第四章-储氢材料

1 第四章贮氢材料 2 随着传统能源石油 煤的日渐枯竭 且石油 煤燃烧产物CO2和SO2又分别产生温室效应和酸雨 使人类面临能源和环境危机的双重挑战 寻找新的洁净能源已列入人们的议事日程 氢是一种洁净能源 其燃烧值为1 43x108j kg 煤3 107J kg 煤气4 2 107J Kg 氢能源系统作为一种储量丰富 无公害的能源替代品而倍受重视 3 如果以氢作为燃料 从原理上讲 燃烧后只能生成水 这对环境保护极为有利 氢作为一种气体来说 要作为新能源 还必须解决氢的制备 储存和运输问题 寻找高效节能的制氢方法和研制经济适用的储氢材料等 4 4 1氢能开发 氢作为一种二次能源 其用途主要有几个方面 做为保护气应用于电子工业中 如在集成电路 电子管 显像管等的制备过程中 2 在食品工业中 食用的色拉油就是对植物油进行加氢处理的产物 植物油加氢处理后性能稳定 易存放 且有抵抗细菌生长 易被人体吸收之功效 5 3 在合成氨工业中氢气是重要的合成原料之一 4 作为一种高能燃料 用于航天飞机 火箭等航天行业及城市公共汽车中 目前 我国已经开发出以压缩氢为燃料的城市公共汽车 清华大学 5 氢被广泛的用于燃料电池中作为燃料 储能高 无污染 6 在以氢作为能源媒体的氢能体系中 氢的贮存与运输是实际应用中的关键 贮氢材料就是作为氢的贮存与运输媒体而成为当前材料研究的一个热点项目 7 贮氢材料 在室温和常压条件下能迅速吸氢 H2 或反应生成氢化物 使氢以氢化物的形式贮存起来 在需要的时候 适当加温或减小压力使这些贮存着的氢释放出来以供使用的材料 8 4 2贮氢方法 贮氢方法大致分为5种 液态贮氢压缩贮氢有机化合物贮氢碳质吸附贮氢金属化合物贮氢 9 1液态储氢 即把氢气冷却到沸点以下成为液体加以存储 由于氢气沸点极低 252 77 所以 采用这种方法储氢能耗大 成本高 储氢设备材质要求很高 操作和使用条件苛刻 大都用于火箭 飞船和卫星发射等高科技领域 10 2高压储氢 压缩储氢是最常用的氢气储存方式 氢气被压缩后在气缸里以气体形式储存 这种技术和压缩天然气 煤气技术相类似 只是由于氢的密度很小 需要消耗的能量更多 对储氢容器材质要求高 储存和使用安全性差 一般只用于实验室 目前已作为被用于公交汽车 11 3有机化合物储氢 有机化合物储氢主要是利用苯和甲苯的加氢脱氢反应以达到吸放氢的目的 它们的储氢密度高 但吸放氢工艺复杂 12 一般反应前 先对H2进行加热处理 降至反应温度 甲苯通过鼓泡方式与H2混合进入反应器中反应 反应过程需要催化剂 13 碳质材料储氢 碳质储氢是主要依据吸附理论建立起来的物理储氢方法 包括活性碳和碳纳米管吸附储氢 其吸附机理介于范德华力和化学键之间 活性炭作为特种功能吸附材料具有质轻 对少量的气体杂质不敏感 并且原料丰富 比表面积高 且可重复使用 微孔孔容大和容易进行孔径控制 表面化学修饰和负载金属等优点 14 但从已有的应用研究证明 各种分子筛和超级活性炭均达不到美国能源部要求 60kg m3 近年来人们把研究重点放在碳纳米管方面 现在人们对碳纳米管的研究还处于初级阶段 至今不能完全了解纳米孔中发生的特殊物理化学过程 即氢气吸附机理和储氢行为 还无法准确测得纳米管的密度 即应在储氢机理 化学改性和结构控制方面进行深入研究 15 16 17 金属化合物储氢 储氢合金 在一定的温度和压力条件下 一些合金能够大量吸收氢气 反应生成金属氢化物同时放出热量 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 释放氢气的金属合金 被称为储氢合金 18 储氢合金中 氢密度极高 金属氢化物的氢密度与液态氢 固态氢的相当 约是氢气的1000倍 另外 一般储氢合金中 氢分解压较低 所以用金属氢化物贮氢时并不必用耐压钢瓶 19 4 3储氢合金的热力学原理 在一定温度和压力下 氢可与许多金属 合金和金属间化合物生成金属固溶体MHx和MHy 反应分三步进行 1储氢过程 1 在合金吸氢的初始阶段形成固溶体MHX 相 合金结构保持不变 20 2 MHX进一步与氢反应生成氢化物MHy 相 3 进一步增加氢压 合金中的氢含量略有增加 MHy是氢化物 生成热 21 储氢合金吸收和释放氢的过程 最方便的表示方法是压力 组成 等温 PCT 曲线 2 金属氢化物平衡分解压与温度的关系 22 O一A 为吸氢过程的第一步 金属吸氢 形成含氢固溶体 A一B 为吸氢过程的第二步 形成金属氢化物 B点以后 为第三步 氢溶入氢化物形成固溶体 氢压增加 23 金属与氢的反应是一个可逆过程 正向反应吸氢 放热 逆向反应释氢 吸热 改变温度和压力条件可使反应按正向 逆向反复进行 实现材料的稀释氢功能 24 PCT曲线的基本特征PCT曲线是储氢材料的重要特征曲线 它可反映出储氢合金在工程应用中的许多重要特性 1 可以了解金属氢化物中能含多少氢 和任一温度下的分解压力值 25 2 可以看出 金属氢化物在吸氢与释氢时 虽在同一温度 但压力不同 这种现象称为滞后 作为贮氢材料 滞后越小越好 26 27 改变温度和压力的条件 使反应正向或逆向进行即可实现吸氢或放氢 3吸储 放氢原理 28 恒定温度 通过改变压力实现吸氢或放氢 将金属至于T1温度 高于P1压力 金属会与氢反应生成氢化物 即金属吸氢 低于P1的气氛中 氢化物发生分解释放出氢气 29 恒定压力 通过改变温度也可实现吸氢或放氢 压力为P2时 当温度高于T2时 如T3 氢化物发生分解释放出氢气 将温度降到T2温度以下 如T1 金属与氢反应生成氢化物 30 储氢合金中氢的位置 储氢合金吸收氢后 氢进入合金晶格中 合金晶格可以看作容纳氢原子的容器 31 总之 金属 合金 氢化物能否作为能量贮存 转换材料取决于氢在金属 合金 中吸收和释放的可逆反应是否可行 氢在金属合金中的吸收和释放又取决于金属合金和氢的相平衡关系 影响相平衡的因素为温度 压力和组成成分 32 4 4储氢合金材料的种类 目前研制成功的 稀土镧镍系钛铁系镁系钛 锆系 33 1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 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 34 PCTLaNi5 35 2钛铁系 典型代表 TiFe 美Brookhaven国家实验室首先发明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 36 PCTTiFe 37 镁系 典型代表 Mg2Ni 美Brookhaven国家实验室首先报道储氢容量高资源丰富价格低廉放氢温度高 250 300 放氢动力学性能较差改进方法 机械合金化 加TiFe和CaCu5球磨 或复合 38 钛 锆系 原子间隙由四面体构成 间隙多 有利于氢原子的吸附TiMn1 5H2 5日本松下 1 8 Ti0 90Zr0 1Mn1 4V0 2Cr0 4活性好用于 氢汽车储氢 电池负极Ovinic 39 金属氢化物贮氢材料的应用领域很多 而且还在不断发展之中 下面介绍贮氢材料应用的几个主要方面 4 5贮氢材料的应用 40 用于高贮氢量的贮氢材料 从工艺上降低成本 减轻重量 这种高容量贮氢器可在氢能汽车 氢电动车 氢回收 氢净化 氢运输等领域得到广泛的应用 1 用于氢气的贮存和运输 对贮氢装置的要求 1 提高热传导性 2 提供氢化物足够多的膨胀空间 3 满足密封 耐压 抗氢脆的要求 4 耐用 寿命长 41 MH氢汽车燃料供给系统 2 氢能汽车 42 1 吸热能小 2 放氢压力为零点几个MPa 3 贮氢密度高 4 性能劣化少 5 成本低 6 寿命长 氢化物满足的条件 常用材料为 TiFe氢化物和Mg系氢化物 43 3 氢的分离 回收与净化 1 金属与氢反应生成金属氢化物 2 贮氢材料对氢原子有特殊的亲和力 对氢有选择性吸收作用 而对其他气体杂质则有排斥作用 基本原理有两个方面 常用材料为 TiMn1 5 MNi5系 44 利用贮氢材料吸收氢的特性 可从氯碱 合成氨的工业废气中回收氢 可方便而廉价地获取超高纯H2 99 9999 实现氢的净化 还可将难与氢分离的气体 如氦经济地分离出来 无须惯用的深冷方法而实现氢的分离 45 4 发展镍氢电池由于镉有毒 镍镉高容量可再充式电池因废电池处理复杂已处于被淘汰的阶段 因此金属氢化物镍氢电池发展迅速 MH KOH或NaOH NiOOH 正极活性物质 NiOOH 三价镍的氢氧化物 负极活性物质 储氢合金 MH 电解液 KOH NaOH额定电压 1 2V 镍氢电池 46 正极 负极 正极 MH NiOOH电池的反应机理 47 以贮氢材料作电极材料 则放电时从贮氢材科中放出氢 充电时则反之 对于贮氢量越高的材料 放电量也越高 且这类材料可充放电1000次以上 这类电池在宇航 手提式电子计算机 移动电话 电动汽车等行业中已得到广泛应用 主要采用的材料 稀土类AB5型 AB2型 48 5 静态压缩机利用氢化