專利名稱：混合稀土儲氫合金氫化特性綜合測試裝置及測試方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種理化分析測試裝置及測試方法，特別涉及儲氫合金氫化特性測試裝置和測試方法。
目前，儲氫合金在指定溫度下，壓力一組份等溫曲線(PCT曲線)、儲氫合金的氫化速度和儲氫合金的抗粉化度三種特性的測試，前兩種測試在物理化學學報Vol 10 No7 688 1994、JIS H7201 1991和JIS H7202 1993已有報道，而后一種測試在國內、外未見任何公開報道，可能也有相應的測試。且這三種氫化特性均有各自的測試儀器。
在物理化學學報Vol 10 No7 688 1994上宏存茂公開了北京大學自行研制的簡易測試裝置，測試PCT曲線。該儀器在常壓和高壓段用指針式壓力表測試系統(tǒng)壓力，人工讀數(shù)和記錄，未實現(xiàn)數(shù)字化和自動記錄。其控制閥采用針形閥，該閥門極易磨損造成漏氣，閥門與部件連接部分靠螺母和密封墊達到密封的目的，可靠性差。
日本工業(yè)標準提出儲氫合金的氫化量按公式(1)計算ΔC＝201.6/mR×(Va/Ta＋Vs/Ts)[(P0－P)－(Pbo－Pb)]……(1)此公式是將試樣容器在初始狀態(tài)的壓強視為P0，而實際上在測氫化速度時，當試樣容器中有釋放壓存在時哪怕僅為0.1MPa，合金也只能吸很少的氫氣，因此，不宜在實際測試工作中采取這種方式測試儲氫合金的吸氫速度。
本發(fā)明的目的是提供一種混合稀土儲氫合金氫化特性綜合測試裝置，它能完成PCT曲線的測試、儲氫合金的氫化速度和抗粉化度的測定。并提供其測試方法。
本發(fā)明的目的可以通過以下措施來實現(xiàn)其裝置包括供氣系統(tǒng)、高壓-真空系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)和控溫系統(tǒng)。高壓-真空系統(tǒng)中設有兩個蓄壓器、兩個壓力傳感器及其供電裝置。兩個蓄壓器是一個容積為200～300ml的大蓄壓器和另一個容積為50～100ml的小蓄壓器。兩個壓力傳感器的量程分別為0～5MPa和0～0.5MPa。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括通用的數(shù)據(jù)采集卡、計算機和打印機。整個裝置的閥門與部件連接采用可隨時更換閥芯的不銹鋼平面密封閥和不銹鋼管道、不銹鋼連通體，且各部分的連接是不銹鋼焊接密封。
金屬氫化物抗粉化度的測試方法1.試樣的活化將金屬氫化物試樣放入本發(fā)明混合稀土儲氫合金氫化特性綜合測試裝置的試樣容器中，將高壓真空系統(tǒng)的所有部分在室溫下抽真空30分鐘，試樣在110℃下再抽真空30分鐘。然后使高壓的99.999％高純氫氣緩慢進入試樣容器，保持其壓強3.00±0.05MPa、溫度為110℃，根據(jù)材料性能定活化的小時數(shù)，最后溫度為45℃時活化1小時，使試樣充分活化。
2.試樣的粉化對試樣容器在110℃抽真空20分鐘，45℃抽真空10分鐘，然后使高壓的高純氫氣緩慢進入試樣容器，且保持壓強3.00±0.05MPa、溫度為45℃，當試樣吸附飽和后維持10分鐘。
重復上述2操作8次，含活化共粉化10次。
3.金屬氫化物粒度分布的測定將金屬氫化物粉末放入檸檬酸三銨和丙三醇的重量比為1∶1、濃度為0.2Wt％的分散介質中，用超聲波清洗機分散5分鐘。再將超聲波處理后的混合液放入粒度分析儀上，測得金屬氫化物粉化前、后的尺寸D150和D250，其抗粉化度為P＝D250/D150×100％。
儲氫合金氫化速度測試方法利用本發(fā)明的混合稀土儲氫合金氫化特性綜合測試裝置，在293K～373K和3.5MPa～0.0001MPa范圍內測試儲氫合金的氫化速度。其測試方法1.吸氫曲線測試2.脫氫曲線測試3.氫化量的計算測定氫化速度時，應置試樣容器初始狀態(tài)壓強為0，在無釋放壓的條件下進行。各個不同時間的氫化量的計算應按公式(2)或(3)ΔC＝201.6/mR×{Va/Tr[(P0－P)－(Pb0－Pb)]＋Vs/Ts[(Pb－P)＋(Pf－Pbf)]}……(2)若Pf＝Pbf(包括真空狀態(tài)下Pf＝Pbf＝0)則公式(2)變?yōu)楣?3)ΔC＝201.6/mR×{Va/Tr[(P0－P)－(Pb0－Pb)]＋Vs/Ts(Pb－P)}……(3)本發(fā)明在高壓-真空系統(tǒng)中設計安裝了大、小兩蓄壓器，測試氫化速度和抗粉化度用大蓄壓器，測試PCT曲線時用小蓄壓器，從而實現(xiàn)了在同一臺裝置上可完成三種氫化特性的測試，并公開了金屬氫化物抗粉化度的測試方法。由于該裝置采用了不銹鋼平面密封閥和不銹鋼焊接連接的連通體，確保了裝置的高壓真空密封性。又因采用了壓力傳感器、計算機、數(shù)據(jù)采集卡、打印機使裝置實現(xiàn)了自動數(shù)字顯示、自動采集數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理。在無釋放壓的條件下測定氫化速度，實現(xiàn)了正確計算各個不同時間儲氫合金的氫化量。故本裝置是MH/Ni電池用儲氫合金粉性能評估的一臺重要測試儀器。
發(fā)明的測試方法和裝置的具體結構由以下的實施例及其附圖給出。


圖1是根據(jù)本發(fā)明提出的混合稀土儲氫合金氫化特性綜合測試裝置的結構示意圖。
下面結合圖1詳細說明依據(jù)本發(fā)明提出的具體裝置的細節(jié)和測試方法。
該裝置的供氣系統(tǒng)由高壓氫氣瓶1、減壓閥3、不銹鋼管道2組成與高壓-真空系統(tǒng)的進氣閥4相連。高壓-真空系統(tǒng)由試樣容器13、大、小兩蓄壓器11、12，其容積分別為200～300ml、50～100ml；大、小量程壓力傳感器15、16，其量程分別為0～5MPa、0～0.5MPa及其供電裝置、以及不銹鋼平面密封閥5、6、7、9、10、不銹鋼連通體8組成。本裝置除進氣閥4、試樣閥7和試樣容器13為活動接口外，其余各部分的連接均為不銹鋼焊接密封，確保了系統(tǒng)高壓真空的密封性。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由通用的計算機18、數(shù)據(jù)采集卡17和打印機19組成。從高壓-真空系統(tǒng)中壓力傳感器15、16上采集信號，實現(xiàn)了實時采集和數(shù)據(jù)顯示。抽真空系統(tǒng)由真空泵21和三通活塞20組成。通過真空橡膠管和抽氣閥10與高壓-真空系統(tǒng)相連實現(xiàn)測試系統(tǒng)中的真空狀態(tài)?？販叵到y(tǒng)由常規(guī)的管式爐、自動控溫系統(tǒng)14、超級恒溫器及恒溫水浴組成。管式爐和自動控溫系統(tǒng)提供試樣活化、穩(wěn)定化所需的溫度。超級恒溫器及恒溫水浴提供測試時的各種條件溫度。
測試儲氫合金的PCT曲線和測試金屬氫化物的氫化速度時，首先打開抽氣閥10，用真空泵21將高壓真空系統(tǒng)的所有部分抽到真空，關閉抽氣閥10及試樣閥7。然后打開高壓氫氣瓶1讓高壓的99.999％高純氫氣從進氣閥4進入高壓真空系統(tǒng)的不銹鋼連通體8中，測試氫化速度和抗粉化度時打開閥5，將氣體導入大蓄壓器11及壓力傳感器15中；測試PCT曲線時打開閥6，將氣體導入小蓄壓器12及壓力傳感器16中。關閉進氣閥4待吸附平衡后，系統(tǒng)中的壓強由壓力傳感器15或壓力傳感器16測得并顯示在計算機18顯示屏上，此時的壓強為P0，系統(tǒng)的體積為Va，不包括試樣容器的體積此時進入系統(tǒng)中的氫氣量為M1＝P0Va/Tr，Tr為室溫。打開試樣閥7讓高壓高純氫氣進入試樣容器13，此時壓強為Pi，表觀上系統(tǒng)的氫量為M2＝PiVa/Tr＋PiVs/Ts，Tr為試樣溫度由控溫系統(tǒng)所控制。如果沒有儲氫合金的存在，由于系統(tǒng)是密封的M1＝M2。但是儲氫合金能吸附氫氣進入其晶格中，故整個系統(tǒng)的實際體積為Va＋Vs＋V晶，從而使得M1＞M2，二者之差即為儲氫合金所吸附的氫量，通過一次吸附平衡可以測得儲氫合金的吸氫速度，通過多點平衡可以測得儲氫合金的吸氫PCT曲線，通過一定次數(shù)的吸氫、脫氫循環(huán)測得儲氫合金的抗粉化度。從而方便地實現(xiàn)了在同一臺儀器上測試PCT曲線、氫化速度和抗粉化度的目的。
金屬氫化物抗粉化度的測試方法1.試樣的活化將準備好的金屬氫化物試樣裝入試樣容器13中，啟動真空泵21，關閉進氣閥4，打開閥5、6、7、9、10和三通活塞20，將高壓真空系統(tǒng)的所有部分在室溫下抽真空30分鐘，試樣在110℃下抽真空30分鐘，關試樣閥7、抽氣閥10和三通活塞20，停真空泵21。常規(guī)地間斷開、關進氣閥4、試樣閥7，使高壓的高純氫氣緩慢進入試樣容器13，且壓強維持在3.00±0.05MPa，溫度為110℃，根據(jù)材料性能而定活化的小時數(shù)，45℃活化1小時，使試樣充分活化。
2.試樣的粉化啟動真空泵21，打開試樣閥7、抽氣閥10和三通活塞20，110℃抽真空20分鐘，45℃抽真空10分鐘。關閉閥7，10和三通活塞20，停真空泵21。常規(guī)地間斷開、關閥4、7，使高壓的高純氫氣緩慢進入試樣容器13，且維持壓強在3.00±0.05MPa、溫度為45℃，當試樣吸附飽和后再維持10分鐘。
重復上述2的操作8次，包括活化共粉化10次。
3.金屬氫化物粒度分布的測定將金屬氫化物粉末放入檸檬酸三銨和丙三醇的重量比為1∶1，濃度為02.Wt％的分散介質中，用超聲波清洗機分散5分鐘。再將超聲波處理后的混合液放入粒度分析儀上，測得當金屬氫化物粉化前、后粒度分布沉降度為50％時的顆粒尺寸為D150和D250。由此可計算出金屬氫化物的抗粉化度P。
P＝D250/D150×100％。
儲氫合金氫化速度測試方法其方法是在溫度293K～373K、壓強3.5MPa～0.0001MPa范圍內進行。首先將準備好的儲氫合金試樣放入本發(fā)明儲氫合金氫化特性綜合測試裝置的試樣容器13中，關閉進氣閥4，打開閥5、6、7、10，在常規(guī)高溫下進行真空脫氫處理。再關抽氣閥10，打開進氣閥4向裝置中引入系統(tǒng)允許的3.5MPa＞P＞3Mpa的99.999％高純氫氣，關進氣閥4至壓強不變后追加氫氣到壓強不再下降為止。再反復活化2～3次。然后進行常規(guī)試樣穩(wěn)定化處理。
1.吸氫曲線測試試樣穩(wěn)定后，關進氣閥4、開閥5、6、7、10，在高溫下進行真空脫氫處理。關試樣閥7、抽氣閥10，開進氣閥4，導入指定壓強的99.999％高純氫，關閥4待壓強穩(wěn)定后，記下此時壓強P0。然后迅速開閥7使試樣吸氫，并立即記錄各時刻的壓強P。再重復上述步驟進行空白試驗。
2.脫氫曲線的測試試樣穩(wěn)定化后，照上述方法對試樣脫氫處理。關抽氣閥10，開進氣閥4，導入指定壓強的99.999％高純氫氣，關進氣閥4待壓強穩(wěn)定后記下此時的P0，關試樣閥7。開抽氣閥10將系統(tǒng)抽至指定的釋放壓，至穩(wěn)定后關抽氣閥10，記下此時P。開試樣閥7向系統(tǒng)釋放氫氣，并立即記錄各時刻的Pi。再重復上述步驟進行空白試驗。
3.氫化量的計算在測定氫化速度時，須在無釋放壓的條件下進行，因此各個不同時間的氫化量的計算應按公式(2)或(3)ΔC＝201.6/mR×{Va/Tr[(P0－P)－(Pb0－Pb)]＋Vs/Ts[(Pb－P)＋(Pf－Pbf)]}……(2)若Pf＝Pbf(包括真空狀態(tài)下Pf＝Pbf＝0)則公式(2)變?yōu)楣?3)ΔC＝201.6/mR×{Va/Tr[(P0－P)－(Pb0－Pb)]＋Vs/Ts(Pb－P)}……(3)ΔC用對合金質量百分比表示的各個時間的氫化量(mass％)m 試樣質量(g)R 氣體常數(shù)(8.31441 Jmol-1·K-1)Va系統(tǒng)體積(ml)Vs試樣容器體積(ml)Tr系統(tǒng)溫度(K)Ts試樣溫度(K)P0氫化開始前系統(tǒng)中的壓強(MPa)P 氫化試驗中各個時刻系統(tǒng)中的壓強(MPa)Pb0空白實驗開始前系統(tǒng)中的壓強(MPa)Pb空白實驗中各個時刻系統(tǒng)中的壓強(MPa)Pf氫化試驗前系統(tǒng)中的壓強(MPa)(釋放壓)Pbf空白實驗前系統(tǒng)中的壓強(MPa)(釋放壓)。
權利要求
1.一種氫化特性測試裝置，包括供氣系統(tǒng)、高壓-真空系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)和控溫系統(tǒng)，其特征在于高壓-真空系統(tǒng)中設有兩個蓄壓器(11、12)，兩個壓力傳感器(15、16)及其供電裝置；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集卡(17)、計算機(18)和打印機(19)；整個裝置的閥門與部件連接采用不銹鋼平面密封閥(4、5、6、7、9、10)和不銹鋼管道(2)、不銹鋼連通體(8)，且各部分的連接是不銹鋼焊接密封。
2.測試金屬氫化物抗粉化度的方法，其特征是將金屬氫化物試樣放入試樣容器(13)中，啟動真空泵(21)，關進氣閥(4)，開閥(5、6、7、9、10)和三通活塞(20)，將高壓真空系統(tǒng)的所有部分在室溫下抽真空30分鐘，試樣在110℃下抽真空30分鐘，關試樣閥(7)、抽氣閥(10)和三通活塞(20)，停真空泵(21)，常規(guī)地間斷開、關進氣閥(4)和試樣閥(7)，使高壓的高純氫氣緩慢進入試樣容器(13)，且壓強維持在3.00±0.05MPa、溫度為110℃根據(jù)材料性能而定活化的小時數(shù)，45℃活化1小時，使試樣充分活化；試樣的粉化是先啟動真空泵(21)，開試樣閥(7)、抽氣閥(10)和三通活塞(20)，對試樣容器(13)在110℃抽真空20分鐘，45℃抽真空10分鐘，關閥(7、10)和三通活塞(20)，停真空泵(21)，停止抽真空，然后常規(guī)地間斷開、關進氣閥(4)和試樣閥(7)，使高壓的高純氫氣緩慢進入試樣容器(13)，且維持壓強在3.00±0.05MPa，溫度45℃，當試樣吸附飽和后，再維持10分鐘；重復上述操作8次，含活化共粉化10次；金屬氫化物粒度分布的測定是將金屬氫化物粉末放入檸檬酸三銨和丙三醇的重量比為1∶1、濃度為0.2Wt％的分散介質中，用超聲波清洗機分散5分鐘，再將超聲波處理后的混合液放入粒度分析儀上，測得當金屬氫化物粉化前、后粒度分布沉降度為50％時的顆粒尺寸為D150和D250，即可算出金屬氫化物的抗粉化度P＝D250/D150×100％。
3.儲氫合金氫化速度的測試方法，其特征是在293K～373K、3.5MPa～0.0001MPa范圍內進行的，將試樣放入試樣容器(13)中，關進氣閥(4)，開閥(5、6、7、10)，在常規(guī)高溫下進行真空脫氫處理，再關抽氣閥(10)，開進氣閥(4)向裝置中引入系統(tǒng)允許的3MPa＜P＜3.5MPa高壓的高純氫氣，關進氣閥(4)至壓強不變后，追加氫氣到壓強不再下降為止；再反復活化2～3次，然后進行常規(guī)試樣穩(wěn)定化處理；吸氫曲線測試是試樣穩(wěn)定后，關進氣閥(4)，開閥(5、6、7、10)，在高溫下進行真空脫氫處理；關試樣閥(7)和抽氣閥(10)，開進氣閥(4)，導入指定壓強的高純氫氣，關進氣閥(4)待壓強穩(wěn)定后記下Po，然后迅速打開試樣閥(7)使試樣吸氫，立即記錄各時刻的P；再重復上述步驟進行吸氫曲線空白試驗；脫氫曲線測試是試樣穩(wěn)定后，關進氣閥(4)，開閥(5、6、7、10)高溫下進行真空脫氫處理；關抽氣閥(10)，開進氣閥(4)，導入指定壓強的高純氫氣，關進氣閥4待壓強穩(wěn)定后記下此時的Po，關試樣閥(7)；開抽氣閥(10)將系統(tǒng)抽到指定的釋放壓至穩(wěn)定后關抽氣閥(10)，記下此時P，再開試樣閥(7)向系統(tǒng)釋放氫氣，并立即記下各時刻的Pi；再按上述步驟進行脫氫曲線的空白試驗；測定氫化速度時，須在無釋放壓的條件下進行，各個不同時間的氫化量的計算應按如下公式(2)或公式(3)ΔC＝201.6/mR{Va/Tr[(Po－P)－(Pb0－Pb)]＋Vs/Ts[(Pb－P)＋(Pf－Pbf)]}……(2)若Pf＝Pbf則公式(2)變?yōu)楣?3)ΔC＝201.6/mR{Va/Tr[(Po－P)－(Pb0－Pb)]＋Vs/Ts(Pb－P)}……(3)
4.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于兩個蓄壓器(11、12)是一個容積為200～300ml的大蓄壓器(11)，另一個容積為50～100ml的小蓄壓器(12)；兩個壓力傳感器是一個量程為0～5MPa的傳感器(15)，另一個量程為0～0.5MPa傳感器(16)。
5.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征是整個裝置的閥門是可隨時更換閥芯的不銹鋼平面密封閥。
6.權利要求2所述的方法，其特征在于高純氫氣是99.999％的氫氣。
7.權利要求3所述的方法，其特征在于高純氫氣是99.999％的氫氣。
全文摘要
本發(fā)明公開了混合稀土儲氫合金氫化特性綜合測試裝置及測試方法,屬理化分析測試領域。裝置由供氣、高壓－真空、數(shù)據(jù)采集、抽真空、控溫五系統(tǒng)組成。內設大、小蓄壓器、兩壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、計算機。能自動采集、處理、顯示數(shù)據(jù),可分別完成PCT曲線、氫化速度和抗粉化度的測試。無釋放壓的條件下測氫化速度,能正確算不同時間儲氫合金的氫化量?？狗刍葴y定包括試樣的活化、粉化及金屬氫化物粒度分布的測定,算出抗粉化度。
文檔編號G01N15/02GK1327152SQ00108000
公開日2001年12月19日 申請日期2000年6月7日 優(yōu)先權日2000年6月7日
發(fā)明者錢德祥, 樊勇利, 張洪有, 梅林穎, 張寶明, 黃萍, 吳孟濤, 汪繼強 申請人:信息產業(yè)部電子第十八研究所