第10章储氢材料.pptx

1 第十章 储氢材料 　　氢能源是作为一种储量丰富、无公害的能源替代品而倍受重视。 　　在以氢作为能源媒体的氢能体系中，氢的贮存与运输是实际应用中的关键。 　　贮氢材料就是作为氢的贮存与运输媒体而成为当前材料研究的一个热点项目。 2 　　贮氢材料(Hydrogen storage materials)是在通常条件下能可逆地大量吸收和放出氢气的特种材料。 3 　　贮氢材料的作用相当于贮氢容器。 　　贮氢材料在室温和常压条件下能迅速吸氢(H2)并反应生成氢化物，使氢以金属氢化物的形式贮存起来，在需要的时候，适当加温或减小压力使这些贮存着的氢释放出来以供使用。 4 　　贮氢材料中，氢密度极高，下表列出几种金属氢化物中氢贮量及其他氢形态中氢密度值。 5 　　从表中可知，金属氢化物的氢密度与液态氢、固态氢的相当，约是氢气的1000倍。 6 　　另外，一般贮氢材料中，氢分解压较低，所以用金属氢化物贮氢时并不必用101.3MPa(1000atm)的耐压钢瓶。 7 　　可见，利用金属氢化物贮存氢从容积来看是极为有利的。 　　但从氢所占的质量分数来看，仍比液态氢、固态氢低很多，尚需克服很大困难，尤其体现在对汽车工业的应用上。 8 　　当今汽车工业给环境带来恶劣的影响，因此汽车工业一直期望用以氢为能源的燃料电池驱动的环境友好型汽车来替代。 9 　　对于以氢为能源的燃料电池驱动汽车来说，不仅要求贮氢系统的氢密度高，而且要求氢所占贮氢系统的质量分数要高(估算须达到(H) =6.5％)，当前的金属氢化物贮氢技术还不能满足此要求。 　　因此，高容量贮氢系统是贮氢材料研究中长期探求的目标。 10 　　贮氢材料的发现和应用研究始于20世纪60年代，1960年发现镁(Mg)能形成MgH2，其吸氢量高达(H)＝7.6％，但反应速度慢。 11 　　1964年，研制出Mg2Ni，其吸氢量为(H)=3.6％，能在室温下吸氢和放氢，250 ℃时放氢压力约0.1MPa，成为最早具有应用价值的贮氢材料。 12 　　同年在研究稀土化合物时发现了LaNi5具有优异的吸氢特性;1974年又发现了TiFe贮氢材料。 13 （一）贮 氢 原 理 1、金属与氢气生成金属氢化物的反应 2、金属氢化物的能量贮存、转换 3、金属氢化物的相平衡和热力学 14 第一节 金属的贮氢原理 一、金属的贮氢原理 氢的存贮方式 物理方式贮氢：如采用压缩、冷冻、吸附等方式； 金属氢化物贮氢： 氢化物具有优异的吸放氢性能外，还兼顾了很多其它功能。 在一定温度和压力下，许多金属、合金和金属间化合物（Me）与气态H2可逆反应生成金属固溶体MHx和氢化物MHy。反应分三步进行： 15 先吸收少量氢，形成含氢固溶体（α相）。其固溶度[H]M与固溶体平衡氢压的平方根成正比： 第一步： 第一节 金属的贮氢原理 贮氢合金 16 固溶体进一步与氢反应，产生相变，形成氢化物相（β相）： 式中：x为固溶体中的氢平衡浓度，y是合金氢化物中氢的浓度，一般y≥x。 第二步： 第一节 金属的贮氢原理 再提高氢压，金属中的氢含量略有增加。 第三步： 17 金属与氢的反应是一个可逆过程。 正向反应吸氢、放热，逆向反应释氢、吸热。 改变温度和压力条件可使反应按正向、逆向反复进行，实现材料的释放氢功能。 第一节 金属的贮氢原理 金属吸氢生成金属氢化物还是金属氢化物分解释放氢，受温度、压力和合金成分的控制 P-C-T曲线） 18 第一节 金属的贮氢原理 图4-1 M-H系统平衡压相图 19 20 p-c-T曲线是衡量贮氢材料热力学性能的重要特性曲线。通过该图可以了解金属氢化物中能含多少氢(％)和任一温度下的分解压力值。 p-c-T曲线的平台压力、平台宽度与倾斜度、平台起始浓度和滞后效应，既是常规鉴定贮氢合金的吸放氢性能主要指标，又是探索新的贮氢合金的依据。 第一节 金属的贮氢原理 21 第一节 金属的贮氢原理 在吸收和释放氢过程中有金属-氢系的平衡压力不相等的滞后现象。产生滞后效应的原因，目的还不太清楚，但一般认为，它与合金氢化过程中金属晶格膨胀引起的晶格间应力有关。滞后程度的大小因金属和合金而异，如MmNi5（Mm是混合稀土）和TiFe系氢化物的滞后程度较大。 滞后应越小越好 22 第一节 金属的贮氢原理 氢与金属或合金的基础反应： （1）H2传质； （2）化学吸附氢的解离，H2＝2Had ； （3）表面迁移； （4）吸附的氢转化为吸收氢，Had ＝Habs； （5）氢在相的稀固态溶液中扩散； （6） 相转变为相， Habs()＝Habs()； （7）氢在氢化物（  ）中扩散。 23 第一节 金属的贮氢原理 合金的吸氢反应机理 24 第一节