儲氫合金課件.ppt

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1、第五章儲氫合金氫——二十一世紀的能源工業(yè)革命開啟了人類走向現(xiàn)代化的進程。一個多世紀以來，人類社會快速發(fā)展，能源一直是強大的推動力。人們依靠的主要能源是化石燃料：煤、石油和天然氣。這些燃料的形成開始于千百萬年前，數(shù)量畢竟有限，在長期的開采之后已經(jīng)有枯竭的危險。二百年后，恐怕所有的化石燃料都將消耗殆盡。況且它們也并非十全十美，如空氣污染、酸雨、溫室效應，種種環(huán)境問題的產(chǎn)生都直接歸因于化石燃料的燃燒。因此，為了人類的可持續(xù)發(fā)展，尋找一種可再生、具高燃燒值、易于利用又不污染環(huán)境的新型燃料已經(jīng)迫在眉睫。氫被人們視作化石燃料的最佳替代物。因為氫在物理和化學方面都體現(xiàn)出諸多優(yōu)勢：(1)氫具有很

2、高的燃燒值。單位質(zhì)量的氫氣所含的化學能（142MJ/kg）至少是其他化學燃料的三倍。(2)氫在氧氣中燃燒只產(chǎn)生水，預計不會對環(huán)境產(chǎn)生負面影響，是一種綠色的能源。(3)氫是地球上最豐富的元素之一。當然，以分子氫形式存在的H僅占總量的不到1%，絕大部分是結合在水和烴類中。要實現(xiàn)氫能源的大規(guī)模普及，首先要解決氫氣的制取問題，而制取氫氣是要消耗化學能的。目前工業(yè)上主要以煤或天然氣為原料制取氫氣，全球產(chǎn)量達每年5×1010kg，但以化石燃料制取新能源顯然有違我們的初衷，這與燃燒化石燃料無異。最清潔的氫氣制取方法是在催化劑（如TiO2）存在下利用太陽能使水光解，這種方法真正實現(xiàn)了能量的持續(xù)轉

3、化（化學能直接來自太陽能）和物質(zhì)的循環(huán)利用，且沒有污染，是未來大規(guī)模產(chǎn)氫的理想途徑。(4)氫的燃燒能以高效和可控的方式進行。由于歷史原因，人們曾認為氫的燃燒是難以控制的。氫氣的無毒和高揮發(fā)性也保證了其應用的安全。目前氫能源已在軍工、航天等領域率先取得了應用。氫燃料電池是目前應用最廣的一種燃料電池，20世紀60年代美國航天局曾把堿性H2-O2(過氧化氫)電池應用在載人航天飛船上，但高昂的造價阻礙了其轉向民用。汽車是消耗化石燃料的大戶，汽車尾氣對于環(huán)境的污染也是盡人皆知。要保護環(huán)境，必須推廣氫燃料的汽車。對汽車來講，氫氣的存儲應當密度高、輕便、安全而且經(jīng)濟。一臺裝有24kg汽油可行駛

4、400km的發(fā)動機，行駛同樣的距離，靠燃燒方式需消耗8kg氫，靠電池供能則僅需4kg氫。4kg的氫氣在室溫和一個大氣壓下體積為45m3，這對于汽車載氫是不現(xiàn)實的。目前限制氫燃料汽車推廣的最主要因素就是氫氣的儲存問題。傳統(tǒng)的基于液化氫和高壓氣態(tài)氫的儲存方法有很大的弊端。要攜帶足夠行駛400-500km的高壓氣態(tài)氫，容器必須由能禁受住高達700bar壓力的復合材料制成。如果發(fā)生撞車，后果不堪設想；容器的絕熱性對再次充氫不利；對壓力進行有效的控制就更是一個難題。要增加單位體積容器的儲氫量，液態(tài)氫相對可行，為此必須將氫氣冷卻至21K（-248°C），而該過程消耗的能量相當于儲存氫氣能量的

5、三分之一。為防止形成過高的壓力，儲氫系統(tǒng)必須是開放的，于是透過絕熱壁的有限熱交換會使得每天有2-3%的氫氣蒸發(fā)損失，這進一步降低了儲存的效率。液氫作為燃料應用于航天飛機以及一些高速飛機。目前解決上述問題的最好辦法就是將氫氣儲存在某種可以快速吸入和釋放大量氫氣的材料中，這就是儲氫材料。儲氫材料及其分類：儲氫材料具有在特定條件下吸附和釋放氫氣的能力。在實際應用中，由于要經(jīng)常補充氫燃料，所以我們要求材料對氫的吸附要有良好的可逆性。儲氫材料的主要性能指標有理論儲氫容量、實際可逆儲氫容量、循環(huán)利用次數(shù)、補充燃料所需時間以及對雜質(zhì)（空氣中和材料中）的不敏感程度等。更高的要求是適應燃料電池的工

6、作條件。至于成本因素，由于目前各種材料的成本都較高，還找不到一種特別經(jīng)濟劃算的物質(zhì)，因此這個問題只能留待將來的研究解決了。目前儲氫材料的研究基本上圍繞著汽車上的應用而進行。然而不可否認，其中的大多數(shù)該領域目前所有的研究方向還與實際應用有著很大的距離，已經(jīng)投入應用的也遠非十全十美。根據(jù)吸附氫氣作用力的不同，儲氫材料可大體分為兩類：化學吸附材料和物理吸附材料?；瘜W吸附是指氫分子解離，氫原子插入底物的晶格或者形成新化合物。物理吸附中氫仍以分子態(tài)存在?；瘜W吸附：目前應用最多的儲氫材料是合金。在二元金屬氫化物中，兩個氫原子的最小距離僅為0.21nm，因此合金往往能提供很高的單位體積儲氫容量

7、。然而，由于金屬原子的質(zhì)量相對比較大，合金的單位重量儲氫容量一般都很低。為此，人們又開發(fā)了輕金屬的復合氫化物，如硼氫化物、鋁氫化物等。這類物質(zhì)中氫的質(zhì)量分數(shù)都很高，很有發(fā)展?jié)摿Α；瘜W吸附材料中最有名的要數(shù)LaNi5（鑭鎳合金），它是鎳氫電池的負極材料。(1)金屬氫化物及合金許多金屬和合金都有可逆吸收大量氫氣的能力。金屬氫化物及合金一般在吸氫時顯為放熱反應，脫氫時顯為吸熱反應。壓力稍高而溫度低時此材料可以吸收氫，而當壓力降低或溫度升高時氫又可釋放出來，這就實現(xiàn)了反復吸放氫的過程。但