储氢材料的原理及应用.ppt

1、储氢材料的原理及应用,蒋莹 2011.8.1,内容,一、能源现状 二、氢能系统 三、储氢的应用,一、能源现状,化石燃料的发展史,煤：18世纪末，工业革命开始，煤被广泛地用作工业燃料。 石油：1859年美国宾夕法尼亚用钻井方法打出世界第一口油井。石油取代煤炭成为世界主要能源，被称为“黑金”、“工业的血液”、经济增长的“发动机”、“发光的水”、“魔鬼的汗珠”。 天然气：2000年前，“火井沉荧于幽泉，高烟飞煽于天垂。”(晋代)；1925，美国铺设第一条天然气长输管道现代工业利用的标志。,化石燃料的优点与缺点,优点： 浓缩能源； 易储存； 易运输； 缺点： 不可再生资源，无法满足8%10%的消耗增长

2、率； 破坏环境 (温室效应，空气污染，酸雨，水污染等)； 军事冲突；,石油不可再生资源,80%能量来源为化石燃料 环境科学技术期刊 化石燃料可能在2050年就会枯竭。可再生能源到2140年才能在全世界广泛应用 。 国际能源署(IEA) 石油价格在2015年超过每桶$100，2035年超过$200。,石油储量分布不均,60%,5%,世界能源消耗不均1990 -2020 (Quadrillion Btu),3.6,1.4,小结,节能技术迫在眉睫 发展新能源势在必行 新能源太阳能、风能、核能、地热能、海洋能、生物能、氢能等,二、氢能系统,氢能,氢能在以氢及其同位素为主导的反应中或在状态变化过程中所释

3、放的能量(热核反应、化学反应、物态变化)。 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(142MJ/kg); 导热性好; 用途广泛;,氢能系统,能源系统的发展过程,燃料、电能,氢能、电能,天然能源、核能,21世纪,氢能系统,化石能源,太阳能,风能,海洋能,地热能,原子能,煤,石油,天然气,水,生物质,副产氢,蒸汽转化法,微生物法,汽化,热化学循环,电解法,煤气化法,部分氧化法,氢,加压 精制,压缩,碳材,氢化物,冷冻,有机液,玻璃微球,管道,船舶,车辆,氢化物箱,贮槽,化学工业,航空航天,电子工业,冶金工业,燃料电池,发动机,家庭民用,能源,制氢原料,制氢方法,储

4、氢系统,输送系统,氢的利用,制氢技术,化石燃料制氢(90%) O2 CnHm+ CO+H2 H2O CO+H2O CO2+H2 水制氢 电解水制氢：H2O H2+1/2O2 生物质制氢 化能营养微生物：厌氧菌发酵(碳水化合物、蛋白质)放氢。 光合微生物：小球藻、固氮蓝藻的光和作用。,储氢方式对储氢材料要求,可逆性好 适应燃料电池的工作条件 储氢量大 US department of Energy提出的目标 2012：6.5wt%，62kgH2m-3. 2015：9.0wt%，81kgH2m-3.,储氢方式,(a) 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

5、；,储氢方式,(b) 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。,储氢方式,(c) 金属氢化物储氢 优点：安全性强。 缺点：储氢量低(6wt%).,储氢方式,(d) 复合氢化物储氢,优点： (AlH4-)、(NH2-)、(BH4-) 含氢量高很有潜力。 NaAlH4 7.47 wt.% LiAlH4 10.62 wt.% KBH4 7.47 wt.% NaBH4 11.66 wt.% LiBH4 18.51 wt.% NH3BH3 12.9 wt.%,缺点：放氢温度高 400700K,储氢方式,(e) 有机液体储氢 优点：储氢

6、量大； 可利用现有设备； 储运简单； 多次循环； 缺点：脱氢温度高； 脱氢催化剂不稳定， 易孔结；,C6H6 C6H12 7.2 wt.% 苯 环己烷,C7H8 C7H14 6.2 wt.% H2 甲苯 甲基环己烷,储氢方式,(f) 物理吸附储氢, 碳纳米管； 1997.3 单壁碳纳米管中的储氢 nature 1999.7 碱掺杂的碳纳米管在常压常温下的高吸氢量science 1999.11室温下在单壁碳纳米管上的储氢science 5wt%20wt% 2010.2 回顾碳纳米管储氢carbon 19982010，CNTS储氢量逐年下降 物理吸附达到的储氢密度有限，1wt% 沸石； 金属有机骨

7、架化合物； 玻璃微球； 直径25500um，球壁厚度1um，15%42%。,三、储氢的应用,储氢材料的应用,电池 储氢与输氢 热应用，热泵，冷冻柜,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,30kg汽油 500km 10kg氢(内燃机) 5kg氢(燃料电池),车载储氢的要求： 1-10bar 0-100 H=15-24KJmol-1H.,储氢材料的应用,储氢材料的应用氢汽车研发状况,BMW-H7,双混合动力系统，最大260匹； 9.5s静止加速至100km/

8、h， 最高电子限速228km/h.,绝热储氢系统： 多层复合金属材质，30mm的中空设计， 槽内温度-250恒温.,250公斤的液氢罐。环保陷阱？ 电力驱动是未来的希望之星。(2009.9) 宝马汽车公司CEO诺伯特雷瑟夫,马自达 RX-8 Hydrogen RE,氢和汽油双燃料切换系统的氢转子引擎，汽油作为应急能源。,储氢材料氢汽车研发展望,氢动力技术存在一些问题，包括廉价环保的制氢技术、高含量低能耗储氢技术、加氢站的建设。氢气车运行成本目前远高于汽油车。 尽管氢动力仍是最佳方案，但在未来多年内，新能源车的发展重点在于电动汽车和混合动力车。,储氢材料的应用,能量转换 储氢输氢 蓄热输热 吸氢

9、放热，放氢吸热 工业废热，地热，太阳能热 化学能 金属氢化物热泵 热机械能,储氢材料的应用金属氢化物热泵(MHHP),背景： a.空调能耗大 (高品位能源的热效率低，10%) ； b.氟利昂介质易泄漏，破坏生态； 金属氢化物热泵空调的优点： a.可由低品位热源(废热、太阳能)驱动； b.气固相作用，无腐蚀； c.无运动部件，无噪音，无磨损； d.系统工作温度范围大，工作温度可调； e.不存在氟利昂的泄漏。,储氢材料的应用金属氢化物热泵(MHHP),以储氢材料作为能量转换材料，以氢气作为工作介质，利用两种储氢合金的平衡压差来驱动氢气流动，使两种合金分别处于放氢(吸热)，吸氢(放热)的状态，因而达到制冷升温的目的。,a.升温循环 b.增热循环 c.冷冻循环,储氢材料的应用金属氢化物热泵(MHHP),存在的问题 (a) 合