储氢合金课件.ppt

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1、第五章储氢合金氢——二十一世纪的能源工业革命开启了人类走向现代化的进程。一个多世纪以来，人类社会快速发展，能源一直是强大的推动力。人们依靠的主要能源是化石燃料：煤、石油和天然气。这些燃料的形成开始于千百万年前，数量毕竟有限，在长期的开采之后已经有枯竭的危险。二百年后，恐怕所有的化石燃料都将消耗殆尽。况且它们也并非十全十美，如空气污染、酸雨、温室效应，种种环境问题的产生都直接归因于化石燃料的燃烧。因此，为了人类的可持续发展，寻找一种可再生、具高燃烧值、易于利用又不污染环境的新型燃料已经迫在眉睫。氢被人们视作化石燃料的最佳替代物。因为氢在物理和化学方面都体现出诸多优势：(1)氢具有很

2、高的燃烧值。单位质量的氢气所含的化学能（142MJ/kg）至少是其他化学燃料的三倍。(2)氢在氧气中燃烧只产生水，预计不会对环境产生负面影响，是一种绿色的能源。(3)氢是地球上最丰富的元素之一。当然，以分子氢形式存在的H仅占总量的不到1%，绝大部分是结合在水和烃类中。要实现氢能源的大规模普及，首先要解决氢气的制取问题，而制取氢气是要消耗化学能的。目前工业上主要以煤或天然气为原料制取氢气，全球产量达每年5×1010kg，但以化石燃料制取新能源显然有违我们的初衷，这与燃烧化石燃料无异。最清洁的氢气制取方法是在催化剂（如TiO2）存在下利用太阳能使水光解，这种方法真正实现了能量的持续转

3、化（化学能直接来自太阳能）和物质的循环利用，且没有污染，是未来大规模产氢的理想途径。(4)氢的燃烧能以高效和可控的方式进行。由于历史原因，人们曾认为氢的燃烧是难以控制的。氢气的无毒和高挥发性也保证了其应用的安全。目前氢能源已在军工、航天等领域率先取得了应用。氢燃料电池是目前应用最广的一种燃料电池，20世纪60年代美国航天局曾把碱性H2-O2(过氧化氢)电池应用在载人航天飞船上，但高昂的造价阻碍了其转向民用。汽车是消耗化石燃料的大户，汽车尾气对于环境的污染也是尽人皆知。要保护环境，必须推广氢燃料的汽车。对汽车来讲，氢气的存储应当密度高、轻便、安全而且经济。一台装有24kg汽油可行驶

4、400km的发动机，行驶同样的距离，靠燃烧方式需消耗8kg氢，靠电池供能则仅需4kg氢。4kg的氢气在室温和一个大气压下体积为45m3，这对于汽车载氢是不现实的。目前限制氢燃料汽车推广的最主要因素就是氢气的储存问题。传统的基于液化氢和高压气态氢的储存方法有很大的弊端。要携带足够行驶400-500km的高压气态氢，容器必须由能禁受住高达700bar压力的复合材料制成。如果发生撞车，后果不堪设想；容器的绝热性对再次充氢不利；对压力进行有效的控制就更是一个难题。要增加单位体积容器的储氢量，液态氢相对可行，为此必须将氢气冷却至21K（-248°C），而该过程消耗的能量相当于储存氢气能量的

5、三分之一。为防止形成过高的压力，储氢系统必须是开放的，于是透过绝热壁的有限热交换会使得每天有2-3%的氢气蒸发损失，这进一步降低了储存的效率。液氢作为燃料应用于航天飞机以及一些高速飞机。目前解决上述问题的最好办法就是将氢气储存在某种可以快速吸入和释放大量氢气的材料中，这就是储氢材料。储氢材料及其分类：储氢材料具有在特定条件下吸附和释放氢气的能力。在实际应用中，由于要经常补充氢燃料，所以我们要求材料对氢的吸附要有良好的可逆性。储氢材料的主要性能指标有理论储氢容量、实际可逆储氢容量、循环利用次数、补充燃料所需时间以及对杂质（空气中和材料中）的不敏感程度等。更高的要求是适应燃料电池的工

6、作条件。至于成本因素，由于目前各种材料的成本都较高，还找不到一种特别经济划算的物质，因此这个问题只能留待将来的研究解决了。目前储氢材料的研究基本上围绕着汽车上的应用而进行。然而不可否认，其中的大多数该领域目前所有的研究方向还与实际应用有着很大的距离，已经投入应用的也远非十全十美。根据吸附氢气作用力的不同，储氢材料可大体分为两类：化学吸附材料和物理吸附材料。化学吸附是指氢分子解离，氢原子插入底物的晶格或者形成新化合物。物理吸附中氢仍以分子态存在。化学吸附：目前应用最多的储氢材料是合金。在二元金属氢化物中，两个氢原子的最小距离仅为0.21nm，因此合金往往能提供很高的单位体积储氢容量

7、。然而，由于金属原子的质量相对比较大，合金的单位重量储氢容量一般都很低。为此，人们又开发了轻金属的复合氢化物，如硼氢化物、铝氢化物等。这类物质中氢的质量分数都很高，很有发展潜力。化学吸附材料中最有名的要数LaNi5（镧镍合金），它是镍氢电池的负极材料。(1)金属氢化物及合金许多金属和合金都有可逆吸收大量氢气的能力。金属氢化物及合金一般在吸氢时显为放热反应，脱氢时显为吸热反应。压力稍高而温度低时此材料可以吸收氢，而当压力降低或温度升高时氢又可释放出来，这就实现了反复吸放氢的过程。但