《新能源材料与器件》课件-任务2 氢能材料分类与应用

模块三

氢能材料与器件任务2氢能材料分类与应用知识目标:1.理解电解水的基本原理，掌握氢的物理化学特性及其在能源转化中的角色。2.了解氢的存储方法（如高压气体储存、液态储存、化学储存）及各自优缺点。能力目标:认知氢的储存与使用中的安全注意事项，包括防爆、通风等常识。

素质目标：1.培养创新意识：鼓励学生探索电解水及氢气储存的新技术与新方法，激发创新思维。2.提高科学素养：培养对氢能技术及其在可持续发展中的应用的认识。

任务2氢能材料分类与应用电解水制氢1.氢的制取方法？化石燃料制氢、生物及生物质制氢、太阳能光解水制氢、热化学分解制氢等。2.为何电解制氢？

电解水制氢碱性电解水制氢应用最为普遍污染大、效率低研究新的电极和隔膜材料，是提高效率的重要途径质子交换膜（PEM）电解水制氢开发新的非贵金属催化剂和新型质子交换膜是降低成本的关键固体氧化物电解水（SOEC）制氢处于早期发展阶段，如果可以解决高温运行带来的寿命问题的话，则是未来很有潜力的电解水制取氢能的方法电解水制氢电解水制氢1.碱性电解水制氢碱性电解槽发展时间最长、技术最为成熟的电解糟优点：操作简单、成本低缺点：效率低国外知名的碱性电解水制氢公司有挪威留坎公司、格洛非奥德公司和冰岛雷克雅维克公司等。电解槽一般采用压滤式复极结构或箱式单极结构，每对电解槽压在1.8~2.0V，一般采用混合碱液循环方式。PEM电解技术的特点:用有机物薄膜代替了传统碱性电解槽中的隔膜和电解质，从而使电解槽的体积大大缩小PEM电解池的结构与PEM燃料电池基本相同，其核心部件亦为MEA（膜电极组件），即由质子交换膜以及分布两侧的由催化剂构成的多孔电极组成多孔气体扩散电极的目的：增加真实的电化学反应区，提高多孔气体扩散电极的表观电流密度io减薄液相传质层厚度，提高反应区反应物浓度及增加io提高io最有效的方法是提高电催化剂的活性。电解水制氢2.质子交换膜电解水制氢电催化剂要满足以下要求：①具有电催化活性，实现目标催化反应和抑制副反应；②具有较大的催化活性面积，促进电化学催化反应；③具有较好的稳定性，即催化剂不会因电极反应而过早地失去活性，更重要的是，能够忍受杂质和中间产物的影响作用，而不至于中毒失活。影响电催化剂活性的因素主要有：①能量因素，即电催化剂对电极反应活化能产生的影响，催化剂应具有增大反应速率的功能，其作用原理是通过改变反应途径使反应活化能降低；②空间因素，粒子与催化剂表面具有一定的空间对应关系；③表面因素等，包括电催化剂的比表面和表面状态，如表面缺陷的性质、浓度和各种品面的取向等。电解水制氢2.质子交换膜电解水制氢Pt以及Pt与多种金属（如Rh、Ir等）形成的合金材料是质子交换膜水电解制氢HER的理想催化剂材料。目前为止在质子交换膜水电解领域中，析氢材料仍以Pt为主。不同金属HER（析氢反应）的Volcano曲线电解水制氢2.质子交换膜电解水制氢不同金属氧化物OER（析氧反应）的Volcano曲线氧化物对电位控制理论:当阳极电位高于标准电极电位后，氧化物表面的析氧过程才会发生，即氧化物对的标准电极电位越低，氧化物析氧活性越大。IrO3/IrO2氧化还原电位为1.350Vvs.SHE，Ru2O3/RuO2氧化还原电位为1.387Vvs.SHE，它们的标准电位在铂族金属氧化物中是最低的，因此RuO2、IrO2是良好的析氧电催化剂。电解水制氢2.质子交换膜电解水制氢固体氧化物电解水的特点:SOEC的工作温度为800~950℃，由于在高温下工作，部分电能由热能代替，电解效率高；使用的材料为非贵金属，成本较低；SOEC电池是管式构造，这种电解槽连接简单，不需要密封，但能量密度低，加工成本高。SOEC的结构如图所示：水以蒸汽的形式进入电解槽，在负极被分解为H+和O2-，H+得到电子生成H2，而O2-则通过电解质ZrO2到达外部的阳极，生成O2。电解水制氢3.固体氧化物电解水制氢固体氧化物电解水存在的问题:能量损失和成本问题。氧电极的极化、电解质的欧姆损失和连接体材料成本等；电解池寿命。高温高湿条件下氢电极的性能衰减、密封材料的稳定性和电堆的热循环稳定性等。高效热交换器开发制氢系统的热管理、废热的利用。安全性问题。电解水制氢3.固体氧化物电解水制氢电解水制氢绿色能源革命：电解水制氢1.PEM电解水最主要的特点是：（

）A.需要极高的温度B.使用固体聚合物电解质膜

C.只能在常温下工作D.不依赖电解质2.以下哪项是固体氧化物电解水的优点？（）A.可在低温下工作B.转化效率非常低C.可利用废热，提升效率D.不需要电能3.哪个电解水技术更适合大规模、工业级的氢气生产？（）A.碱性电解水B.PEM电解水C.固体氧化物电解水（SOEC）D.以上都可以，取决于应用需求练习判断题：1.电解水制氢的主要能源是热能。（

）2.固体氧化物电解水只适合实验室使用，不能工业化。（

）3.电解水制氢的反应会放出氧气和氢气，但不产生热能。（

）4.利用固体氧化物电解水制氢可以在常温下高效进行。（

）练习氢的储存高压气态储氢05配位氢化物储氢04金属氧化物储氢03物理储氢02低温液态储氢01氢的储存1.低温液态储氢液态储氢方法的体积密度(70kg/m3)高，但氢气的液化需要冷却到20K的超低温下才能实现，此过程消耗的能量约占所储存氢能的25％～45％。液态氢不仅储存成本高，而且使用条件苛刻，目前只限于在航天技术领域应用。低温液态储氢存在的问题：但由于氢气液化要消耗很大的冷却能量，液化1kg氢需耗电4—10kWh，增加了储氢和用氢的成本；液氢储存容器必须使用低温用的特殊容器，由于液氢储存的装料和绝热不完善容易导致较高的蒸发损失，因而其储存成本较贵，安全技术也比较复杂。高度绝热的储氢容器是目前研究的重点。氢的储存1.低温液态储氢氢的储存1.低温液态储氢低温液态储氢成本高，安全技术难度大？那还用低温液态储氢吗？物理吸附储氢材料碳基多孔材料非碳纳米管类材料矿物多孔材料金属有机物多孔材料氢的储存2.物理储氢物理吸附主要依靠氢气和储氢材料之间的范德华力，代表材料有碳纳米管以及金属有机框架化合物（MOF）等。氢的储存2.物理储氢一：超级活性碳吸附储氢材料二：纳米结构碳储氢材料1.石墨纳米纤维(GNF)储氢材料2.碳纳米纤维(CNF)储氢材料3.碳纳米管(CNT)储氢材料碳基储氢材料碳纳米材料吸附储氢依旧处于研发阶段，对于工业应用还不成熟。常温常压下氢气的储存能力很低，且过程相当缓慢，一般需要25h，如何降低它的成本并使其具有大的吸附量，还有许多工作要做。氢的储存2.物理储氢金属氢化物:金属、合金或金属间化合物与氢反应生成的氢化物。在一定条件下可释放氢，用做贮氢材料。当前主要研究的几种储氢材料有稀土系AB型储氢合金，镁基储氢合金，碳纳米管等。氢的储存3.金属氢化物储氢金属氢化物储氢原理因其表面的催化或活性作用，一旦氢与储氢合金接触，即能在其表面分解为H原子，然后H原子扩散进入合金内部直到与合金发生反应生成金属氢化物，此时，氢即以原子态储存在金属结晶点内。因此，金属储氢功能材料可以像海绵一样大量吸收氢气。氢的储存3.金属氢化物储氢氢平衡压力与含氢浓度的理想变化曲线优点：过程受热效应与速度的制约，因此金属氢化物储氢比液氢和高压氢安全，并且有很高的储存容量。缺点：质量储氢率低，抗杂质气体中毒能力差，反复吸放后性能下降。发展趋势：可逆氢容量大，性价比高，寿命长氢的储存3.金属氢化物储氢合金储氢技术？氢的储存3.金属氢化物储氢配位氢化物是由碱金属及碱土金属同ⅢA族元素与氢形成的化合物，例NaBH4

；KBH4；LiBH4等，按照形成金属的种类分类：1：碱金属配位氢化物2：碱土金属配位氢化物配位氢化物的吸放氢反应与储氢合金相比，主要差别在于配位氢化物在普通条件下没有可逆的氢化反应。氢的储存4.配位氢化物储氢NaAlH4特性由于NaAlH4的分解温度比较高且放氢速度慢未能在储氢领域得以研究。直到97年Bogdanovic等发现掺杂Ti的NaAlH4具有可逆性以后，NaAlH4及其它的配位化合物才得以重视。NaAlH4具有良好的可逆吸/放氢性能，它在加入掺杂剂时能在低于100℃下可逆吸/放大量氢气，产品H2纯度高，无副产品，可循环使用，价廉易得且它所用催化剂价格相对便宜。氢的储存4.配位氢化物储氢NaAlH4的储氢量为7.4%（质量分数）理论可逆储氢氢量为5.55%，其分解按3个阶段进行：NaAlH4→1/3Na3AlH6+2/3Al+H2(3.7%H2)Na3AlH6→3NaH+Al+3/2H2(1.85%H2)NaH→Na+1/2H2(1.85%H2)单纯的NaAlH4的分解温度较高，第一步分解反应在186—230℃，第二步分解反应温度在260℃以上才能进行，而第三步则>400℃。Bogdanovic和Schwickardi经过Ti掺杂后发现NaAlH4的两步分解反应温度明显降低了，并且研究结果表明NaAlH4的两步分解反应均具备可逆性，这一结论的得出使得NaAlH4及其配位化合物作为储氢材料的研究迅速发展起来。氢的储存4.配位氢化物储氢氢的储存4.配位氢化物储氢目前较常用的一种储氢技术，其储氢压力一般为12-415MPa，有的可达20MPa。优点：成本低，充放气速度快，且在常温下就可以进行。缺点：需要厚重的耐压容器，并且需要消耗较大的氢气压缩功，而且存在氢气容易泄露和容器发生爆破等不安全因素。北京飞驰竞立加氢站氢的储存5.高压气态储氢

存在以下不足：1.单台设备容积小2.无抑爆抗爆功能3.安全状态检测困难最早的高压储氢容器为钢制无缝储罐结构，而后为适应加氢站规模储氢的需要和车载储氢的需要，分别沿着大容积和轻量化的方向发展。氢的储存5.高压气态储氢氢的储存练习1.液态氢储存的主要挑战是：（

）A.容器太重B.需要极低温（-253°C）C.不安全D.不可压缩2.金属氢化物储存的优点之一是：（

）A.容量极大，体积小B.高温下容易释放氢气C.低压且安全D.不需要任何能量释放3.哪种储存方式一般用于便携式氢气燃料电池？（

）A.高压气态B.液态C.固态金属氢化物D.煤炭储存4.储氢材料能否无限制地反复吸放氢？（

）A.可以，无限制B.不可以，有限制的循环寿命C.只可一次使用D.不能吸氢，只能放氢5