储氢材料的原理及应用

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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

2、长率；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(QuadrillionBtu)×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

3、变化过程中所释放的能量(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氢系统输送系统氢的利用制氢技术化石燃料制氢(~90%)O2CnHm+CO

4、+H2H2OCO+H2OCO2+H2水制氢电解水制氢：H2OH2+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USdepartmentofEnergy提出的目标2012：6.5wt%，62kg·H2·m-3.2015：9.0wt%，81kg·H2·m-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；储氢方式(b)液态储氢优点：体积能量密度高；缺点：液化耗能(4~10kw·h/kg)；蒸发损

5、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%).储存介质存在状态氢相对密度贮氢量(wt.%)贮氢量(g/ml)标准态H2气态(1atm)11000.00008高压H2气态(150atm)150100(0.80*a)0.012液态H2液态778100(~5.0*b)0.062MgH2固态12227.600.098LaNi5H6固态11481.370.092TiFeH1.95固态10561.850.084Mg2NiH4固态10373.600.083VH2固态19443.810.156储氢方式(d)复合氢化物储氢优点

6、：(AlH4-)、(NH2-)、(BH4-)含氢量高很有潜力。NaAlH4－7.47wt.%LiAlH4－10.62wt.%KBH4－7.47wt.%NaBH4－11.66wt.%LiBH4－18.51wt.%NH3BH3－12.9wt.%缺点：放氢温度高400~700K储氢方式(e)有机液体储氢优点：储氢量大；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↔C6H127.2wt.%苯环己烷C7H8↔C7H146.2wt.%H2甲苯甲基环己烷储氢方式(f)物理吸附储氢Ⅰ碳纳米管；1997.3单壁碳纳米管中的储氢——《nat

7、ure》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》1998~2010，CNTS储氢量逐年下降物理吸附达到的储氢密度有限，＜1wt%Ⅱ沸石；Ⅲ金属有机骨架化合物；Ⅳ玻璃微球；直径25~500um，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，

8、不受热机效