許氫擴散但不允許任何其他分子擴散。在氧氣室部位的膜表面，氫氣和氧氣發生反應，導致水被帶出電池。這會導致膜上氫濃度的降低，並導致更多的氫分子向膜移動。通過氫擴散到含氧室，在膜上產生一些電壓。這是現在釋放的能量而不是熱量，可用於操作發動機。

燃料電池技術

由於可以控制氫氣室中的氫氣濃度，因此可以像在汽油發動機中一樣輕鬆控制膜處的擴散速率。因此，氫氣可以被視為“燃料”。該膜覆蓋有由貴金屬組成的電極材料。這些金屬充當催化劑並作用於燃料電池的工作條件（溫度、電壓等）。

由於氫驅動燃料電池可以在高達 1000°C 的高溫下工作，並且用於組裝的焊料必須具有熱穩定性、化學穩定性和機械穩定性，因此熱分析再次發揮作用。燃料電池的工作條件取決於可用作催化劑的材料。

因此，用於表徵催化劑的所有技術都可以在氫技術中得到應用。因此，需要大量的材料科學知識，許多分析技術將有助於研究材料。在這種情況下，我們將專注於熱分析技術。

一些儲氫應用在有時超過 100 bar 的高壓下運行，因此加壓分析儀是有用的。此外，由於氫氣與氧氣/空氣的高反應性，所有分析技術都需要採取預防措施。因此，所有設備都必須配備安全功能，以避免發生爆炸的風險。

	PEMFC*	亞足聯**	DMFC*	PAFC*	MCFC***	商務部***
工作溫度	40 – 90°C	40 – 200°C	60 – 130°C	200℃	650℃	40 – 90°C
燃料	氫氣 (/CO2)	H2	甲醇	氫氣 (/CO2)	CH4、H2、CO	CH4、H2、CO
電解質	聚合物	氫氧化鉀	聚合物	磷酸	熔融碳酸鹽	固體氧化物

*貴金屬 **貴金屬/非貴金屬 ***非貴金屬

應用實例：表面儲存的氫氣釋放

以下應用示例展示了熱分析和材料科學設備在氫能和燃料電池技術領域的應用：

信息圖標儲氫可以作為表面吸附、孔吸附或化學吸收進行。對於大多數金屬，表面吸附是最有前途的方式，因為它很容易實現，而且氫的釋放可以很好地控制。因此，研究了許多具有高比表面積的金屬。
應用表面儲存的氫釋放

氫化鈦是一種常用的氫資源，用於在各種反應中控制釋放氫。一方面，它可以用作原位液體化學中的催化劑作為氫源，另一方面，它可以用於例如電池或燃料電池中的受控氫釋放。

要了解在什麼溫度下釋放出多少氫氣，重要的是要了解與溫度相關的分解行為和釋放的熱量，這可以通過同步熱分析 (STA) 進行監測。

在該 STA 測量中，監測了氫化鈦釋放的氫氣。TG 和 DSC 信號從室溫到 800°C測量，同時樣品在氬氣氣氛中以 10 K/min線性加熱。在 300°C 和 600°C 之間，總共有 2.3% 的兩步質量損失，這意味著在該過程中釋放了全部的結合氫。DSC 曲線顯示了相應的解吸峰（紅色曲線）。

氫氣測量的安全設備

氫對氧化劑和金屬表面以及氧具有高親和力。從元素中形成水 (2 • H2 + O 2 = 2 • H2O；ΔH = 286 kJ/mol) 是一種放熱反應，這就是為什麼氫被認為是一種強大的儲能介質的原因。

氫氣-空氣混合物對大於約 100 的氫氣含量的爆炸敏感。4%。活化能（無催化劑）很高，但在存在火焰、火花或高溫時，此類混合物會燃燒或爆炸。因此，每當進行包括空氣中氫氣濃度大於 4% 的熱分析時，必須採取一些安全預防措施。
氫安全設備
所有用於氫氣應用的 LINSEIS 熱分析儀都可以配備以下安全功能：

氫氣檢測器
氫氣檢測器將檢測氣體管線中的最終洩漏。這些檢測器靠近氫氣儀器放置，可檢測任何洩漏或意外釋放。

安全閥
一旦檢測到氫氣洩漏，安全閥就會動作並切斷熱分析儀的氫氣供應。

用惰性氣體沖洗
當檢測到洩漏並停止供應氫氣時，分析儀中的殘餘氫氣將被惰性氣體吹走。

用於除氣的燃燒裝置在除氣
連接器處，所有 Linseis Hydrogen 系統都配備了燃燒裝置。釋氣（樣氣、吹掃氣和分解產物）通過持續燃燒的火焰，以確保不會向環境釋放可燃氣體，並在實驗室中達到臨界濃度。火焰裝置採用電加熱，並具有安全機制，可避免火焰反沖到燃氣管道中。

Linseis 是氫氣使用儀器的全球領導者。我們的產品線包括：