除了上篇 講述的燃料電池，鎂的另一個(gè)令人期待的新用途是氫儲(chǔ)藏。鎂合金可與氫結(jié)合，作為貯氫合金發(fā)揮作用。此前，為了提高貯氫合金的性能，研究人員曾做過很多研究，比如添加稀土元素等，但存在氫釋放緩慢的難題。日本Biocoke Lab公司(總部：東京)開發(fā)出了能解決這一問題的技術(shù)，并準(zhǔn)備開展這項(xiàng)業(yè)務(wù)。
產(chǎn)生的氫氣是吸收量的2倍
鎂跟氫氣結(jié)合，會(huì)生成氫化鎂(MgH2)。MgH2加水，會(huì)發(fā)生反應(yīng)〔MgH2+2H2O→Mg(OH)2+2H2〕釋放出氫氣。這時(shí)，除了之前與鎂結(jié)合的氫氣外，水中氫元素也會(huì)轉(zhuǎn)化為氫氣，因此，產(chǎn)生的氫氣是MgH2中含氫量的2倍。按重量比例計(jì)算，MgH2本身的儲(chǔ)氫率為7.6%，而實(shí)際獲得的氫氣為15.2%。按照單位體積計(jì)算，儲(chǔ)量相當(dāng)于8.45MPa的高壓儲(chǔ)氣瓶。
并且，氫化鎂只要不跟水接觸就很穩(wěn)定，因此作為散裝材料也很容易處理，可以作為經(jīng)濟(jì)且安全地運(yùn)輸和儲(chǔ)備氫氣的手段之一。將其與氫燃料電池組合，可以做成只要有水就能發(fā)電的燃料電池。
Biocoke打算利用這一優(yōu)點(diǎn)著手開展利用MgH2的業(yè)務(wù)，該公司于2013年9月宣布與日本Eco2公司(總部：名古屋市)及有限責(zé)任合伙企業(yè)ZERO ONE ZERO聯(lián)手啟動(dòng)“鎂氫業(yè)務(wù)”*1。
*1 今后，還將通過與其他企業(yè)合作的方式，探索與燃料電池等組合的新業(yè)務(wù)。
以塊狀提供
鎂氫業(yè)務(wù)的核心是Biocoke開發(fā)的氫化鎂“鎂氫”的制法。該公司已從2013年10月開始提供將鎂氫做成長方體的“鎂氫塊”的樣品(圖1)*2。
*2 該公司以前還開發(fā)出了將疏伐材等木質(zhì)生物燃料進(jìn)行熱分解時(shí)產(chǎn)生的焦油在氧化鋁(Al2O3)固體表面分解，轉(zhuǎn)化成含有大量氫氣的燃料氣體和碳化物(生物碳)的技術(shù)。2009年憑借該技術(shù)獲得了日本環(huán)境大臣獎(jiǎng)。通過用“鎂氫”吸收從這種燃料氣體中提煉獲得的氫氣，生物燃料就間接變成了氫燃料電池的燃料。
圖1：鎂氫塊
每塊的尺寸為長34.8mm、寬34.8mm、厚18.2mm，重21.8g，每塊可儲(chǔ)存約1.66g氫氣。樣品單價(jià)為2180日元(不含稅，約130元人民幣)。
鎂氫是利用Biocoke開發(fā)的專用氫化裝置(氫化爐)使鎂與氫氣發(fā)生反應(yīng)得到的。首先將鎂錠在氬(Ar)氣中切成小塊，通過沖壓成形制成多孔質(zhì)小塊;然后將這種小塊放入氫化爐的反應(yīng)室中，在日本高壓氣體法規(guī)定范圍(1MPa)以下的低壓環(huán)境將其加熱到400℃左右;最后向反應(yīng)室通入氫氣，與鎂發(fā)生反應(yīng)，制成塊狀的鎂氫。
上杉浩之介紹說，“氫化爐的條件控制非常嚴(yán)格，如果不能確保升溫速度和爐內(nèi)溫度的均一性，就無法高效氫化”。這是Biocoke鎂氫技術(shù)的重點(diǎn)。現(xiàn)在，該公司的沼津工廠擁有一次可制造50kg鎂氫的批處理氫化爐。
鎂氫是實(shí)現(xiàn)了多孔質(zhì)的塊狀鎂材，這也是其一大特點(diǎn)。這樣能夠增大表面積，提高與氫氣結(jié)合的反應(yīng)和水解反應(yīng)的速度。MgH2是穩(wěn)定的材料，水解反應(yīng)緩慢，以前需要加熱到很高的溫度才能釋放氫氣。但是，鎂氫通過多孔質(zhì)化克服了這一缺點(diǎn)。并且，水解反應(yīng)中使用的是添加有少量檸檬酸的酸性水，也提高了反應(yīng)速度。
還推出了發(fā)電機(jī)
鎂氫業(yè)務(wù)由Biocoke負(fù)責(zé)技術(shù)開發(fā)，Eco2負(fù)責(zé)鎂氫及鎂氫制造設(shè)備的制造和運(yùn)轉(zhuǎn)，ZERO ONE ZERO負(fù)責(zé)市場開拓和銷售。首先將提供樣品、開拓用途。計(jì)劃2014年5月在日本愛知縣內(nèi)新建工廠和研究所，開始試運(yùn)營，2014年9月建成年產(chǎn)10t的體制。
此外，幾家公司在推出鎂氫塊的同時(shí)還向市場投放了使用氫燃料電池的“鎂氫便攜發(fā)電機(jī)”(商品名為“MAGUPOPO”)(圖2)。這種發(fā)電機(jī)要裝上鎂氫箱和檸檬酸水溶液箱來發(fā)電，只要儲(chǔ)備有燃料箱，在停電時(shí)就能作為應(yīng)急電源使用。每個(gè)燃料箱的發(fā)電量為40Wh*3。價(jià)格為56萬日元，雖然稍微有點(diǎn)貴，不過已有家電商場及保安公司等前來咨詢。
*3 還內(nèi)置有50Wh的鋰(Li)離子充電電池(LIB)，還可以在LIB中蓄電，必要時(shí)導(dǎo)出電力。今后，還將通過與其他企業(yè)合作的方式，探索與燃料電池等組合的新業(yè)務(wù)。
圖2：使用鎂氫的發(fā)電機(jī)
插入鎂氫箱和檸檬酸水溶液箱使用的“MAGUPOPO”(a)，發(fā)電量為40Wh。打開蓋子就能看到插入鎂氫箱和檸檬酸水溶液箱的位置(b )。(c )為料箱。
還打算回收再利用
用完的鎂氫如何處理?如上所述，MgH2加水分解會(huì)產(chǎn)生氫氣，變成氫氧化鎂〔Mg(OH)2〕。Mg(OH)2一般可用作樹脂、陶瓷的添加劑、難燃劑及藥品等，如果回收使用過的鎂氫，可作為這些工業(yè)原料再利用。不過，這種回收需要社會(huì)性的體制，可以說這將是今后的一大課題。
實(shí)際上，上杉已從這種工業(yè)再利用及減輕環(huán)境負(fù)荷的角度，提出了鎂的循環(huán)再利用系統(tǒng)的構(gòu)想，那就是利用該公司開發(fā)的等離子加熱處理爐將Mg(OH)2直接還原成MgH2再利用。
加熱處理分兩步進(jìn)行。技術(shù)詳情未公布，不過，作為前處理要將Mg(OH)2加熱到600℃左右，變成氧化鎂(MgO)，然后加熱到更高的溫度，再向等離子爐中通入氫氣，將MgO還原成MgH2。該技術(shù)目前處于實(shí)驗(yàn)室水平，已完成技術(shù)驗(yàn)證，今后將與其他企業(yè)合作，進(jìn)一步提高技術(shù)水平。