儲氫合金課件.ppt

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時間:2020-07-26

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1、新型金屬材料南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程系新型金屬材料第3章儲氫合金南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程系引言能源危機(jī)太陽能地?zé)犸L(fēng)能環(huán)境危機(jī)開發(fā)新能源氫能本章主要內(nèi)容金屬儲氫原理1儲氫合金的電化學(xué)原理2儲氫合金分類與特點(diǎn)4金屬儲氫材料的應(yīng)用5金屬儲氫材料應(yīng)具備的特點(diǎn)3氫能的優(yōu)點(diǎn):熱值高、資源豐富、干凈、無污染,是一種未來的理想能源。氫能源利用面臨的問題:(1)廉價(jià)氫源制取;(2)安全可靠的儲氫技術(shù)和輸氫方法;目前的制氫方法:利用太陽能分解海水。目前的儲氫方法:(1)物理儲氫:壓縮冷凍于鋼瓶中;(2)化學(xué)儲氫:將氫氣轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘贇浠铮?.金屬儲氫原理儲氫合金的吸放

2、氫反應(yīng):條件:一定的溫度和壓力;反應(yīng)物:金屬與氣態(tài)氫;生成物:金屬固溶體MHx和氫化物MHy;應(yīng)用基礎(chǔ):可逆反應(yīng)。1.金屬儲氫原理吸放氫反應(yīng)的詳細(xì)過程(三步):step1:先吸收少量氫,形成含氫固溶體—MHx(α相),合金結(jié)構(gòu)保持不變;step2:固溶體進(jìn)一步與氫反應(yīng),產(chǎn)生相變(結(jié)構(gòu)改變)生成氫化物相—MHy(β相);反應(yīng)式為:step3:繼續(xù)提高氫壓,金屬中的氫含量略有增加;★:正向反應(yīng):吸氫,放熱;逆向反應(yīng):放氫,吸熱;實(shí)現(xiàn)條件:改變溫度、壓力。1.金屬儲氫原理儲氫合金吸放氫的熱力學(xué)分析:儲氫合金吸放氫的p-c-T曲線T1

3、p2最大吸入量吸入放出氫濃度極限溶解度平臺壓吸氫形成含氫固溶體MHx(α相)AB完全β相MHy氫化物中H濃度略有增加滯后α相與H2反應(yīng),生成氫化物(β相),壓力不變。1.金屬儲氫原理儲氫合金p-c-T曲線的特點(diǎn):溫度較低,平臺壓降低,反應(yīng)平臺較寬;溫度高,平臺壓較高,反應(yīng)平臺較窄;p-c-T曲線重要參數(shù):平臺壓;平臺寬度;平臺起始寬度;平臺滯后:吸氫時較高,放氫時較低。1.金屬儲氫原理不同合金成分斜率顯著不同;溫度越低,平衡氫壓越低;平衡氫壓與溫度的關(guān)系1.金屬儲氫原理合金的吸氫反應(yīng)機(jī)理(1)氫分子與儲氫合金接觸,吸附在合金表面上;H-H鍵解離,成為

4、原子狀的吸附氫;(2)原子狀氫向合金內(nèi)部擴(kuò)散,轉(zhuǎn)變成吸收氫,形成含氫固溶體α相;(3)固溶氫飽和后繼續(xù)與氫反應(yīng)生成氫化物β相;2.儲氫合金的電化學(xué)原理正極:Ni(OH)2負(fù)極:儲氫合金電解液:KOH堿性蓄電池充放電時正極反應(yīng):充放電時負(fù)極反應(yīng):電池的總反應(yīng):充電放電充電放電充電放電鎳氫電池的充放電原理充電時,負(fù)極吸收電子;正極放出電子;放電時,負(fù)極放出電子;正極吸收電子;注意:規(guī)定的電流方向是正電荷的運(yùn)動方向,與電子運(yùn)動的方向相反;正極:電勢較高的電極;負(fù)極:電勢較低的電極;陽極:發(fā)生氧化反應(yīng)(失去電子)的電極;陰極:發(fā)生還原反應(yīng)(得到電子)的電極;

5、2.儲氫合金的電化學(xué)原理鎳氫電池負(fù)極(儲氫合金)上的電極反應(yīng)機(jī)理2.儲氫合金的電化學(xué)原理(1)水通過對流或擴(kuò)散,液相傳質(zhì)到電極的固-液界面;(2)電極表面電子轉(zhuǎn)移;(3)吸附的氫轉(zhuǎn)化為吸收的氫;OH-的液相傳質(zhì):(4)形成含氫固溶體或氫化物。3.金屬儲氫材料應(yīng)具備的條件容易活化(氫由化學(xué)吸附到溶解至晶格內(nèi)部),單位體積質(zhì)量吸氫量大;吸收和釋放氫速度快,氫擴(kuò)散速度大,可逆性好;有平坦和寬的吸放氫平臺,平衡分解壓適中。用作儲氫時,室溫分解壓為0.2-0.3MPa,做電池時為0.0001-0.1MPa.吸收和釋放過程中的平臺壓之差小,即吸放氫滯后小。反復(fù)吸

6、放氫后,合金粉碎量小,性能穩(wěn)定;有效導(dǎo)熱率大;在空氣中穩(wěn)定,不易受N2,O2,水蒸汽等毒害;價(jià)格低廉,不污染環(huán)境。4.儲氫合金分類與特點(diǎn)不論哪種合金都離不開A、B兩類元素。A元素:容易形成穩(wěn)定氫化物的發(fā)熱型金屬,如Ti,Zr,La,Mg,Ca等。B元素:難于形成氫化物的吸熱型金屬,如Ni,Fe,Co,Mn,Cu,Al等。根據(jù)原子比的不同AB5AB2ABA2B4.儲氫合金分類與特點(diǎn)A元素的含量逐漸增加,吸氫量也隨之增加,但反應(yīng)速度減慢,反應(yīng)溫度升高,容易劣化。AB5A2B不同類型儲氫合金的儲氫性能規(guī)律:B元素含量增加,反應(yīng)速度和反應(yīng)溫度都可以調(diào)整以滿足

7、實(shí)際需要。4.儲氫合金分類與特點(diǎn)4.1AB5型儲氫合金(以LaNi5為例)優(yōu)點(diǎn):吸氫量大,室溫即可活化,不易中毒,平衡壓力適中,吸放氫速度快且滯后小。缺點(diǎn):吸放氫循環(huán)過程中晶胞體積膨脹大,成本高,大規(guī)模應(yīng)用受限。應(yīng)用領(lǐng)域:熱泵、電池、空調(diào)器中。4.儲氫合金分類與特點(diǎn)4.2AB2型儲氫合金(以TiMn2為例)具有Laves相結(jié)構(gòu)(?當(dāng)兩組元合金元素的原子半徑比為1.2:1時形成的一種金屬間化合物),不過成分并不固定,可在很大范圍內(nèi)變化。代表性合金:ZnMn2,TiMn2,TiCr2等。優(yōu)點(diǎn):更高的氫氣存儲能力和循環(huán)壽命長。缺點(diǎn):活化困難、高速放電能力差

8、、價(jià)格貴。4.儲氫合金分類與特點(diǎn)4.3AB型儲氫合金(以TiFe合金為例)優(yōu)點(diǎn):(1)活化后,在室溫下可逆地

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