储氢材料概述

【专家解说】：Fuel Cell R&D Center Seminar I Dalian Institute of Chemical Physics 储氢材料概述 报告人: 赵 平 指导教师: 张华民 研究员 Fuel cell R&D center Dalian Institute of Chemical Physics Chinese Academy of Science 2004年4月 Seminar I 一,绪言 氢-二十一世纪 的绿色能源 1.1能源危机与环境问题 化石能源的有限性与人类需求的无限性-石油,煤炭等主要能源将在未来数十年至数百年内枯竭!!!(科技日报,2004年2月25日,第二版) 化石能源的使用正在给地球造成巨大的生态灾难-温室效应,酸雨等严重威胁地球动植物的生存!!! 人类的出路何在 -新能源研究势在必行!!! 1.2 氢能开发,大势所趋 氢是自然界中最普遍的元素,资源无穷无尽-不存在枯竭问题 氢的热值高,燃烧产物是水-零排放,无污染 ,可循环利用 氢能的利用途径多-燃烧放热或电化学发电 氢的储运方式多-气体,液体,固体或化合物 1.3 实现氢能经济的关键技术 廉价而又高效的制氢技术 安全高效的储氢技术-开发新型高效的储氢材料和安全的储氢技术是当务之急 车用氢气存储系统目标: IEA: 质量储氢容量>5%; 体积容量>50kg(H2)/m3 DOE : >6.5%, > 62kg(H2)/m3 二,不同储氢方式的比较 气态储氢: 能量密度低 不太安全 液化储氢: 能耗高 对储罐绝热性能要求高 二,不同储氢方式的比较 固态储氢的优势: 体积储氢容量高 无需高压及隔热容器 安全性好,无爆炸危险 可得到高纯氢,提高氢的附加值 2.1 体积比较 2.2 氢含量比较 三,储氢材料技术现状 3.1 金属氢化物 3.2 配位氢化物 3.3 纳米材料 金属氢化物储氢特点 反应可逆 氢以原子形式储存,固态储氢,安全可靠 较高的储氢体积密度 Abs. Des. M + x/2H2 MHx + H Position for H occupied at HSM Hydrogen on Tetrahedral Sites Hydrogen on Octahedral Sites 3.1 金属氢化物储氢 目前研制成功的: 稀土镧镍系 钛铁系 镁系 钛/锆系 稀土镧镍系储氢合金 典型代表:LaNi5 ,荷兰Philips实验室首先研制 特点: 活化容易 平衡压力适中且平坦,吸放氢平衡压差小 抗杂质气体中毒性能好 适合室温操作 经元素部分取代后的MmNi3.55Co0.75Mn0.47Al0.3(Mm混合稀土,主要成分La,Ce,Pr,Nd)广泛用于镍/氢电池 PCT curves of LaNi5 alloy 钛铁系 典型代表:TiFe,美Brookhaven国家实验室首先发明 价格低 室温下可逆储放氢 易被氧化 活化困难 抗杂质气体中毒能力差 实际使用时需对合金进行表面改性处理 PCT curves of TiFe alloy TiFe(40 ℃) TiFe alloy Characteristics: two hydride phases; phase (TiFeH1.04) & phase (TiFeH1.95 ) 2.13TiFeH0.10 + 1/2H2 → 2.13TiFeH1.04 2.20TiFeH1.04 + 1/2H2 → 2.20TiFeH1.95 镁系 典型代表:Mg2Ni,美Brookhaven国家实验室首先报道 储氢容量高 资源丰富 价格低廉 放氢温度高(250-300℃ ) 放氢动力学性能较差 改进方法:机械合金化-加TiFe和CaCu5球磨,或复合 钛/锆系 具有Laves相结构的金属间化合物 原子间隙由四面体构成,间隙多,有利于氢原子的吸附 TiMn1.5H2.5 日本松下(1.8%) Ti0.90Zr0.1Mn1.4V0.2Cr0.4 活性好 用于:氢汽车储氢,电池负极Ovinic 3.2配位氢化物储氢 碱金属(Li,Na,K)或碱土金属(Mg,Ca)与第三主族元素(B,Al)形成 储氢容量高 再氢化难(LiAlH4在TiCl3, TiCl4等催化下180℃ ,8MPa氢压下获得5%的可逆储放氢容量) 金属配位氢化物的的主要性能 ℃ 3.3碳纳米管(CNTs) 1991年日本NEC公司Iijima教授发现CNTs 纳米碳管储氢-美学者Dillon1997首开先河 单壁纳米碳管束TEM照片 多壁纳米碳管TEM照片 纳米碳管吸附储氢: Hydrogen storage capacities of CNTs and LaNi5 for comparison (data deternined by IMR,RT,10MPa) 纳米碳管电化学储氢 开口多壁MoS2纳米管及其循环伏安分析 循环伏安曲线 纳米碳管电化学储氢 ____________________________________________________ 多壁纳米碳管电极循环充放电曲线,经过100充放电后_ 保持最大容量的70% 单壁纳米碳管循环充放电曲线,经过100充放电后 保持最大容量的80% 碳纳米管电化学储氢小结 __ _ 纯化处理后多壁纳米碳管最大放电容量为 1157mAh/g,相当于4.1%重量储氢容量.经过100充放电后,其仍保持最大容量的70%. 单壁纳米碳管最大放电容量为503mAh/g,相当于1.84%重量储氢容量.经过100充放电后,其仍保持最大容量的80%. ____ ____ 纳米材料储氢存在的问题: 世界范围内所测储氢量相差太大:0.01(wt ) %-67 (wt ) %,如何准确测定 储氢机理如何 四,结束语-氢能离我们还有多远 氢能作为最清洁的可再生能源,近10多年来发达国家高度重视,中国近年来也投入巨资进行相关技术开发研究 氢能汽车在发达国家已示范运行,中国也正在筹划引进 氢能汽车商业化的障碍是成本高,高在氢气的储存 液氢和高压气氢不是商业化氢能汽车-安全性和成本 大多数储氢合金自重大,寿命也是个问题;自重低的镁基合金很难常温储放氢,位氢化物的可逆储放氢等需进一步开发研究, 碳材料吸附储氢受到重视,但基础研究不够,能否实用化还是个问号 氢能之路-前途光明,道路曲折!