第六讲 储氢材料与镍氢电池

第六讲储氢材料和镍氢电池材料石油40年天然气

50年煤碳240年能源危机温室气体Co2排放量增加导致全球气温升高受酸雨伤害的植物生物质能风能燃料电池地热能氢能核能太阳能光伏发电太阳能热能小水电Clean&RenewableEnergyTechnologies燃料电池系统是氢能利用的最佳方案和新技术平台，已被美国《时代》周刊评为21世纪有重要影响的十大技术之一。科学家认为，燃料电池与氢能这两项技术的发展将会最终实现我们人类的能源之梦。国家中长期科学和技术发展规划纲要

（2006-2020年）五、前沿技术

3.新材料技术：(11)高效能源材料技术

重点研究太阳能电池相关材料及其关键技术、燃料电池关键材料技术、高容量储氢材料技术、高效二次电池材料及关键技术、超级电容器关键材料及制备技术，发展高效能量转换与储能材料体系。

5.先进能源技术：(15)氢能及燃料电池技术

重点研究高效低成本的化石能源和可再生能源制氢技术，经济高效氢储存和输配技术，燃料电池基础关键部件制备和电堆集成技术，燃料电池发电及车用动力系统集成技术，形成氢能和燃料电池技术规范与标准。六、基础研究

3.面向国家重大战略需求的基础研究：(6)能源可持续发展中的关键科学问题

重点研究化石能源高效洁净利用与转化的物理化学基础，高性能热功转换及高效节能储能中的关键科学问题，可再生能源规模化利用原理和新途径，电网安全稳定和经济运行理论，大规模核能基本技术和氢能技术的科学基础等。一、储氢材料氢能21世纪的绿色能源①氢的原料是丰富的水，氢可由多种一次能源制取，没有资源的限制；②氢的反应生成物是水，不污染环境；③与长年累月生成的化石燃料不同，氢来自水燃烧后又回归于水，不影响地球上的物质循环；④与电力储藏困难相反，氢能储藏很容易；⑤氢能作为取代石油的液体燃料，可用于汽车燃料，飞机燃料等；⑥氢能可由燃料电池直接用来发电；⑦氢与储氢材料之间的可逆反应具有能量转换功能。故可广泛用于二次电池等。氢能是取之不尽用之不竭的洁净能源氢能社会构想再生能源制氢CO2处理加氢站燃料电池工厂天然气制氢电厂终端用户HydrogenSystem制氢技术介绍化石燃料可再生能源生物制氢水解制氢1.1氢气的制取和储存

氢能的实用化，尚待解决以下几技术难题：廉价的制氢技术——基础安全可靠的储存和运输方法——关键高效率地转换氢能的技术开发-燃料电池技术将氢能用于社会各行各业的技术开发法律和社会伦理道德的准备氢燃料电池汽车将是氢能利用的突破口。氢能社会为何还未到来？当前主要采用的工艺：天然气水蒸气重整天然气裂解煤气化制氢碳氢化合物部分氧化或自热重整(1)化石燃料制氢(2)电解水制氢

阳极

2H2OO2+4H++4e_Er

0.82V阴极

2H+

+2e_

H2Er0.41V(3)光解制氢和生物制氢H2OH+

H+e_0.5O2H2e_(A)高压氢气(B)低温液氢(C)金属氢化物(D)微反应器耐压瓶氫分子绝热瓶液態氫金属原子酒精催化剂氢的主要储运方式物理法化学法各种储氢材料的储氢能力比较储存介质氢密度(1022H原子数/cm3)储氢量(wt%)脱氢压力（atm）和温度高压氢(100atm)5.410-3100-(20K)液态氢4.2100-固体氢(4.2K)5.3100-MgH26.67.61(2900C)TiH29.14.01(>6000C)VH210.53.84(400C)ZrH27.32.21(>6000C)LaH36.92.11(11000C)Mg2NiH45.63.61(2500C)TiFeH1.95.71.83(200C)LaNi5H66.21.42(200C)ZrMn2H3.56.01.750.1(2100C)1.2储氢材料氢的储存方式气态储氢，压缩（30MPa，1/100)(70Mpa，6.5/100)液态储氢，密度高、20K（12Kwh/Kg）、绝热层，蒸发损失固态储氢优势？固态储氢优势运输方便无需高压及隔热容器安全性好，无爆炸危险储氢能力很强单位体积储氢的密度，是相同温度、压力条件下气态氢的1000倍可得到高纯氢固态储氢方式金属氢化物MetalhydrideComplexhydride吸附储氢Carbon-basedmaterialMetal-organicframework体积比较1.2.1储氢合金概念一定的温度和压力条件下，一些金属能够大量“吸收”氢气，反应生成金属氢化物，同时放出热量。其后，将这些金属氢化物加热，它们又会分解，将储存在其中的氢释放出来。这些会“吸收”氢气的金属，称为储氢合金。1.2.2金属储氢理论基础（1）晶体结构fcc、hcp、bccTetrahedralSitesOctahedralSites(2)氢进入储氢合金的历程H2在镍层中被化学吸附；H-H断裂，H原子；深入到LaNi5的晶格中。La2O3+La(OH)3表面层＋Ni单体LaNi5层(3)储氢合金热力学P-C-T曲线1.2.3储氢合金的种类稀土镧镍系钛系镁系钛/锆系A＋B（Ni、Fe、Co、Mn、Cu、Al、Cr等)稀土镧镍系储氢合金

典型代表：LaNi5,荷兰Philips实验室首先研制特点：储氢量约1.4%活化容易平衡压力适中且平坦，吸放氢平衡压差小抗杂质气体中毒性能好适合室温操作经元素部分取代后的MmNi3.55Co0.75Mn0.47Al0.3(Mm混合稀土，主要成分La、Ce、Pr、Nd)广泛用于镍/氢电池PCTcurvesofLaNi5alloy

钛系－Ti与3价过渡金属的合金A2B、AB、AB2型钛铁系、钛钴系、钛锰系、钛铬系典型代表：TiFe，美Brookhaven国家实验室发明储氢量大（1.8～2.4wt.％）价格低室温下可逆储放氢易被氧化活化困难抗杂质气体中毒能力差实际使用时需对合金进行表面改性处理镁系－镁镍系、镁铝系、镁镧系典型代表：Mg2Ni，美Brookhaven国家实验室首先报道密度小，储氢容量高3.6wt.%资源丰富价格低廉放氢温度高（250－300℃）循环稳定性很差（15次）改进方法：机械合金化（纳米化）、非晶化锆系AB2型Laves相结构，Zr-V、Zr-Cr、Zr-Mn系立方结构，晶胞体积比六方晶系AB5型大一倍（1.7~2.0wt.%)ZrMn0.3Cr0.2V0.3Ni1.2，松下Cs型镍氢电池循环寿命长难活化价格贵钒系V-Ti、VZr、VTiM（M=Cr、Mn、Ni、Zr等）储氢容量大，3.8wt.%抗粉化性能好可利用的吸放氢量低CarbonNanotubeasHydrogenStorageMedia？TheUSdepartmentofenergy(DOE)’scurrentgoalisacapacityof>6.5%byweightatambienttemperatureandpressure

AimFiction4.2%-65wt%hydrogenstorageincarbonnanotubesSeveralpapersinScienceandNatureFactCriticalmeasurementsshowthatonlylessthan0.2wt%hydrogencanbestoredincarbonnanotubes'Metal-Decorated'NanotubesHoldPromiseforFuelCellFIG.Twohigh-densityhydrogencoverageon

aTi-coated(8,0)

nanotubeandC60.T.Yildirim,S.Ciraci,Titanium-decoratedcarbonnanotubesasapotentialhigh-capacityhydrogenstoragemedium,PRL,2005,94,197501.Physisorption-chemisortpiontransform?Themoststableconfiguration.AreBNNanotubesGoodHydrogenStorageMedia?

FigureSchematicdrawingfordifferentmodelsusedinthisinvestigation.(a)H-attached(9,0)carbonnanotube,(b)pristine(9,0)BNnanotube,and(c)hexagonalBNgraphiticsheetwithHattachedontopofBatom.C,B,NandHatomsaredenotedusingblack,orange,blueandwhiteballs,respectively.abc镍氢电极电池反应正极负极电池电动机种类

直流电刷式

电动机额定输出功率

220W

车体重量

28.0kg

辅助速度范围（比例辅助/递减辅助）（0～15km/h/15～24km/h）电池容量

7.0Ah

电池

充电时间

约5小时

电池种类

镍氢电池

一次充电行走距离