新能源---氢能利用

,储氢材料,主讲人：梁达想,目录,一、能源现状二、储氢材料三、储氢材料应用四、储氢材料未来发展趋势,传统能源,化石燃料：煤、石油、天然气等。优点：浓缩能源；易储存；易运输。缺点：不可再生资源；无法满足消耗增长率；破坏环境；军事冲突。,能源现状,新能源：太阳能、风能、核能、地热能、海洋能、生物能、氢能等。,新能源,能源现状,人类进入21世纪，节能环保不再只是一句口号。随着能源紧张与环境污染问题的日益凸显，新能源和清洁能源的开发利用受到人们越来越多的关注。在众多新能源中，氢能被人们寄予了厚望。,氢能在以氢及其同位素为主导的反应中或状态变化过程中所释放的能量。优点：自然界最普遍的元素；清洁能源；燃烧性能好，易点燃；发热值高；导热性好；用途广泛。,氢能,能源现状,氢气的存储方式气态储存：对氢气加压，减小体积，以气体形式储存于特定容器中液化储存:顾名思义，就是将氢气冷却到液化温度以下，以液体形式储存固态储存：利用固体对氢气的物理吸附或化学反应等作用，将氢储存于固体材料中。,1.高压储氢,优点：简单，常用。缺点：体积能量密度低；对容器耐压性能高；不安全。,储氢材料,2.液态储氢,优点：体积能量密度高；缺点：液化耗能（410kwh/kg）;蒸发损失；对储槽绝热材料的要求高。,储氢材料,固态储氢,固态储存是利用固体对氢气的物理吸附或化学反应等作用，将氢储存于固体材料中固态储存一般可以做到安全、高效、高密度，是气态储存和液化储存之后，最有前途的研究发现。固态储存需要用到储氢材料，需找和研制高性能的储氢材料，成为固态储氢的当务之急，也是未来储氢发展和乃至整个氢能利用的关键,储氢材料（hydrogenstoragematerial）,定义：储氢材料是一类能可逆地吸收和释放氢气的材料。,储氢材料,储氢材料的分类,1.合金储氢材料2.液态有机储氢材料3.纳米储氢材料,储氢材料,1、合金储氢材料,储氢合金是指在一定温度和氢气压力下,能可逆的大量吸收、储存和释放氢气的金属间化合物。氢可以和很多金属反应，生成金属氢化物，总反应式如下所示：M+x/2H2MHx其中M为金属。该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；改变温度与压力条件可使反应按正向、逆向反复进行，实现材料的吸释氢功能,储氢材料,金属的吸氢机理氢分子吸附于合金表面；氢的H-H键离解为氢原子；氢原子从合金表面向合金内部扩散，进入金属原子的间隙中形成固溶体；固溶于金属中的氢再向合金内部扩散。,高的储氢容量。氢化物的生成热适当。平衡氢压适中。吸、放氢速度快。容易活化。良好的抗气体杂质中独特性。长期循环稳定性。原材料资源丰富，价格便宜。,储氢合金应具备的条件,储氢材料,2.液态有机物储氢材料,有机液体氢化物储氢是借助不饱和液体有机物与氢的一对可逆反应，即加氢和脱氢反应来实现的。加氢反应实现氢的储存(化学键合)，脱氢反应实现氢的释放，不饱和有机液体化合物做氢载体，可循环使用。目前存在的主要问题是有机物氢载体的脱氢温度偏高，实际释氢效率偏低。因此，开发低温高效的有机物氢载体脱氢催化剂、采用膜催化脱氢技术对提高过程效能有重要意义。,储氢材料,3.纳米储氢材料,纳米储氢材料分为两种方式，一种是原有的储氢材料纳米化，还有一种就是开发新的纳米储氢材料。储氢合金纳米化提高储氢特性主要表现在（1）纳米尺寸的金属颗粒使储氢合金活化能和活化温度降低。（2）纳米颗粒有大的比表面积，单位体积吸氢的质量明显大于宏观颗粒。（3）纳米晶粒导致晶界和晶格缺陷增加，而晶体缺陷和位错处的原子具有较高的能量，从而降低析氢过电位。（4）晶粒细化使硬度增加，显著提高了储氢合金耐腐蚀性。,储氢材料,储氢材料的应用,金属氢化物储氢装置,原理和结构：氢化物储氢装置是一种金属氢反应器。由于氢化反应的热效应，储氢装置一般为热交换器结构。可用于储运氢气及车辆氢燃料箱等。特点：储氢量大、重量轻、体积小。节省能源。安全可靠。,储氢材料的应用,金属氢化物氢压缩机,基本原理：利用氢化物的压力温度特性进行工作。储氢材料吸收氢气形成金属氢化物，饱和后提高金属氢化物温度，平衡压力将相应提高，因此处于高温的氢化物可以释放相应高压的氢气，实现热能与机械能之间的转换。优点：运转安静、无振动、释放氢纯度高。无驱动部件，易维修，节省能源。可以利用废热、耗电量少、运输费用低。缺点：氢流量受合金吸收、释放氢的循环速度限制。,储氢材料的应用,制取高纯度氢气,基本原理：含有杂质的氢气与储氢合金接触，氢气被吸收，而杂质则被吸附于合金表面，除去杂质后，再使氢化物放氢，则可得到高纯度的氢气，其纯度可高达99.9999%。TiMn1.5和稀土系储氢合金是应用效果较为理想的。,储氢材料的应用,Ni-MH电池,原理：基于储氢合金的电化学吸放氢特性和电催化活性，充放电机理是：氢再金属氢化物电极和Ni(OH)2电极之间在KOH水溶液中的运动。,分离、回收氢,基本原理：含有杂质气体的氢气被储氢合金吸收，形成氢化物，杂质气体则被排掉，再经加热即可放出氢气，实现将氢从混合气体中分离出来，进而回收的目的。,储氢材料的应用,氢能源汽车,1、内燃机，氢气与氧气燃烧，化学能机械能，受热机效率限制，热能利用率为25%。2、燃料电池，电能机械能，不受热机效率限制，热能利用率为50-60%。,储氢材料的应用,未来发展趋势,储氢材料研究工作需要解决的关键问题主要有:(a)开发高性能储氢复合材料,以增强综合性能;(b)加强储氢机理研究,各种纳米管材料、金属有机物多孔材料等都具有非常强的储氢潜力;(c)向轻元素如Li、