演示文稿儲氫材料講解

1（優(yōu)選）第四章儲氫材料現在是1頁\一共有47頁\編輯于星期三2

隨著傳統(tǒng)能源石油、煤的日漸枯竭，且石油、煤燃燒產物CO2和SO2又分別產生溫室效應和酸雨，使人類面臨能源和環(huán)境危機的雙重挑戰(zhàn)，尋找新的潔凈能源已列入人們的議事日程。氫是一種潔凈能源，其燃燒值為1.43x108j/kg（煤3×107J/kg、煤氣4.2×107J/Kg），氫能源系統(tǒng)作為一種儲量豐富、無公害的能源替代品而倍受重視。現在是2頁\一共有47頁\編輯于星期三3如果以氫作為燃料，從原理上講，燃燒后只能生成水，這對環(huán)境保護極為有利。氫作為一種氣體來說，要作為新能源，還必須解決氫的制備、儲存和運輸問題，尋找高效節(jié)能的制氫方法和研制經濟適用的儲氫材料等。現在是3頁\一共有47頁\編輯于星期三44.1氫能開發(fā)氫作為一種二次能源，其用途主要有幾個方面:做為保護氣應用于電子工業(yè)中，如在集成電路、電子管、顯像管等的制備過程中。2.在食品工業(yè)中，食用的色拉油就是對植物油進行加氫處理的產物，植物油加氫處理后性能穩(wěn)定、易存放，且有抵抗細菌生長、易被人體吸收之功效。現在是4頁\一共有47頁\編輯于星期三53.在合成氨工業(yè)中氫氣是重要的合成原料之一。4.作為一種高能燃料，用于航天飛機、火箭等航天行業(yè)及城市公共汽車中。目前,我國已經開發(fā)出以壓縮氫為燃料的城市公共汽車（清華大學）。5.氫被廣泛的用于燃料電池中作為燃料。(儲能高,無污染)?，F在是5頁\一共有47頁\編輯于星期三6在以氫作為能源媒體的氫能體系中，氫的貯存與運輸是實際應用中的關鍵。貯氫材料就是作為氫的貯存與運輸媒體而成為當前材料研究的一個熱點項目?，F在是6頁\一共有47頁\編輯于星期三7貯氫材料：在室溫和常壓條件下能迅速吸氫(H2)或反應生成氫化物，使氫以氫化物的形式貯存起來，在需要的時候，適當加溫或減小壓力使這些貯存著的氫釋放出來以供使用的材料。現在是7頁\一共有47頁\編輯于星期三84.2貯氫方法貯氫方法大致分為5種：

液態(tài)貯氫壓縮貯氫有機化合物貯氫碳質吸附貯氫金屬化合物貯氫現在是8頁\一共有47頁\編輯于星期三91液態(tài)儲氫即把氫氣冷卻到沸點以下成為液體加以存儲。由于氫氣沸點極低(-252.77℃)，所以，采用這種方法儲氫能耗大，成本高、儲氫設備材質要求很高，操作和使用條件苛刻，大都用于火箭、飛船和衛(wèi)星發(fā)射等高科技領域。現在是9頁\一共有47頁\編輯于星期三102高壓儲氫壓縮儲氫是最常用的氫氣儲存方式，氫氣被壓縮后在氣缸里以氣體形式儲存。這種技術和壓縮天然氣、煤氣技術相類似，只是由于氫的密度很小、需要消耗的能量更多。對儲氫容器材質要求高，儲存和使用安全性差，一般只用于實驗室。目前已作為被用于公交汽車。

現在是10頁\一共有47頁\編輯于星期三113有機化合物儲氫

有機化合物儲氫主要是利用苯和甲苯的加氫脫氫反應以達到吸放氫的目的，它們的儲氫密度高，但吸放氫工藝復雜。C6H6?C6H127.2wt.%H2

苯

環(huán)己烷

C7H8?

C7H14

6.2wt.%H2

甲苯

甲基環(huán)己烷現在是11頁\一共有47頁\編輯于星期三12一般反應前，先對H2進行加熱處理，降至反應溫度。甲苯通過鼓泡方式與H2混合進入反應器中反應。反應過程需要催化劑?，F在是12頁\一共有47頁\編輯于星期三13４.碳質材料儲氫碳質儲氫是主要依據吸附理論建立起來的物理儲氫方法。包括活性碳和碳納米管吸附儲氫。其吸附機理介于范德華力和化學鍵之間。活性炭作為特種功能吸附材料具有質輕，對少量的氣體雜質不敏感，并且原料豐富、比表面積高、且可重復使用，微孔孔容大和容易進行孔徑控制、表面化學修飾和負載金屬等優(yōu)點?，F在是13頁\一共有47頁\編輯于星期三14但從已有的應用研究證明，各種分子篩和超級活性炭均達不到美國能源部要求（60kg/m3），近年來人們把研究重點放在碳納米管方面。現在人們對碳納米管的研究還處于初級階段，至今不能完全了解納米孔中發(fā)生的特殊物理化學過程，即氫氣吸附機理和儲氫行為，還無法準確測得納米管的密度，即應在儲氫機理、化學改性和結構控制方面進行深入研究?，F在是14頁\一共有47頁\編輯于星期三15現在是15頁\一共有47頁\編輯于星期三16現在是16頁\一共有47頁\編輯于星期三17５.金屬化合物儲氫儲氫合金：在一定的溫度和壓力條件下，一些合金能夠大量吸收氫氣，反應生成金屬氫化物同時放出熱量。將這些金屬氫化物加熱，它們又會分解將儲存在其中的氫釋放出來。這些會吸收/釋放氫氣的金屬合金，被稱為儲氫合金?，F在是17頁\一共有47頁\編輯于星期三18儲氫合金中，氫密度極高。金屬氫化物的氫密度與液態(tài)氫、固態(tài)氫的相當，約是氫氣的1000倍。另外，一般儲氫合金中，氫分解壓較低，所以用金屬氫化物貯氫時并不必用耐壓鋼瓶。現在是18頁\一共有47頁\編輯于星期三194.3儲氫合金的熱力學原理在一定溫度和壓力下，氫可與許多金屬、合金和金屬間化合物生成金屬固溶體MHx和MHy,反應分三步進行:

MHx是固溶體1儲氫過程(1)在合金吸氫的初始階段形成固溶體（α相），合金結構保持不變現在是19頁\一共有47頁\編輯于星期三20（2）

固溶體進一步與氫反應生成氫化物（β相）（3）進一步增加氫壓，合金中的氫含量略有增加

MHy是固溶體生成熱現在是20頁\一共有47頁\編輯于星期三21儲氫合金吸收和釋放氫的過程，最方便的表示方法是壓力—組成—等溫（PCT）曲線。2、金屬氫化物平衡分解壓與溫度的關系現在是21頁\一共有47頁\編輯于星期三22O一A:為吸氫過程的第一步，金屬吸氫，形成含氫固溶體；A一B:為吸氫過程的第二步，形成金屬氫化物；B點以后:為第三步，氫溶入氫化物形成固溶體，氫壓增加?，F在是22頁\一共有47頁\編輯于星期三23金屬與氫的反應是一個可逆過程。正向反應吸氫、放熱，逆向反應釋氫、吸熱。改變溫度和壓力條件可使反應按正向、逆向反復進行，實現材料的稀釋氫功能?，F在是23頁\一共有47頁\編輯于星期三24

PCT曲線的基本特征PCT曲線是儲氫材料的重要特征曲線，它可反映出儲氫合金在工程應用中的許多重要特性，

(1)可以了解金屬氫化物中能含多少氫(%)和任一溫度下的分解壓力值?，F在是24頁\一共有47頁\編輯于星期三25（2）可以看出，金屬氫化物在吸氫與釋氫時，雖在同一溫度，但壓力不同，這種現象稱為滯后。作為貯氫材料，滯后越小越好。現在是25頁\一共有47頁\編輯于星期三26現在是26頁\一共有47頁\編輯于星期三27改變溫度和壓力的條件,使反應正向或逆向進行即可實現吸氫或放氫3吸儲、放氫原理現在是27頁\一共有47頁\編輯于星期三28恒定溫度：通過改變壓力實現吸氫或放氫。將金屬至于T1溫度，高于P1壓力，金屬會與氫反應生成氫化物，即金屬吸氫；低于P1的氣氛中，氫化物發(fā)生分解釋放出氫氣?，F在是28頁\一共有47頁\編輯于星期三29恒定壓力：通過改變溫度也可實現吸氫或放氫。壓力為P2時，當溫度高于T2時，（如T3

）氫化物發(fā)生分解釋放出氫氣,將溫度降到T2溫度以下（如T1

）

，金屬與氫反應生成氫化物?，F在是29頁\一共有47頁\編輯于星期三30儲氫合金中氫的位置

儲氫合金吸收氫后，氫進入合金晶格中，合金晶格可以看作容納氫原子的容器現在是30頁\一共有47頁\編輯于星期三31

總之，金屬(合金)氫化物能否作為能量貯存、轉換材料取決于氫在金屬(合金)中吸收和釋放的可逆反應是否可行。氫在金屬合金中的吸收和釋放又取決于金屬合金和氫的相平衡關系。影響相平衡的因素為溫度、壓力和組成成分?，F在是31頁\一共有47頁\編輯于星期三324.4儲氫合金材料的種類目前研制成功的：稀土鑭鎳系鈦鐵系鎂系鈦/鋯系現在是32頁\一共有47頁\編輯于星期三331稀土鑭鎳系儲氫合金

典型代表：LaNi5,荷蘭Philips實驗室首先研制

特點：

活化容易平衡壓力適中且平坦，吸放氫平衡壓差小抗雜質氣體中毒性能好適合室溫操作

經元素部分取代后的MmNi3.55Co0.75Mn0.47Al0.3(Mm混合稀土，主要成分La、Ce、Pr、Nd)廣泛用于鎳/氫電池現在是33頁\一共有47頁\編輯于星期三34PCTLaNi5現在是34頁\一共有47頁\編輯于星期三352鈦鐵系典型代表：TiFe，美Brookhaven國家實驗室首先發(fā)明價格低室溫下可逆儲放氫易被氧化活化困難抗雜質氣體中毒能力差實際使用時需對合金進行表面改性處理現在是35頁\一共有47頁\編輯于星期三36PCTTiFe

現在是36頁\一共有47頁\編輯于星期三37鎂系典型代表：Mg2Ni，美Brookhaven國家實驗室首先報道儲氫容量高資源豐富價格低廉放氫溫度高（250－300℃）放氫動力學性能較差改進方法：機械合金化－加TiFe和CaCu5球磨，或復合現在是37頁\一共有47頁\編輯于星期三38鈦/鋯系原子間隙由四面體構成，間隙多，有利于氫原子的吸附TiMn1.5H2.5日本松下（1.8％）Ti0.90Zr0.1Mn1.4V0.2Cr0.4活性好用于：氫汽車儲氫、電池負極Ovinic

現在是38頁\一共有47頁\編輯于星期三39

金屬氫化物貯氫材料的應用領域很多，而且還在不斷發(fā)展之中，下面介紹貯氫材料應用的幾個主要方面。4.5貯氫材料的應用現在是39頁\一共有47頁\編輯于星期三40

用于高貯氫量的貯氫材料，從工藝上降低成本，減輕重量，這種高容量貯氫器可在氫能汽車、氫電動車、氫回收、氫凈化、氫運輸等領域得到廣泛的應用。1、用于氫氣的貯存和運輸對貯氫裝置的要求：（1）提高熱傳導性（2）提供氫化物足夠多的膨脹空間（3）滿足密封、耐壓、抗氫脆的要求（4）耐用、壽命長現在是40頁\一共有47頁\編輯于星期三41MH氫汽車燃料供給系統(tǒng)2、氫能汽車現在是41頁\一共有47頁\編輯于星期三42（1）吸熱能??；（2）放氫壓力為零點幾個MPa；（3）貯氫密度高；（4）性能劣化少；（5）成本低；（6）壽命長。氫化物滿足的條件：常用材料為:TiFe氫化物和Mg系氫化物。現在是42頁\一共有47頁\編輯于星期三433、氫的分離、回收與凈化（1）金屬與氫反應生成金屬氫化物；（2）貯氫材料對氫原子有特殊的親和力，對氫有選擇性吸收作用，而對其他氣體雜質則有排斥作用。基本原理有兩個方面：常用材料為:TiMn1.5

、

MNi5系?，F在是43頁\一共有47頁\編輯于星期三44利用貯氫材料吸收氫的特性，可從氯堿、合成氨的工業(yè)廢氣中回收氫；可方便而廉價地獲取超高純H2(99.9999％)，實現氫的凈化；還可將難與氫分離的氣體，如氦經濟地分離出來，無須慣用的深冷方法而實現氫的分離。現在是44頁\一共有47頁\編輯于星期三45

4、發(fā)展鎳氫電池由于鎘有毒，鎳鎘高容量可再充式電池因廢電池處理復雜已處于被淘汰的階段。因此金屬氫化物鎳氫電池發(fā)展迅速，(-)MHKOH或NaOHNiOOH(+)正極活性物質：

NiOOH(三價鎳的氫氧化物)負極活性物質：儲