除了上篇 讲述的燃料电池,镁的另一个令人期待的新用途是氢储藏。镁合金可与氢结合,作为贮氢合金发挥作用。此前,为了提高贮氢合金的性能,研究人员曾做过很多研究,比如添加稀土元素等,但存在氢释放缓慢的难题。日本Biocoke Lab公司(总部:东京)开发出了能解决这一问题的技术,并准备开展这项业务。
产生的氢气是吸收量的2倍
镁跟氢气结合,会生成氢化镁(MgH2)。MgH2加水,会发生反应〔MgH2+2H2O→Mg(OH)2+2H2〕释放出氢气。这时,除了之前与镁结合的氢气外,水中氢元素也会转化为氢气,因此,产生的氢气是MgH2中含氢量的2倍。按重量比例计算,MgH2本身的储氢率为7.6%,而实际获得的氢气为15.2%。按照单位体积计算,储量相当于8.45MPa的高压储气瓶。
并且,氢化镁只要不跟水接触就很稳定,因此作为散装材料也很容易处理,可以作为经济且安全地运输和储备氢气的手段之一。将其与氢燃料电池组合,可以做成只要有水就能发电的燃料电池。
Biocoke打算利用这一优点着手开展利用MgH2的业务,该公司于2013年9月宣布与日本Eco2公司(总部:名古屋市)及有限责任合伙企业ZERO ONE ZERO联手启动“镁氢业务”*1。
*1 今后,还将通过与其他企业合作的方式,探索与燃料电池等组合的新业务。
以块状提供
镁氢业务的核心是Biocoke开发的氢化镁“镁氢”的制法。该公司已从2013年10月开始提供将镁氢做成长方体的“镁氢块”的样品(图1)*2。
*2 该公司以前还开发出了将疏伐材等木质生物燃料进行热分解时产生的焦油在氧化铝(Al2O3)固体表面分解,转化成含有大量氢气的燃料气体和碳化物(生物碳)的技术。2009年凭借该技术获得了日本环境大臣奖。通过用“镁氢”吸收从这种燃料气体中提炼获得的氢气,生物燃料就间接变成了氢燃料电池的燃料。
图1:镁氢块
每块的尺寸为长34.8mm、宽34.8mm、厚18.2mm,重21.8g,每块可储存约1.66g氢气。样品单价为2180日元(不含税,约130元人民币)。
镁氢是利用Biocoke开发的专用氢化装置(氢化炉)使镁与氢气发生反应得到的。首先将镁锭在氩(Ar)气中切成小块,通过冲压成形制成多孔质小块;然后将这种小块放入氢化炉的反应室中,在日本高压气体法规定范围(1MPa)以下的低压环境将其加热到400℃左右;最后向反应室通入氢气,与镁发生反应,制成块状的镁氢。
上杉浩之介绍说,“氢化炉的条件控制非常严格,如果不能确保升温速度和炉内温度的均一性,就无法高效氢化”。这是Biocoke镁氢技术的重点。现在,该公司的沼津工厂拥有一次可制造50kg镁氢的批处理氢化炉。
镁氢是实现了多孔质的块状镁材,这也是其一大特点。这样能够增大表面积,提高与氢气结合的反应和水解反应的速度。MgH2是稳定的材料,水解反应缓慢,以前需要加热到很高的温度才能释放氢气。但是,镁氢通过多孔质化克服了这一缺点。并且,水解反应中使用的是添加有少量柠檬酸的酸性水,也提高了反应速度。
还推出了发电机
镁氢业务由Biocoke负责技术开发,Eco2负责镁氢及镁氢制造设备的制造和运转,ZERO ONE ZERO负责市场开拓和销售。首先将提供样品、开拓用途。计划2014年5月在日本爱知县内新建工厂和研究所,开始试运营,2014年9月建成年产10t的体制。
此外,几家公司在推出镁氢块的同时还向市场投放了使用氢燃料电池的“镁氢便携发电机”(商品名为“MAGUPOPO”)(图2)。这种发电机要装上镁氢箱和柠檬酸水溶液箱来发电,只要储备有燃料箱,在停电时就能作为应急电源使用。每个燃料箱的发电量为40Wh*3。价格为56万日元,虽然稍微有点贵,不过已有家电商场及保安公司等前来咨询。
*3 还内置有50Wh的锂(Li)离子充电电池(LIB),还可以在LIB中蓄电,必要时导出电力。今后,还将通过与其他企业合作的方式,探索与燃料电池等组合的新业务。
图2:使用镁氢的发电机
插入镁氢箱和柠檬酸水溶液箱使用的“MAGUPOPO”(a),发电量为40Wh。打开盖子就能看到插入镁氢箱和柠檬酸水溶液箱的位置(b )。(c )为料箱。
还打算回收再利用
用完的镁氢如何处理?如上所述,MgH2加水分解会产生氢气,变成氢氧化镁〔Mg(OH)2〕。Mg(OH)2一般可用作树脂、陶瓷的添加剂、难燃剂及药品等,如果回收使用过的镁氢,可作为这些工业原料再利用。不过,这种回收需要社会性的体制,可以说这将是今后的一大课题。
实际上,上杉已从这种工业再利用及减轻环境负荷的角度,提出了镁的循环再利用系统的构想,那就是利用该公司开发的等离子加热处理炉将Mg(OH)2直接还原成MgH2再利用。
加热处理分两步进行。技术详情未公布,不过,作为前处理要将Mg(OH)2加热到600℃左右,变成氧化镁(MgO),然后加热到更高的温度,再向等离子炉中通入氢气,将MgO还原成MgH2。该技术目前处于实验室水平,已完成技术验证,今后将与其他企业合作,进一步提高技术水平。