5-1 稀土储氢材料课件.ppt

第五章 稀土贮氢材料;contents;一、贮氢材料概述;化石能源的有限性与人类需求的无限性－石油、煤炭等主要能源将在未来数十年至数百年内枯竭！！！ 化石能源的使用正在给地球造成巨大的生态灾难－温室效应、酸雨、地震等严重威胁地球动植物的生存！！！ 人类的出路何在？－新能源研究势在必行！！！;能源概况;氢能源;如果按每千克燃料所放出的热量来进行计算，氢气为120918KJ，液化气为45367KJ。 氢能不但是一种高效，干净，无毒，无二次污染的理想能源，而且氢的储量用之不尽，加上氢能应用广泛、适应性强、可用作燃料电池发电，也可用于氢能汽车、化学热泵等。因此，氢能的开发和利用成为世界各国特别关注的科技领域。;　　如果进一步用太阳能以海水制氢，则可实现无公害能源系统。 　　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。 ;　定义：　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金属材料。;　　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。;　　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。;;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。;不同储氢方式的比较;体积比较;　　可见，利用金属氢化物贮存氢从容积来看是极为有利的。 汽车用贮氢材料的要求： 工作压力（105~106Pa），储氢量（4%~5%），工作温度（273~373K）要同时满足3个指标。;　　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。;　　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。;　　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。 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。;　　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。LaNi5和TiFe是目前性能最好的贮氢材料。;贮氢合金： 与氢反应的金属有2种： 1种是容易与氢反应，能大量吸氢，形成稳定的氢化物，并放出大量的热，这些金属主要有ⅠA-ⅤB族金属，如Ti, Zr, Ca, Mg, V, Nb, RE, 它们与氢反应为放热反应（ΔH0）;2种是：金属与氢的亲和力小，但氢很容易在其中移动，氢在这些元素中的溶解度小，通常条件下不生成化物，主要是ⅥB-ⅧB过渡族金属，如Fe，Co，Ni，Cr，Cu，Al等，氢溶于这些金属时为吸热反应（ ΔH0 ）;目前开发的贮氢合金，基本上都是将放热型金属和吸热型金属组合在一起。 某种合金与氢在一定压力下反应生成合金氢化物，把氢贮存起来，除同时产生热能可以利用外，还有多种功能：1）利用其吸氢密度大的特性作为吸氢材料，可解决氢的贮存。2）做二次电池的负极材料，制成小型民用或汽车用电池。;3）利用其选择性吸氢的特点，可用于氢的回收。4）利用其温度-压力变换特性，可以实现热能和机械能的转换，制成热泵，热管，氢气压缩器、氢气发电机等。5）利用贮氢材料-氢气系统制成燃气发动机，用于氢能汽车、氢能飞机和氢能船舶。6）利用其加氢催化性能可制成催化剂，用于甲烷合成、氨合成等加氢反应中。7）可作为热能、太阳能、地热能、核能和风能的贮存介质。;储氢材料的分类;二、贮氢合金的基本原理;3个反应过程：;这个反应是可逆反应，吸氢时放热，吸热时放出氢气，不论是吸氢反应还是放氢反应，都与系统温度、压力及合金成分有关。根据Gibbs相律，温度一定时，反应有一定的平衡压力。贮氢合金-氢气的平衡图可由压力(p)-浓度(c)等温线表示。;;Gibbs 相率解释平台区;p-c-T曲线;影响p-c-T曲线平台压的因素;影响p-c-T曲线平台压的因素;B位替代：以金属Mn、Al、Co、Fe、Cr等元素替代B侧的Ni，均使氢化物的稳定性增加，平台压降低。因为这样元素的原子半径均大于Ni的原子半径。 3. 温度： 温度对平台压的影