储氢材料.ppt
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1、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3107J/kg 、煤气4.2107J/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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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:,MHx是固溶体,1 储氢过程,(1) 在合金吸氢的初始阶段形成固溶体(相),合 金结构保持不变,20,(2) 固溶体进一步与氢反应生成氢化物(相),(3)进一步增加
7、氢压,合金中的氢含量略有增加,MHy是固溶体,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
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