最新储氢材料.晋家伟

1、主主 要要 内内 容容l 储氢技术储氢技术l 金属储氢原理金属储氢原理l 储氢合金的研究与发展储氢合金的研究与发展l 储氢合金的应用储氢合金的应用 储氢技术储氢技术 基于某些金属或合金与氢反应后以金属氢化物基于某些金属或合金与氢反应后以金属氢化物形式吸氢，生成的金属氢化物加热后释放出氢气的形式吸氢，生成的金属氢化物加热后释放出氢气的这一特性来储氢的。这一特性来储氢的。 在这种技术中，最主要因素就是在这种技术中，最主要因素就是储氢材料储氢材料。 储氢合金的储氢能储氢合金的储氢能力很强，单位体积力很强，单位体积储氢的密度，是相储氢的密度，是相同温度、压力条件同温度、压力条件下下气态氢气态氢的的10

2、00倍。倍。 各种氢的储存方式的比较各种氢的储存方式的比较 储氢方式储氢方式基本原理基本原理特性比较特性比较气态储氢气态储氢采用压缩、冷冻等方式将采用压缩、冷冻等方式将压缩氢气储存于钢瓶中。压缩氢气储存于钢瓶中。 储氢量小储氢量小(15mpa，氢气重量，氢气重量尚不到钢瓶重量的尚不到钢瓶重量的1/100)； 使用不方便；使用不方便； 有一定的危险性。有一定的危险性。液态储氢液态储氢将氢气液化后储存。将氢气液化后储存。 深冷液化能耗高深冷液化能耗高(液化液化1kg氢氢气约需耗电气约需耗电410kwh)； 须有极好的绝热保护；须有极好的绝热保护； 绝热层的体积和重量往往与绝热层的体积和重量往往与储

3、箱相当。储箱相当。氢化物储氢氢化物储氢金属或合金与氢反应生成金属或合金与氢反应生成金属氢化物，实现储氢；金金属氢化物，实现储氢；金属氢化物加热后分解释放出属氢化物加热后分解释放出氢气，实现放氢。氢气，实现放氢。 氢以原子态储存于金属中，氢以原子态储存于金属中，储氢密度大；储氢密度大； 不易爆炸，安全性强；不易爆炸，安全性强； 储存、运输和使用方便；储存、运输和使用方便； 可多次循环使用。可多次循环使用。各种不同储氢方式储氢密度的比较各种不同储氢方式储氢密度的比较单位摩尔原子每立方厘米金属储氢原理金属储氢原理 金属的吸氢机理金属的吸氢机理氢分子吸附于合金表面；氢分子吸附于合金表面；氢的氢的h-h

4、键离解为氢原子；键离解为氢原子；氢原子从合金表面向合金内部扩散，氢原子从合金表面向合金内部扩散，进入金属原子的间隙中（晶格间位置）进入金属原子的间隙中（晶格间位置）形成固溶体；形成固溶体；固溶于金属中的氢再向合金内部扩散。固溶于金属中的氢再向合金内部扩散。金属的吸氢机理surface of alloyshydrogen storage alloys储氢合金的分类储氢合金的分类 储氢合金一般由储氢合金一般由a a、b b两类元素组成：两类元素组成： a a：容易容易形成氢化物的形成氢化物的放热型金属放热型金属如如mgmg、alal、titi、zrzr、v v、caca、稀土等。、稀土等。 b b

5、：难于难于形成氢化物的形成氢化物的吸热型金属吸热型金属如如nini、cucu、fefe、coco、mnmn等。等。 储氢合金的研究与发展储氢合金的研究与发展储氢合金应具备的条件储氢合金应具备的条件u高的储氢容量。高的储氢容量。即单位质量或体积吸氢量大即单位质量或体积吸氢量大u氢化物的生成热适当。氢化物的生成热适当。过高则氢化物过于稳定，放氢时需要较高的温度过高则氢化物过于稳定，放氢时需要较高的温度u吸、放氢速度快。吸、放氢速度快。u容易活化。容易活化。储氢合金第一次与氢反应称为活化处理储氢合金第一次与氢反应称为活化处理u长期循环稳定性。长期循环稳定性。经久耐用经久耐用u原材料资源丰富，价格便宜

6、。原材料资源丰富，价格便宜。目前储氢合金研究和开发中存在的问题：目前储氢合金研究和开发中存在的问题：目前已实用化的储氢合金，实际有效储氢容量偏低。其他目前已实用化的储氢合金，实际有效储氢容量偏低。其他高容量的合金或活化困难，或吸放氢条件苛刻，或循环稳定高容量的合金或活化困难，或吸放氢条件苛刻，或循环稳定性差。性差。今后储氢合金研究和开发中面临的任务：今后储氢合金研究和开发中面临的任务：开发新型高容量的储氢合金是其工程应用的关键。开发新型高容量的储氢合金是其工程应用的关键。在在-60-60120120的温和环境条件下，循环吸放氢效率高，的温和环境条件下，循环吸放氢效率高，并且兼顾经济、环保等因素

7、。并且兼顾经济、环保等因素。最新研究进展：最新研究进展：l mglinh、mgnanh体系储氢材料体系储氢材料mgmg( (nhnh2 2) )2 2和和lihlih以以3 3: :8 8的比例混合的比例混合获得的获得的mglinhmglinh，吸放氢温度小于，吸放氢温度小于200200，储氢容量达到储氢容量达到6.9%6.9%，非常适合汽车工业的需求。，非常适合汽车工业的需求。mg(nhmg(nh2 2) )2 2和和nahnah按按2:32:3的比例混合的比例混合获得的获得的mgnanhmgnanh，吸氢温度在，吸氢温度在6060，最大，最大吸氢量达到吸氢量达到2.17%2.17%，120

8、120开始放氢，开始放氢，1010次循环后吸放氢量没有衰减。次循环后吸放氢量没有衰减。l mg(alh4)2纳米复合储氢材料纳米复合储氢材料 美国计划采用化学气相合成方法制备出这种材料，有望将储氢量提高到美国计划采用化学气相合成方法制备出这种材料，有望将储氢量提高到9.0%9.0%以上。以上。 金属氢化物储氢金属氢化物储氢原理和结构：原理和结构：氢化物储氢装置是一种金属氢反应器。氢化物储氢装置是一种金属氢反应器。由于氢化反应的热效应，储氢装置一般为由于氢化反应的热效应，储氢装置一般为热交换器热交换器结构。结构。有固定式和移动式两种类型，后者可用于储运氢气及车有固定式和移动式两种类型，后者可用于

9、储运氢气及车辆氢燃料箱等供氢场合。辆氢燃料箱等供氢场合。 特点特点: : 储氢量大、重量轻、体积小。储氢量大、重量轻、体积小。 节省能源。节省能源。 安全可靠。安全可靠。储氢器储氢器 日本研制的金属氢化物储氢桶略图日本研制的金属氢化物储氢桶略图 储氢合金的应用储氢合金的应用 金属氢化物蓄热金属氢化物蓄热 原理：原理：金属吸氢生成氢化物，放热；氢化物分解放氢，吸热。利用这金属吸氢生成氢化物，放热；氢化物分解放氢，吸热。利用这种特性，可以制成蓄热装置，储存工业废热、地热、太阳能热等热能。种特性，可以制成蓄热装置，储存工业废热、地热、太阳能热等热能。 基本要求：基本要求：蓄热量大。蓄热量大。氢化物有

10、大的生成热。氢化物有大的生成热。 吸放氢反应速度快，可逆性好。吸放氢反应速度快，可逆性好。 工作温度范围宽。工作温度范围宽。202010001000 c c。 平衡分解压范围宽。平衡分解压范围宽。0.10.1几十兆帕。几十兆帕。 蓄热装置的基本构成：蓄热装置的基本构成：蓄热装置中使用两种金属氢化物：一是蓄热介蓄热装置中使用两种金属氢化物：一是蓄热介质的氢化物，二是储氢介质的氢化物。氢气由前者流向后者时蓄热，反质的氢化物，二是储氢介质的氢化物。氢气由前者流向后者时蓄热，反方向流动时放热。方向流动时放热。 分离、回收氢分离、回收氢 含有杂质气体的氢气被储氢合金吸收，含有杂质气体的氢气被储氢合金吸收

11、，形成氢化物，杂质气体则被排掉，再经加热形成氢化物，杂质气体则被排掉，再经加热即可放出氢气，实现将氢从混合气体中分离即可放出氢气，实现将氢从混合气体中分离出来，进而回收的目的。出来，进而回收的目的。 制取高纯度氢气制取高纯度氢气 含有杂质的氢气与储氢合金接触，氢气含有杂质的氢气与储氢合金接触，氢气被吸收，而杂质则被吸附于合金表面，除去被吸收，而杂质则被吸附于合金表面，除去杂质后，再使氢化物放氢，则可得到高纯度杂质后，再使氢化物放氢，则可得到高纯度的氢气，其纯度可高达的氢气，其纯度可高达99.9999%99.9999%。 氢气净化器氢气净化器 金属氢化物氢压缩机金属氢化物氢压缩机 基本原理：基本

12、原理：金属金属储氢材料在室温和较低压力下吸收氢气形成金属氢化物，储氢材料在室温和较低压力下吸收氢气形成金属氢化物，饱和后提高金属氢化物的温度，其平衡压力将相应提高，因此处于高温的饱和后提高金属氢化物的温度，其平衡压力将相应提高，因此处于高温的氢化物可以释放相应高压的氢气，实现热能与机械能之间的转换。氢化物可以释放相应高压的氢气，实现热能与机械能之间的转换。 优点：优点： 运转安静、无振动。运转安静、无振动。 无驱动部件，易维修，节省能源。无驱动部件，易维修，节省能源。 器件体积小、质量轻。器件体积小、质量轻。质量和体积可减至机械压缩机质量和体积可减至机械压缩机1/51/5。 释放氢的纯度高。释

13、放氢的纯度高。氢气里绝无油、水和空气。氢气里绝无油、水和空气。 可以利用废热、耗电量少、运输费用低。可以利用废热、耗电量少、运输费用低。 多段压缩可产生高压。多段压缩可产生高压。 缺点：缺点： 氢流量受合金吸收、释放氢的循环速度限制。氢流量受合金吸收、释放氢的循环速度限制。 氢化物电极氢化物电极 19841984年以来，荷兰年以来，荷兰philipsphilips公司、日本松下电池公司以及中国的科研院公司、日本松下电池公司以及中国的科研院所研究开发多元储氢合金电极材料，所研究开发多元储氢合金电极材料，lanilani5 5基多元合金获得突破。基多元合金获得突破。 19901990年，日本率先实

14、现年，日本率先实现ni-mhni-mh（镍金属氢镍金属氢）电池的商业化，储氢材料真正电池的商业化，储氢材料真正得到应用。得到应用。 镍氢电池的组成：镍氢电池的组成：正极：正极：ni(oh)ni(oh)2 2 负极：负极：储氢合金储氢合金 电解质：电解质：碱性水溶液碱性水溶液( (如如koh)koh)ni-mhni-mh电池工作原理电池工作原理 ni-mhni-mh电池的工作基于储氢合金的电化学吸放氢特性和电催化活性，其电池的工作基于储氢合金的电化学吸放氢特性和电催化活性，其充放电机理是：氢在金属氢化物充放电机理是：氢在金属氢化物(mh)(mh)电极和电极和ni(oh)ni(oh)2 2电极之间在电极之间在kohkoh水溶水溶液中的运动。简单地说，就是在电池充放电过程中，氢液中的运动。简单地说，就是在电池充放电过程中，氢( (原子原子) )从一个