第3节 贮氢材料.ppt

贮氢合金(Hydrogen Storage Alloys) 原子能，太阳能, 地热能，风能， 氢能。 氢是一种洁净、无污染、发热值高、取之不尽又用之不竭的二次能源。 1）氢是宇宙中分布最广的元素 据估计它构成了宇宙质量的3/4, 在地壳中占0.76 wt%。若把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料燃烧所放出的总热量大9000多倍。 2）氢本身无毒 氢燃烧时，除生成水和少量的氮化氢外，不会像矿物燃料那样产生大量的烟尘及一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物等对环境有害的物质。所以，氢是一种最清洁的能源。 3）氢的燃烧值高 除核燃料之外，氢的燃烧值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，为1.21~1.43 ×105 kJ. kg-1H2 , 是汽油发热值的3倍，焦炭的4.5倍。 4）氢燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，燃烧速度快。 5） 在所有的气体中，氢的导热性最好，比大多数气体的导热系数高出10倍，因此在能源工业中氢是极好的传热载体。 6） 用途广泛 可以直接用作发动机燃料、化工原料、燃料电池燃料等。用氢代替煤和石油，无需对现有技术装备作重大改造，现有的内燃机稍加改装即可使用。 7）氢可以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应储运及各种应用环境的不同要求。 8） 可作储能介质，经济有效地输送能源。 鉴于以上优点，氢能源的开发和利用引起了人们的极大兴趣。从20世纪90年代起，美、日、德等发达国家均制定了系统的氢能研究与发展计划。 短期目标：氢燃料电池汽车的商业化。 长期目标：在化石燃料枯竭时，氢能担当起到代替的角色，并与电力一道成为未来能源体系的两大支柱。 当前，人类面临着能源危机，作为主要能源的石油、煤炭和天然气由于长期的过量开采已濒临枯竭。 以氢作为能源的关键是氢的贮存和运输做到安全、效率高. 目前常用的方法是钢瓶贮氢，但这种方法有一定危险性, 而且贮氢量小，使用也不方便。 将氢气压缩后深冷至21K以下，使之变为液氢，然后储存在特制的绝热的真空容器中。 常温、常压下液氢的密度为气态氢的845倍，液氢的体积能量密度比气体高好几倍。适合空间有限的场合，火箭发动机、汽车、航天飞机等。若仅从质量和体积上考虑，液氢储存是极为理想的储氢方式。 缺点： （1）氢气液化要消耗大量的冷却能量，液化1kg氢约需耗电4～10kW.h。 （2）液氢储存必须使用特殊的容器，必须严格绝热，才能保证安全。 因此，对储存槽及绝热材料的选择均有严格要求。 除用于火箭等特殊场合，这种做法是不经济的。 2）高压储存氢气 高压气瓶，15 MPa, 是传统储存气体的方式。 缺点： （1）需要厚重的耐压容器； （2）消耗很多的氢气压缩功； （3）氢气只占容器质量的1～2％。 （4）不安全。 3）玻璃微球储氢 中空的玻璃微球，直径在25～500μm之间，球壁厚度仅1μm。在高压下（10～200 MPa）加热到200～300℃的氢气扩散进入玻璃空心球内，然后等压冷却，氢的扩散性随温度的下降而大幅度下降，使氢有效地储存在空心微球中。使用时加热储存器，可使氢气释放出来。常温下可达15～42％（质量）。关键是制备高强度的空心玻璃微球，合适的加热方式以全部氢的安全释放。 4）吸附储氢 分子筛、活性碳、碳纤维、纳米碳管等。 （1）活性炭 活性炭吸氢量和压力有关。 一般是温度越低、压力越高，储氢量越大。 在77K时，活性炭的吸氢量已达5.3％（质量）。 但低温时，氢的留存量较大，必须真空加热活化。 （2）纳米碳管 纳米碳管储氢是近年来才发展起来的，储氢量远大于其他吸附材料。 其吸氢量可高达9.9%； 吸附速度快（可在数小时内完成），且在室温下进行； 解吸速度快（数十分钟内完成），可直接获得氢气，使用方便； 缺点：价格高。 5） 有机液体储氢 某些有机液体，如苯、甲苯、甲基环已烷、萘，在合适催化剂的的作用下，可以在较低的压力和较高的温度下，作为氢的载体，储存氢气。其储氢量可达7％左右。 缺点是： （1）需要催化剂、催化剂容易失活、低温转化率低。 （2）载体有一定的毒性。 6）金属（或合金）储氢 某些金属或合金与氢反应后以金属氢化物的形式吸氢，生成的金属氢化物加热后放出氢气，利用这一特性就可以有效地储氢。 有些金属氢化物的储氢密度可达标准状态下氢气的1000倍，与液氢相同甚至超过液氢。 表1 某些金属氢化物的储氢能力 氢的气液态储存 运