储氢合金及应用

1、1 1、氢能与储氢材料、氢能与储氢材料能源、环境、可持续发展能源、环境、可持续发展 当今社会发展的三大主题当今社会发展的三大主题能源能源 人类活动的源泉人类活动的源泉清洁能源清洁能源 人类社会健康发展的基础人类社会健康发展的基础氢能（氢能（Hydrogen energyHydrogen energy） 面向面向2121世纪的理想清洁能世纪的理想清洁能源之一源之一 化石能源化石能源煤、石油、天然气煤、石油、天然气 环境污染，资源渐趋环境污染，资源渐趋枯竭枯竭 可再生能源可再生能源太阳能、风能、海洋能、地热能、生物能、太阳能、风能、海洋能、地热能、生物能、氢能等氢能等 环境友好，取之不尽环境友好，

2、取之不尽 清洁且可再生能源的开发和利用清洁且可再生能源的开发和利用 国家经济可持续发展国家经济可持续发展的重要保障的重要保障（1 1）氢能）氢能 氢能氢能 以氢及其同位素为主导的反应中（或在状态变化以氢及其同位素为主导的反应中（或在状态变化过程中）所释放的能量过程中）所释放的能量 氢与氧化剂发生化学反应放出燃烧热或通过燃烧反应得化氢与氧化剂发生化学反应放出燃烧热或通过燃烧反应得化学能学能 氢发动机、燃料电池等氢发动机、燃料电池等 氢的热核反应放出热核能或聚变能氢的热核反应放出热核能或聚变能 氢弹、可控核聚变氢弹、可控核聚变反应反应 氢能是一种理想的二次能源氢能是一种理想的二次能源氢能的优点：氢

3、能的优点： 氢是自然界中存在最普遍的元素，它构成宇宙质量的氢是自然界中存在最普遍的元素，它构成宇宙质量的3/43/4，在地球上主要以化合物形式存在于水中在地球上主要以化合物形式存在于水中 从水中可分解出氢，氢燃烧反应又生成水，所以是取之不从水中可分解出氢，氢燃烧反应又生成水，所以是取之不尽、用之不竭的能源尽、用之不竭的能源 氢本身无毒，氢燃烧反应不会像矿物燃料那样产生大量烟氢本身无毒，氢燃烧反应不会像矿物燃料那样产生大量烟尘和有害气体尘和有害气体 清洁能源清洁能源 氢的发热值在所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高，氢的发热值在所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高，(1.21-1.43)X1

4、0(1.21-1.43)X105 5kJ/kgkJ/kgH H2 2，是汽油发热值的，是汽油发热值的3 3倍，焦炭发热倍，焦炭发热值的值的4.54.5倍倍 氢的燃烧性能好，点燃快，可燃范围宽，燃点高，燃烧速氢的燃烧性能好，点燃快，可燃范围宽，燃点高，燃烧速度快度快 在所有气体中，氢气的导热性最好，比大多数气体的导热在所有气体中，氢气的导热性最好，比大多数气体的导热系数高系数高1010倍，是极好的传热载体倍，是极好的传热载体 用途广泛，可直接用作发动机燃料、燃料电池燃料、化工用途广泛，可直接用作发动机燃料、燃料电池燃料、化工原料等原料等 氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物形式存在，能适氢可以以

5、气态、液态或固态的金属氢化物形式存在，能适应储运及各种应用环境的不同要求应储运及各种应用环境的不同要求 可作为储能介质，经济和有效地输送能源，作为二次能源，可作为储能介质，经济和有效地输送能源，作为二次能源，氢的输送与储存损失比电力小氢的输送与储存损失比电力小 氢能源的开发引起各国政府的极大重视氢能源的开发引起各国政府的极大重视 上世纪上世纪9090年代起，美、日、德等发达国家均制定了系统的年代起，美、日、德等发达国家均制定了系统的氢能研究与发展规划氢能研究与发展规划 中国、印度、墨西哥等发展中国家也有相应的规划考虑中国、印度、墨西哥等发展中国家也有相应的规划考虑 短期目标短期目标 燃料电池汽

6、车的商业化，在燃料电池汽车的商业化，在2020年左右时间内，年左右时间内，使氢能在总能源系统中占有一定份额使氢能在总能源系统中占有一定份额 长期目标长期目标 在化石能源枯竭时，承担起主体能源的角色在化石能源枯竭时，承担起主体能源的角色 随着科学技术的发展，氢能的应用不是遥远的未来，未来随着科学技术的发展，氢能的应用不是遥远的未来，未来的经济可望实现氢经济的经济可望实现氢经济 氢能转化为动力氢能转化为动力 动力产生电能而走向家家户户动力产生电能而走向家家户户 成为成为人类今后长期依靠的一种通用燃料人类今后长期依靠的一种通用燃料 与电力一起，成为与电力一起，成为2121世纪能源体系的两大支柱世纪能

7、源体系的两大支柱一次能源一次能源二次能源二次能源最终用户最终用户太阳能太阳能风风 能能海洋能海洋能地热能地热能氢氢 气气电电 力力汽车、飞机、船舶汽车、飞机、船舶工业、农业、民生工业、农业、民生2121世纪能源结构体系世纪能源结构体系（2 2）氢能系统与氢能技术）氢能系统与氢能技术氢能系统：氢能系统： 一个有机联系的系统工程一个有机联系的系统工程 包括制氢（包括制氢（hydrogen productionhydrogen production）、氢储存和输运）、氢储存和输运（hydrogen storage and transportationhydrogen storage and tran

8、sportation）、氢的利用）、氢的利用（hydrogen utilizationhydrogen utilization）三大关键系统）三大关键系统 每个系统都在发展各自的相应技术每个系统都在发展各自的相应技术制氢技术：制氢技术： 化石燃料制氢，以煤、石油或天然气等作原料制氢，产量化石燃料制氢，以煤、石油或天然气等作原料制氢，产量大，效率高，但伴有大量大，效率高，但伴有大量COCO2 2排放排放 水分解制氢，可通过电解、热化学循环分解、光化学分解水分解制氢，可通过电解、热化学循环分解、光化学分解等方式进行，氢的纯度高，效率低，成本高等方式进行，氢的纯度高，效率低，成本高 生物质制氢，包括

9、生物质汽化或裂解制氢和微生物制氢，生物质制氢，包括生物质汽化或裂解制氢和微生物制氢，前者效率高但氢气纯度低，后者规模和效率有待提高前者效率高但氢气纯度低，后者规模和效率有待提高储氢技术：储氢技术： 氢气储存有物理和化学两大类方法氢气储存有物理和化学两大类方法 物理储氢：液氢储存，高压氢气储存，活性炭吸附储存，物理储氢：液氢储存，高压氢气储存，活性炭吸附储存，碳纤维和碳纳米管储存，玻璃微球储存等碳纤维和碳纳米管储存，玻璃微球储存等 化学储氢：金属氢化物储存，有机液态氢化物储存，无机化学储氢：金属氢化物储存，有机液态氢化物储存，无机物储存，复杂氢化物储存等物储存，复杂氢化物储存等各种方法的储氢能力

10、各种方法的储氢能力休息休息15分钟分钟输氢技术：输氢技术： 氢有多种多样的输送方式，可根据地点、用途、用氢方式、氢有多种多样的输送方式，可根据地点、用途、用氢方式、距离、用量、用户分布、输送成本等因素综合考虑输送方距离、用量、用户分布、输送成本等因素综合考虑输送方案案 气体氢输送，可采用管道、车（船）载高压钢瓶等方式，气体氢输送，可采用管道、车（船）载高压钢瓶等方式，前者效率高，建造成本高，后者灵活性大前者效率高，建造成本高，后者灵活性大 液氢输送，可采用罐车、油轮或管道等方式，效率高，但液氢输送，可采用罐车、油轮或管道等方式，效率高，但系统复杂，成本高系统复杂，成本高 氢化物输送，可用桶或罐

11、装金属氢化物，灵活、安全和经氢化物输送，可用桶或罐装金属氢化物，灵活、安全和经济济综合输氢方案示意图综合输氢方案示意图氢的利用技术：氢的利用技术： 工业应用，化工（合成氨、合成甲醇、煤液化、石油精制工业应用，化工（合成氨、合成甲醇、煤液化、石油精制等），冶金（直接还原金属、光亮热处理等），半导体等），冶金（直接还原金属、光亮热处理等），半导体（制取多晶硅、外延生长等），玻璃，化肥等（制取多晶硅、外延生长等），玻璃，化肥等 交通运输，氢发动机、氢能汽车等交通运输，氢发动机、氢能汽车等 航天工业，液氢液氧火箭发动机航天工业，液氢液氧火箭发动机 氢发电，氢氧燃料电池（固定电站、便携式电源、动力电氢发

12、电，氢氧燃料电池（固定电站、便携式电源、动力电源）源） 家庭应用，家庭应用，Ni-MHNi-MH电池，清洁燃料等电池，清洁燃料等家庭用氢前景图家庭用氢前景图复合能源系统：复合能源系统： 氢作为储能介质氢作为储能介质 太阳能太阳能- -氢能系统氢能系统 阳光充足的夏季和白天阳光充足的夏季和白天 光发电电解水制氢，通过储氢光发电电解水制氢，通过储氢材料储氢，太阳能材料储氢，太阳能 转化成氢的化学能转化成氢的化学能 夜晚和冬季夜晚和冬季 利用氢运行燃料电池，或氢气的其它利用利用氢运行燃料电池，或氢气的其它利用太阳能氢能系统的结构概念图太阳能氢能系统的结构概念图（3 3）储氢材料）储氢材料储氢材料：储

13、氢材料： 能在适当的温度和压力下，大量可逆地吸收、释放氢的材能在适当的温度和压力下，大量可逆地吸收、释放氢的材料料 储氢材料可大致地分为三大类：金属储氢材料、非金属储储氢材料可大致地分为三大类：金属储氢材料、非金属储氢材料、有机液体储氢材料氢材料、有机液体储氢材料 是氢能系统中作为氢储存与输送载体的重要候选材料是氢能系统中作为氢储存与输送载体的重要候选材料 成为氢能技术开发中的关键材料之一成为氢能技术开发中的关键材料之一 储氢材料的研究开发与应用已成为国内外的热门研究课题储氢材料的研究开发与应用已成为国内外的热门研究课题 储氢材料仅有储氢材料仅有3030年的发展历史年的发展历史 新型功能材料新

14、型功能材料 发展迅速，受到各国政府的高度重视发展迅速，受到各国政府的高度重视 美国能源部用于氢储存方面的研究经费约占氢能研究经费美国能源部用于氢储存方面的研究经费约占氢能研究经费的的50%50% 日本政府制定的日本政府制定的“新阳光计划新阳光计划”中，储氢技术是氢能发电中，储氢技术是氢能发电计划中的三大内容之一计划中的三大内容之一 我国早在我国早在“八五八五”国家国家863863计划中就把储氢材料列为重点计划中就把储氢材料列为重点研究项目，之后又在国家研究项目，之后又在国家973973计划中列项支持计划中列项支持金属储氢材料：金属储氢材料： 氢几乎可以同元素周期表中的各种金属元素反应，生成金氢

15、几乎可以同元素周期表中的各种金属元素反应，生成金属氢化物属氢化物 但并不是所有金属氢化物都能做为储氢材料但并不是所有金属氢化物都能做为储氢材料 只有那些能在温和条件下大量可逆吸放氢的金属或合金氢只有那些能在温和条件下大量可逆吸放氢的金属或合金氢化物才能作为储氢材料使用化物才能作为储氢材料使用 目前已开发的具有实用价值的金属氢化物：稀土系目前已开发的具有实用价值的金属氢化物：稀土系ABAB5 5型；型；锆、钛系锆、钛系ABAB2 2型；钛系型；钛系ABAB型；镁系型；镁系A A2 2B B型；钒系固溶体型型；钒系固溶体型等等 储氢量一般在储氢量一般在1-3wt.%1-3wt.%非金属储氢材料：非金属储氢材料： 目前主要包括碳系材料（碳纳米管、石墨纳米纤维、高比目前主要包括碳系材料（碳纳米管、石墨纳米纤维、高比表面积活性炭等）、玻璃微球等非金属材料表面积活性炭等）、玻璃微球等非金属材料 均属于物理吸附型储氢材料均属于物理吸附型储氢材料 利用极大的活性比表面积，在一定的温度和压力下，吸取利用极大的活性比表面积，在一定的温度和压力下，吸取大量氢气