最新儲氫材料.晉家偉

1、主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容l 儲氫技術(shù)儲氫技術(shù)l 金屬儲氫原理金屬儲氫原理l 儲氫合金的研究與發(fā)展儲氫合金的研究與發(fā)展l 儲氫合金的應(yīng)用儲氫合金的應(yīng)用 儲氫技術(shù)儲氫技術(shù) 基于某些金屬或合金與氫反應(yīng)后以金屬氫化物基于某些金屬或合金與氫反應(yīng)后以金屬氫化物形式吸氫，生成的金屬氫化物加熱后釋放出氫氣的形式吸氫，生成的金屬氫化物加熱后釋放出氫氣的這一特性來儲氫的。這一特性來儲氫的。 在這種技術(shù)中，最主要因素就是在這種技術(shù)中，最主要因素就是儲氫材料儲氫材料。 儲氫合金的儲氫能儲氫合金的儲氫能力很強(qiáng)，單位體積力很強(qiáng)，單位體積儲氫的密度，是相儲氫的密度，是相同溫度、壓力條件同溫度、壓力條件下下氣態(tài)氫氣態(tài)氫的的10

2、00倍。倍。 各種氫的儲存方式的比較各種氫的儲存方式的比較 儲氫方式儲氫方式基本原理基本原理特性比較特性比較氣態(tài)儲氫氣態(tài)儲氫采用壓縮、冷凍等方式將采用壓縮、冷凍等方式將壓縮氫氣儲存于鋼瓶中。壓縮氫氣儲存于鋼瓶中。 儲氫量小儲氫量小(15mpa，氫氣重量，氫氣重量尚不到鋼瓶重量的尚不到鋼瓶重量的1/100)； 使用不方便；使用不方便； 有一定的危險性。有一定的危險性。液態(tài)儲氫液態(tài)儲氫將氫氣液化后儲存。將氫氣液化后儲存。 深冷液化能耗高深冷液化能耗高(液化液化1kg氫氫氣約需耗電氣約需耗電410kwh)； 須有極好的絕熱保護(hù)；須有極好的絕熱保護(hù)； 絕熱層的體積和重量往往與絕熱層的體積和重量往往與儲

3、箱相當(dāng)。儲箱相當(dāng)。氫化物儲氫氫化物儲氫金屬或合金與氫反應(yīng)生成金屬或合金與氫反應(yīng)生成金屬氫化物，實現(xiàn)儲氫；金金屬氫化物，實現(xiàn)儲氫；金屬氫化物加熱后分解釋放出屬氫化物加熱后分解釋放出氫氣，實現(xiàn)放氫。氫氣，實現(xiàn)放氫。 氫以原子態(tài)儲存于金屬中，氫以原子態(tài)儲存于金屬中，儲氫密度大；儲氫密度大； 不易爆炸，安全性強(qiáng)；不易爆炸，安全性強(qiáng)； 儲存、運(yùn)輸和使用方便；儲存、運(yùn)輸和使用方便； 可多次循環(huán)使用?？啥啻窝h(huán)使用。各種不同儲氫方式儲氫密度的比較各種不同儲氫方式儲氫密度的比較單位摩爾原子每立方厘米金屬儲氫原理金屬儲氫原理 金屬的吸氫機(jī)理金屬的吸氫機(jī)理氫分子吸附于合金表面；氫分子吸附于合金表面；氫的氫的h-h

4、鍵離解為氫原子；鍵離解為氫原子；氫原子從合金表面向合金內(nèi)部擴(kuò)散，氫原子從合金表面向合金內(nèi)部擴(kuò)散，進(jìn)入金屬原子的間隙中（晶格間位置）進(jìn)入金屬原子的間隙中（晶格間位置）形成固溶體；形成固溶體；固溶于金屬中的氫再向合金內(nèi)部擴(kuò)散。固溶于金屬中的氫再向合金內(nèi)部擴(kuò)散。金屬的吸氫機(jī)理surface of alloyshydrogen storage alloys儲氫合金的分類儲氫合金的分類 儲氫合金一般由儲氫合金一般由a a、b b兩類元素組成：兩類元素組成： a a：容易容易形成氫化物的形成氫化物的放熱型金屬放熱型金屬如如mgmg、alal、titi、zrzr、v v、caca、稀土等。、稀土等。 b b

5、：難于難于形成氫化物的形成氫化物的吸熱型金屬吸熱型金屬如如nini、cucu、fefe、coco、mnmn等。等。 儲氫合金的研究與發(fā)展儲氫合金的研究與發(fā)展儲氫合金應(yīng)具備的條件儲氫合金應(yīng)具備的條件u高的儲氫容量。高的儲氫容量。即單位質(zhì)量或體積吸氫量大即單位質(zhì)量或體積吸氫量大u氫化物的生成熱適當(dāng)。氫化物的生成熱適當(dāng)。過高則氫化物過于穩(wěn)定，放氫時需要較高的溫度過高則氫化物過于穩(wěn)定，放氫時需要較高的溫度u吸、放氫速度快。吸、放氫速度快。u容易活化。容易活化。儲氫合金第一次與氫反應(yīng)稱為活化處理儲氫合金第一次與氫反應(yīng)稱為活化處理u長期循環(huán)穩(wěn)定性。長期循環(huán)穩(wěn)定性。經(jīng)久耐用經(jīng)久耐用u原材料資源豐富，價格便宜

6、。原材料資源豐富，價格便宜。目前儲氫合金研究和開發(fā)中存在的問題：目前儲氫合金研究和開發(fā)中存在的問題：目前已實用化的儲氫合金，實際有效儲氫容量偏低。其他目前已實用化的儲氫合金，實際有效儲氫容量偏低。其他高容量的合金或活化困難，或吸放氫條件苛刻，或循環(huán)穩(wěn)定高容量的合金或活化困難，或吸放氫條件苛刻，或循環(huán)穩(wěn)定性差。性差。今后儲氫合金研究和開發(fā)中面臨的任務(wù)：今后儲氫合金研究和開發(fā)中面臨的任務(wù)：開發(fā)新型高容量的儲氫合金是其工程應(yīng)用的關(guān)鍵。開發(fā)新型高容量的儲氫合金是其工程應(yīng)用的關(guān)鍵。在在-60-60120120的溫和環(huán)境條件下，循環(huán)吸放氫效率高，的溫和環(huán)境條件下，循環(huán)吸放氫效率高，并且兼顧經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等因素

7、。并且兼顧經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等因素。最新研究進(jìn)展：最新研究進(jìn)展：l mglinh、mgnanh體系儲氫材料體系儲氫材料mgmg( (nhnh2 2) )2 2和和lihlih以以3 3: :8 8的比例混合的比例混合獲得的獲得的mglinhmglinh，吸放氫溫度小于，吸放氫溫度小于200200，儲氫容量達(dá)到儲氫容量達(dá)到6.9%6.9%，非常適合汽車工業(yè)的需求。，非常適合汽車工業(yè)的需求。mg(nhmg(nh2 2) )2 2和和nahnah按按2:32:3的比例混合的比例混合獲得的獲得的mgnanhmgnanh，吸氫溫度在，吸氫溫度在6060，最大，最大吸氫量達(dá)到吸氫量達(dá)到2.17%2.17%，120

8、120開始放氫，開始放氫，1010次循環(huán)后吸放氫量沒有衰減。次循環(huán)后吸放氫量沒有衰減。l mg(alh4)2納米復(fù)合儲氫材料納米復(fù)合儲氫材料 美國計劃采用化學(xué)氣相合成方法制備出這種材料，有望將儲氫量提高到美國計劃采用化學(xué)氣相合成方法制備出這種材料，有望將儲氫量提高到9.0%9.0%以上。以上。 金屬氫化物儲氫金屬氫化物儲氫原理和結(jié)構(gòu)：原理和結(jié)構(gòu)：氫化物儲氫裝置是一種金屬氫反應(yīng)器。氫化物儲氫裝置是一種金屬氫反應(yīng)器。由于氫化反應(yīng)的熱效應(yīng)，儲氫裝置一般為由于氫化反應(yīng)的熱效應(yīng)，儲氫裝置一般為熱交換器熱交換器結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。有固定式和移動式兩種類型，后者可用于儲運(yùn)氫氣及車有固定式和移動式兩種類型，后者可用于

9、儲運(yùn)氫氣及車輛氫燃料箱等供氫場合。輛氫燃料箱等供氫場合。 特點特點: : 儲氫量大、重量輕、體積小。儲氫量大、重量輕、體積小。 節(jié)省能源。節(jié)省能源。 安全可靠。安全可靠。儲氫器儲氫器 日本研制的金屬氫化物儲氫桶略圖日本研制的金屬氫化物儲氫桶略圖 儲氫合金的應(yīng)用儲氫合金的應(yīng)用 金屬氫化物蓄熱金屬氫化物蓄熱 原理：原理：金屬吸氫生成氫化物，放熱；氫化物分解放氫，吸熱。利用這金屬吸氫生成氫化物，放熱；氫化物分解放氫，吸熱。利用這種特性，可以制成蓄熱裝置，儲存工業(yè)廢熱、地?zé)?、太陽能熱等熱能。種特性，可以制成蓄熱裝置，儲存工業(yè)廢熱、地?zé)?、太陽能熱等熱能?基本要求：基本要求：蓄熱量大。蓄熱量大。氫化物有

10、大的生成熱。氫化物有大的生成熱。 吸放氫反應(yīng)速度快，可逆性好。吸放氫反應(yīng)速度快，可逆性好。 工作溫度范圍寬。工作溫度范圍寬。202010001000 c c。 平衡分解壓范圍寬。平衡分解壓范圍寬。0.10.1幾十兆帕。幾十兆帕。 蓄熱裝置的基本構(gòu)成：蓄熱裝置的基本構(gòu)成：蓄熱裝置中使用兩種金屬氫化物：一是蓄熱介蓄熱裝置中使用兩種金屬氫化物：一是蓄熱介質(zhì)的氫化物，二是儲氫介質(zhì)的氫化物。氫氣由前者流向后者時蓄熱，反質(zhì)的氫化物，二是儲氫介質(zhì)的氫化物。氫氣由前者流向后者時蓄熱，反方向流動時放熱。方向流動時放熱。 分離、回收氫分離、回收氫 含有雜質(zhì)氣體的氫氣被儲氫合金吸收，含有雜質(zhì)氣體的氫氣被儲氫合金吸收

11、，形成氫化物，雜質(zhì)氣體則被排掉，再經(jīng)加熱形成氫化物，雜質(zhì)氣體則被排掉，再經(jīng)加熱即可放出氫氣，實現(xiàn)將氫從混合氣體中分離即可放出氫氣，實現(xiàn)將氫從混合氣體中分離出來，進(jìn)而回收的目的。出來，進(jìn)而回收的目的。 制取高純度氫氣制取高純度氫氣 含有雜質(zhì)的氫氣與儲氫合金接觸，氫氣含有雜質(zhì)的氫氣與儲氫合金接觸，氫氣被吸收，而雜質(zhì)則被吸附于合金表面，除去被吸收，而雜質(zhì)則被吸附于合金表面，除去雜質(zhì)后，再使氫化物放氫，則可得到高純度雜質(zhì)后，再使氫化物放氫，則可得到高純度的氫氣，其純度可高達(dá)的氫氣，其純度可高達(dá)99.9999%99.9999%。 氫氣凈化器氫氣凈化器 金屬氫化物氫壓縮機(jī)金屬氫化物氫壓縮機(jī) 基本原理：基本

12、原理：金屬金屬儲氫材料在室溫和較低壓力下吸收氫氣形成金屬氫化物，儲氫材料在室溫和較低壓力下吸收氫氣形成金屬氫化物，飽和后提高金屬氫化物的溫度，其平衡壓力將相應(yīng)提高，因此處于高溫的飽和后提高金屬氫化物的溫度，其平衡壓力將相應(yīng)提高，因此處于高溫的氫化物可以釋放相應(yīng)高壓的氫氣，實現(xiàn)熱能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換。氫化物可以釋放相應(yīng)高壓的氫氣，實現(xiàn)熱能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換。 優(yōu)點：優(yōu)點： 運(yùn)轉(zhuǎn)安靜、無振動。運(yùn)轉(zhuǎn)安靜、無振動。 無驅(qū)動部件，易維修，節(jié)省能源。無驅(qū)動部件，易維修，節(jié)省能源。 器件體積小、質(zhì)量輕。器件體積小、質(zhì)量輕。質(zhì)量和體積可減至機(jī)械壓縮機(jī)質(zhì)量和體積可減至機(jī)械壓縮機(jī)1/51/5。 釋放氫的純度高。釋

13、放氫的純度高。氫氣里絕無油、水和空氣。氫氣里絕無油、水和空氣。 可以利用廢熱、耗電量少、運(yùn)輸費(fèi)用低?？梢岳脧U熱、耗電量少、運(yùn)輸費(fèi)用低。 多段壓縮可產(chǎn)生高壓。多段壓縮可產(chǎn)生高壓。 缺點：缺點： 氫流量受合金吸收、釋放氫的循環(huán)速度限制。氫流量受合金吸收、釋放氫的循環(huán)速度限制。 氫化物電極氫化物電極 19841984年以來，荷蘭年以來，荷蘭philipsphilips公司、日本松下電池公司以及中國的科研院公司、日本松下電池公司以及中國的科研院所研究開發(fā)多元儲氫合金電極材料，所研究開發(fā)多元儲氫合金電極材料，lanilani5 5基多元合金獲得突破。基多元合金獲得突破。 19901990年，日本率先實

14、現(xiàn)年，日本率先實現(xiàn)ni-mhni-mh（鎳金屬氫鎳金屬氫）電池的商業(yè)化，儲氫材料真正電池的商業(yè)化，儲氫材料真正得到應(yīng)用。得到應(yīng)用。 鎳氫電池的組成：鎳氫電池的組成：正極：正極：ni(oh)ni(oh)2 2 負(fù)極：負(fù)極：儲氫合金儲氫合金 電解質(zhì)：電解質(zhì)：堿性水溶液堿性水溶液( (如如koh)koh)ni-mhni-mh電池工作原理電池工作原理 ni-mhni-mh電池的工作基于儲氫合金的電化學(xué)吸放氫特性和電催化活性，其電池的工作基于儲氫合金的電化學(xué)吸放氫特性和電催化活性，其充放電機(jī)理是：氫在金屬氫化物充放電機(jī)理是：氫在金屬氫化物(mh)(mh)電極和電極和ni(oh)ni(oh)2 2電極之間在電極之間在kohkoh水溶水溶液中的運(yùn)動。簡單地說，就是在電池充放電過程中，氫液中的運(yùn)動。簡單地說，就是在電池充放電過程中，氫( (原子原子) )從一個