第2章 储氢合金

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1、第2章储氢合金HydrogenStorageMetal主讲老师：严红革背景介绍氢能的重要性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、酸雨等严重威胁地球动植物的生存！人类的出路何在？－新能源的研究势在必行！氢能－二十一世纪的绿色能源！氢能的开发是大势所趋。氢能的优点氢是自然界中最普遍的元素,资源无穷无尽；氢的热值高，燃烧产物是水，零排放、无污染、可循环利用；氢能可用于燃烧放热或电化学

2、发电；氢可以气态、液态、固体或化合物方式储运。1974年开始的阳光计划是日本最早、长期、综合的技术开发计划。开发氢能技术是该计划的一部分。氢能清洁，而且是以近于无限的水为原料，可作为未来的二次能源。阳光计划包括太阳能、地热能、煤的气化与液化和氢能的四大能源。发展氢能的关键技术廉价而又高效的制氢技术；安全高效的储氢技术－开发新型高效的储氢材料和安全的储氢技术是当务之急；车用氢气存储系统目标：IEA：质量储氢容量>5%;体积容量>50kg(H)/m3;2DOE：>6.5%,>62kg(

3、H2)/m3。制氢技术方法：电解水法、分解氨法、石油及天然气分解法、水的光解法。传统电解水制氢法：操作温度60～80℃,能源效率约60%。在制氢成本中,电费占很大比例。电解水制氢法存在的问题：电能消耗大。水的理论电解电压为1.23V,但实际上由于氧和氢的生成反应过程中的过电压、电解液电阻及其它电阻，需要的电压为2.0～2.2V，比理论值高很多。因此，产生的能量损失使制氢成本升高。为了能用电解水法制氢，需要大幅度提高电力效率和电流密度。先进的电解水制氢法：高温高压电解法提高电解温度可以降低理论

4、电解电压和因过电压、电阻所引起的损失；适当提高电解槽压力可使生成的氧气和氢气的气泡变小，避免因气泡作用而减少电极的工作面积。必须解决隔膜材料、电极材料和电解槽结构问题。传统储氢技术存在的问题以气体状态储存与运输需要大容量气罐和钢瓶，对容器壁厚有一定要求，由于重量增加，降低了氢气的输送与储存效率。用管道输氢要考虑到在常温附近时氢的致脆性和泄漏危险。成本很高。以液体形式储存氢时，气体的液化要消耗大最的能量和需要昂贵的设备投资。固态储氢方法的优点某些金属或合金与氢容易反应生成含氢量很高的金属氢化

5、物，在适当的温度下金属氢化物又能把氢放出来。这一特性可以用于氢的储运。用这种方法储氢，因金属和合金的不同，有的储氢密度为标准状态下氢的1000倍左右，与液体氢相同，或超过液体氢，使单位重量可利用的氢量大，不用复杂容器就可长时间储存和可获得高纯度氢。因此，这是一种经济、有效的储氢方法。最近，各国都在对储氢合金和氢的储存与输送装置进行开发研究。固态储氢技术的研究方向利用金属氢化物单位体积的氢密度大，可与液体氢相比的特点，进行氢的储存、输送容器和氢燃料汽车用燃料箱的开发研究。利用反应过程中的焓变化

6、，开发热能的化学储存与输送技术。利用热能转换为压力的机能，对使用低质热源的热泵、动力转换和发电等技术进行开发研究。利用金属与氢反应的选择性，开发氢的分离、精制技术。为进行热核反应堆实验，对用金属氢化物储存与回收氚的技术进行研究。对金属与氢反应的同位素效应应用于氢同位素分离的技术进行开发研究。利用金属与氢反应的可逆性，对以氢为燃料(活性物质)的电池进行研究。利用金属吸收的氢对有机化合物的氢化反应有极高活性的特点，对做合成化学催化剂进行实验研究。第1节金属储氢原理HydrogenonHyd

7、rogenonTetrahedralSitesOctahedralSitesPositionforHoccupiedatHSM一、储氢合金的化学和热力学原理1.金属氢化物的分类盐型氢化物氢与电负性低、化学活性大的IA、ⅡA族等元素反应，生成LiH和CaH2等盐型氢化物。H原子夺得1个电子,变成H-。碱土金属氢化物为NaCl型结构，金属离子大致形成六方密堆积结构，H-离子填充于晶格间隙内。此类化合物可用于储氢。金属型氢化物很多过渡金属容易与氢反应，生成氢化物。氢原子为间隙原子，储存于晶格间隙内。

8、此类化合物为间隙型化合物。适合于储氢。共价键高聚合型氢化物指元素周期表中B或其附近元素的氢化物。有类似B2H6那样的氢的桥型键。如(ZnH2)n、(AlH3)n和(BeH2)n等。分子型氢化物指非金属元素的氢化物。一般氢与ⅢA～ⅦA族元素反应，生成分子型氢化合物。2.储氢反应原理氢化反应过程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发生可逆反应，生成固溶体MHx和氢化物MHx。反应分三步进行:Me先吸收少量氢气,形成含固溶体,合金结构保持不变，其固溶