先进材料引论-储氢材料-燃料电池
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1) 2) 3) 4) 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
20
不同储氢方式的比较
体积比较
21
什么是储氢材料
储氢材料(Hydrogen storage materials)
是在通常条件下能可逆地大量吸收和
放出氢气的特种材料。 储氢材料的作用相当于贮氢容器。
2
氢能概述及特点
所谓氢能是指氢气所含有的能量，实质上氢是一种二次能源， 是一次能源的转换形式。也就是说，它只是能量的一种存储形 式。氢能在进行能量转换时其产物是水 ，可实现真正的零排放。 作为能源，氢主要有以下主要特点：
所有元素中，氢重量最轻 氢是自然界存在最普遍的元素
氢本身无毒，燃烧时会生成水和少 氢燃烧性能好，点燃快，燃点高， 燃烧速度快 量氮化氢
所有气体中，氢气的导热性最好 氢能利用形式多，如燃烧等
除核燃料外氢的发热值是所有化石 氢可以以气态、液态或固态的金 属氢化物出现，能适应贮运及各 燃料、化工燃料和生物燃料中最高的， 种应用环境的不同要求 是汽油发热值的3倍 3
氢能：多元化、可持续能源
4
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
18
物理 方法
高压氢 大比表吸附剂 纳米碳管 金属氢化物
>100 g/l ~50 g/l 63/22 g/l
<2wt% ~7wt% >4wt%
化学 方法
有机液体 其他含氢物质
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
19
不同储氢方式的比较
固态储氢的优势：
化 石 能 源 制 氢
烃类分解法 醇类分解法 煤气化法
H2S分解法
光解水制氢 水电解法 生物法
H2S
水 水 发酵细菌、光 合细菌和藻类
可处理H2S,但规模小
产量低，不成熟， 环境友好 投资高，使用电力 产量低，不成熟，但可处 理有机废水和生活垃圾等
12
氢的储存
在以氢作为能源媒体的氢能体系中，氢的储存 与运输是实际应用中的关键。 储氢材料就是作为氢的储存与运输媒体而成为 当前材料研究的一个热点项目。
究碳纳米管储氢就显得十分重要。
碳纳米管储 氢示意图
17
氢的储存与运输——储存方法
类型 典型技术
液态氢
体积密度
71/37 g/l 39/24 g/l
重量密度
~5wt% ~3.3wt% ~1wt% <2wt%
备 注
20K,能耗大 RT,70MPa 80K 可逆存放量 可实用速度吸\放氢量 苯理论量 30%NaBH4溶液
27
金属氢化物储氢
镁系吸氢合金的潜在应用在于可有效 利用250～400℃的工业废热，工业废热提 供氢化物分解所需的热量。
目前，Mg2Ni 系合金在二次电池负极
方面的应用已成为一个重要的研究方向。
28
金属氢化物储氢 ② 稀土系合金
人们很早就发现，稀土金属与氢气反应
生成稀土氢化物REH2，这种氢化物加热到
44
燃料电池 —氢燃料电池
阳极：H2 = 2H+ + 2e 阴极： 2H+ + 1/2O2 + 2e = H2O 总反应： H2 + 1/2O2 = H2O Eø= 1.23 V
45
以质子交换膜燃料电池（PEMFC）为例，其工作原理如下： (1) 氢气通过管道或导气板到达阳极； (2) 在阳极催化剂的作用下，1 个氢分子解离为 2 个氢质 子，并释放出 2 个电子，阳极反应为：
30
金属氢化物储氢
典型的贮氢合金LaNi5是1969年 荷兰菲利浦公司发现的，从而引发 了人们对稀土系储氢材料的研究。
31
金属氢化物储氢
以LaNi5 为代表的稀土储氢合金被认为是 所有储氢合金中应用性能最好的一类。 优点：初期氢化容易，反应速度快，吸-放氢
性能优良。20℃时氢分解压仅几个大气压。
13
氢的储存与运输——高压气钢瓶储氢
高压气体钢瓶是最普通
的储氢方法，目前的最高气
体压力为22MPa，下一个目 标是达到32MPa。但存在安 全隐患和大量的能源消耗。
高压储氢罐
14
氢的储存与运输——液化储氢
液化后存储在绝热容器中。这种方法成本高， 储氢环节需要消耗40%的能量，而且储存液氢要有 极好的绝热设备—托瓦瓶。液氢易逸散渗漏，会酿 成严重火灾和爆炸事故。
5
Hydrogen storage capacity (wt%)
39
氢能社会构想
40
燃料电池(Fuel Cell)
• 燃料电池是一种化学电池，它利用物质发生 化学反应时释出的能量，直接将其变换为电 能。从这一点看，它和其他化学电池如锰干 电池、铅蓄电池等是类似的。但是，它工作 时需要连续地向其供给活物质（起反应的物 质）--燃料和氧化剂，这又和其他普通化学 电池不大一样。由于它是把燃料通过化学反 应释出的能量变为电能输出，所以被称为燃 料电池。
镁在地壳中藏量丰富。MgH2是唯一一 种可供工业利用的二元化合物，价格便宜
，而且具有最大的储氢量。
MgH2缺点：释放温度高且速度慢，抗 腐蚀能力差。
26
金属氢化物储氢
新开发的镁系吸氢合金Mg2Ni1-xMx (M = V，Cr，Mn，Fe， Co) 和Mg2xMxNi
(Al， Ca) 比MgH2的性能好。
现无公害能源系统。 此外，氢还可以作为储存其他能源的媒体， 通过利用过剩电力进行电解制氢，实现能 源贮存。
7
氢的制取——方法
8
氢的制取——化石能源制氢
目前，世界上
95%的氢气是通过
石化燃料的重整获得 的。 如何高效的规模 化制氢，必然是氢能 经济的关键技术。
9
氢的制取——生物质气化制氢
生物质气化制氢
是将生物质置于高温下，经 热解、水解、氧化、还原等一系 列热化学反应以及蒸汽重整、水 气转换和变压吸附氢气分离等等
化工过程生成高纯氢气的技术。
需解决气体热值偏低和气体 净化问题。
10
氢的制取——电解水制氢
电解水制氢
——最有前途的制氢方式
11
氢的制取——原料、工艺和特点
制氢类型 烃类蒸汽转化 和部分氧化法 原料 天然气、石油 烃类 甲醇、乙醇等 各种煤 工艺 气化炉催化转化 采用热或等离子体将原 料分解为氢和炭黑 气化炉催化转化 需气化、脱硫、变换等 微波等离子体分解 ,Fe3+ 电氧化吸收,催化热分解 光催化材料的制备 简单，碱溶液中 细胞固定化或光照条件 特点 传统工业方法， CO2处理困难 无需处理CO2， 可得到炭黑等副产品 转化率和氢含量高， 转化温度低 能耗高，氢含量低
H 2 2H 2e
(3) 在电池的另一端，氧气（或空气）通过管道或导气板 到达阴极，在阴极催化剂的作用下，氧分子和氢离子与通过 外电路到达阴极的电子发生反应生成水，阴极反应为：
1/ 2O2 2H 2e H2O
总的化学反应为：
H 2 1/ 2O2 H 2O
电子在外电路形成直流电。因此，只要源源不断地向燃料电池阳极 和阴极供给氢气和氧气，就可以向外电路的负载连续地输出电能。 46
Ti-Mn：粉化严重，中毒再生性差。添
加少量其它元素(Zr, Co, Cr, V)可进一步改善 其性能。 其中，TiMn1.5Si0.1，Ti0.9Zr0.2Mn1.40Cr0.4 具有很好的储氢性能。
34
金属氢化物储氢 ④ 锆系合金
锆系合金具有吸氢量高，反应速度快， 易活化，无滞后效应等优点。
但是，氢化物生成热大，吸放氢平台压
储 氢 材 料
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！！！ • 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！！！
• 氢－二十一世纪的绿色能源
22
金属氢化物储氢特点
• 金属储氢材料在室温和常压条件下能迅速 吸氢(H2)并反应生成氢化物，使氢以金属氢 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。
M + x/2H2 Abs. MHx + ∆H • 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
1000℃以上才会分解。 而在稀土金属中加入某些第二种金属形 成合金后，在较低温度下也可吸放氢气，通 常将这种合金称为稀土贮氢合金。
29
金属氢化物储氢
在已开发的一系列储氢材料中，稀土 系储氢材料性能最佳，应用也最为广泛。 稀土系储氢材料的应用领域已扩大到 能源、化工、电子、宇航、军事及民用各
个方面。
力低，价贵，限制了它的应用。 ZrV2，ZrCr2，ZrMn2， Ti17Zr16Ni39V22Cr7
35
碳纳米管储氢
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%
缺点：镧价格高，循环退化严重，易粉化。
32
金属氢化物储氢 ③ 钛系合金
Ti-Ni：TiNi，Ti2Ni，TiNi-Ti2Ni，Ti1yZryNix，TiNi-Zr7Ni10，TiNiMm
Ti-Fe： 价廉，储氢量大，室温氢分
解压只有几个大气压，很合乎使用要求。 但是活化困难，易中毒。
33
金属氢化物储氢
燃料电池发展历史
• 燃料电池并不是什么新的发明，自1839年W.R.Grove 制作了第一只燃料电池和1959年F.T.Bacon制作了第 一只实用型燃料电池，对燃料电池的研究已有一百七 十多年的历史，但是直到20世纪90年代才实现真正技 术上的突破。 • “燃料电池”这个名称是蒙德（Mond）和莱格（Lan ger）在1889年首次采用的。 • 由于一种能将机械能转化为电能的装置——发电机的 问世，使人们对燃料电池的兴趣推迟了大约60年，当 时制约燃料电池研究的另一个原因是电化学热力学方 面有进展而电极反应动力学方面没有进展。
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
5
氢能开发，大势所趋
氢能源系统是作为一种储量丰富、无公害 的能源替代品而倍受重视。 如果以海水制氢作为燃料，从原理上讲， 燃烧后只能生成水，这对环境保护极为有利；
6
氢能开发，大势所趋
如果进一步用太阳能以海水制氢，则可实
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%
36
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
37
纳米碳管吸附储氢：
Hydrogen storage capacities of CNTs and LaNi5 for comparison (data deternined by IMR，RT，10MPa)
23
Des.
金属氢化物储氢
Position for H occupied at HSM
Hydrogen on Tetrahedral Sites
Hydrogen on Octahedral Sites
24
金属氢化物储氢
① 镁系合金 ② 稀土系合金 ③ 钛系合金
④ 锆系合金
25
金属氢化物储氢
① 镁系合金
生物质气化制氢10电解水制氢最有前途的制氢方式电解水制氢11制氢类型原料工艺特点烃类蒸汽转化和部分氧化法天然气石油气化炉催化转化传统工业方法co处理困难烃类分解法烃类采用热或等离子体将原料分解为氢和炭黑无需处理co可得到炭黑等副产品醇类分解法甲醇乙醇等气化炉催化转化转化率和氢含量高转化温度低煤气化法各种煤需气化脱硫变换等能耗高氢含量低电氧化吸收催化热分解可处理hs但规模小光解水制氢光催化材料的制备产量低不成熟环境友好水电解法简单碱溶液中投资高使用电力生物法发酵细菌光合细菌和藻类细胞固定化或光照条件产量低不成熟但可处理有机废水和生活垃圾等12在以氢作为能源媒体的氢能体系中氢的储存氢的储存与运输与运输是实际应用中的关键
燃料电池与普通蓄（干）电池的区别： 普通电池是将储存在一定容器 内的化学能转化成电能的装置。
燃料电池是一种将外部供给的 燃料和氧化剂中的化学能持续 不断的转化成电能的装置。
43
燃料电池 —氢燃料电池
氢燃料电池本质是水电解的“逆”装 置，主要由3 部分组成，即阳极、阴 极、电解质。其阳极为氢电极，阴极 为氧电极。通常，阳极和阴极上都含 有一定量的催化剂，用来加速电极上 发生的电化学反应。两极之间是电解 质。
ห้องสมุดไป่ตู้41
燃料电池(Fuel Cell)
What is a fuel cell?
燃料电池是一种通过氢和氧非燃烧反 应将化学能转化为电能的电化学装置。
能量转化 能量转化 将化学能转化为电能的装置
获得电力 基于电化学原理
需要空 气资源
利用空气提供氧燃料
获得电力
利用空 气资源
42
燃料电池(Fuel Cell)
38
不同储氢材料的比较
氢含量比较
0 1
Hydrogen storage capacity (wt%)
2 3 4 5
LaNi5H6
1.4wt%
per weight
TiFeH1.9
1.8wt%
Mg2NiH4
3.6wt%
Carbon nanotube (RT,10MPa 氢压)
0 1 2 3 4
4.2wt%
液态储 氢罐
15
氢的储存与运输——金属及合金储氢
用某些金属或合金来储存氢。
氢有一个奇持的性质，它会与某些过渡金属(如钯等)
或合金形成金属氢化物，但还须提高氢的质量密度。
NaAlH4化合物
16
氢的储存与运输——碳纳米管储氢
纳米碳是指具有纳米尺度几何参数的碳材料，碳
纳米管能否储氢关系到储氢研究的方向。因此，研
20
不同储氢方式的比较
体积比较
21
什么是储氢材料
储氢材料(Hydrogen storage materials)
是在通常条件下能可逆地大量吸收和
放出氢气的特种材料。 储氢材料的作用相当于贮氢容器。
2
氢能概述及特点
所谓氢能是指氢气所含有的能量，实质上氢是一种二次能源， 是一次能源的转换形式。也就是说，它只是能量的一种存储形 式。氢能在进行能量转换时其产物是水 ，可实现真正的零排放。 作为能源，氢主要有以下主要特点：
所有元素中，氢重量最轻 氢是自然界存在最普遍的元素
氢本身无毒，燃烧时会生成水和少 氢燃烧性能好，点燃快，燃点高， 燃烧速度快 量氮化氢
所有气体中，氢气的导热性最好 氢能利用形式多，如燃烧等
除核燃料外氢的发热值是所有化石 氢可以以气态、液态或固态的金 属氢化物出现，能适应贮运及各 燃料、化工燃料和生物燃料中最高的， 种应用环境的不同要求 是汽油发热值的3倍 3
氢能：多元化、可持续能源
4
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
18
物理 方法
高压氢 大比表吸附剂 纳米碳管 金属氢化物
>100 g/l ~50 g/l 63/22 g/l
<2wt% ~7wt% >4wt%
化学 方法
有机液体 其他含氢物质
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
19
不同储氢方式的比较
固态储氢的优势：
化 石 能 源 制 氢
烃类分解法 醇类分解法 煤气化法
H2S分解法
光解水制氢 水电解法 生物法
H2S
水 水 发酵细菌、光 合细菌和藻类
可处理H2S,但规模小
产量低，不成熟， 环境友好 投资高，使用电力 产量低，不成熟，但可处 理有机废水和生活垃圾等
12
氢的储存
在以氢作为能源媒体的氢能体系中，氢的储存 与运输是实际应用中的关键。 储氢材料就是作为氢的储存与运输媒体而成为 当前材料研究的一个热点项目。
究碳纳米管储氢就显得十分重要。
碳纳米管储 氢示意图
17
氢的储存与运输——储存方法
类型 典型技术
液态氢
体积密度
71/37 g/l 39/24 g/l
重量密度
~5wt% ~3.3wt% ~1wt% <2wt%
备 注
20K,能耗大 RT,70MPa 80K 可逆存放量 可实用速度吸\放氢量 苯理论量 30%NaBH4溶液
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金属氢化物储氢
镁系吸氢合金的潜在应用在于可有效 利用250～400℃的工业废热，工业废热提 供氢化物分解所需的热量。
目前，Mg2Ni 系合金在二次电池负极
方面的应用已成为一个重要的研究方向。
28
金属氢化物储氢 ② 稀土系合金
人们很早就发现，稀土金属与氢气反应
生成稀土氢化物REH2，这种氢化物加热到
44
燃料电池 —氢燃料电池
阳极：H2 = 2H+ + 2e 阴极： 2H+ + 1/2O2 + 2e = H2O 总反应： H2 + 1/2O2 = H2O Eø= 1.23 V
45
以质子交换膜燃料电池（PEMFC）为例，其工作原理如下： (1) 氢气通过管道或导气板到达阳极； (2) 在阳极催化剂的作用下，1 个氢分子解离为 2 个氢质 子，并释放出 2 个电子，阳极反应为：
30
金属氢化物储氢
典型的贮氢合金LaNi5是1969年 荷兰菲利浦公司发现的，从而引发 了人们对稀土系储氢材料的研究。
31
金属氢化物储氢
以LaNi5 为代表的稀土储氢合金被认为是 所有储氢合金中应用性能最好的一类。 优点：初期氢化容易，反应速度快，吸-放氢
性能优良。20℃时氢分解压仅几个大气压。
13
氢的储存与运输——高压气钢瓶储氢
高压气体钢瓶是最普通
的储氢方法，目前的最高气
体压力为22MPa，下一个目 标是达到32MPa。但存在安 全隐患和大量的能源消耗。
高压储氢罐
14
氢的储存与运输——液化储氢
液化后存储在绝热容器中。这种方法成本高， 储氢环节需要消耗40%的能量，而且储存液氢要有 极好的绝热设备—托瓦瓶。液氢易逸散渗漏，会酿 成严重火灾和爆炸事故。
5
Hydrogen storage capacity (wt%)
39
氢能社会构想
40
燃料电池(Fuel Cell)
• 燃料电池是一种化学电池，它利用物质发生 化学反应时释出的能量，直接将其变换为电 能。从这一点看，它和其他化学电池如锰干 电池、铅蓄电池等是类似的。但是，它工作 时需要连续地向其供给活物质（起反应的物 质）--燃料和氧化剂，这又和其他普通化学 电池不大一样。由于它是把燃料通过化学反 应释出的能量变为电能输出，所以被称为燃 料电池。
镁在地壳中藏量丰富。MgH2是唯一一 种可供工业利用的二元化合物，价格便宜
，而且具有最大的储氢量。
MgH2缺点：释放温度高且速度慢，抗 腐蚀能力差。
26
金属氢化物储氢
新开发的镁系吸氢合金Mg2Ni1-xMx (M = V，Cr，Mn，Fe， Co) 和Mg2xMxNi
(Al， Ca) 比MgH2的性能好。
现无公害能源系统。 此外，氢还可以作为储存其他能源的媒体， 通过利用过剩电力进行电解制氢，实现能 源贮存。
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氢的制取——方法
8
氢的制取——化石能源制氢
目前，世界上
95%的氢气是通过
石化燃料的重整获得 的。 如何高效的规模 化制氢，必然是氢能 经济的关键技术。
9
氢的制取——生物质气化制氢
生物质气化制氢
是将生物质置于高温下，经 热解、水解、氧化、还原等一系 列热化学反应以及蒸汽重整、水 气转换和变压吸附氢气分离等等
化工过程生成高纯氢气的技术。
需解决气体热值偏低和气体 净化问题。
10
氢的制取——电解水制氢
电解水制氢
——最有前途的制氢方式
11
氢的制取——原料、工艺和特点
制氢类型 烃类蒸汽转化 和部分氧化法 原料 天然气、石油 烃类 甲醇、乙醇等 各种煤 工艺 气化炉催化转化 采用热或等离子体将原 料分解为氢和炭黑 气化炉催化转化 需气化、脱硫、变换等 微波等离子体分解 ,Fe3+ 电氧化吸收,催化热分解 光催化材料的制备 简单，碱溶液中 细胞固定化或光照条件 特点 传统工业方法， CO2处理困难 无需处理CO2， 可得到炭黑等副产品 转化率和氢含量高， 转化温度低 能耗高，氢含量低
H 2 2H 2e
(3) 在电池的另一端，氧气（或空气）通过管道或导气板 到达阴极，在阴极催化剂的作用下，氧分子和氢离子与通过 外电路到达阴极的电子发生反应生成水，阴极反应为：
1/ 2O2 2H 2e H2O
总的化学反应为：
H 2 1/ 2O2 H 2O
电子在外电路形成直流电。因此，只要源源不断地向燃料电池阳极 和阴极供给氢气和氧气，就可以向外电路的负载连续地输出电能。 46
Ti-Mn：粉化严重，中毒再生性差。添
加少量其它元素(Zr, Co, Cr, V)可进一步改善 其性能。 其中，TiMn1.5Si0.1，Ti0.9Zr0.2Mn1.40Cr0.4 具有很好的储氢性能。
34
金属氢化物储氢 ④ 锆系合金
锆系合金具有吸氢量高，反应速度快， 易活化，无滞后效应等优点。
但是，氢化物生成热大，吸放氢平台压
储 氢 材 料
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！！！ • 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！！！
• 氢－二十一世纪的绿色能源
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金属氢化物储氢特点
• 金属储氢材料在室温和常压条件下能迅速 吸氢(H2)并反应生成氢化物，使氢以金属氢 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。
M + x/2H2 Abs. MHx + ∆H • 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
1000℃以上才会分解。 而在稀土金属中加入某些第二种金属形 成合金后，在较低温度下也可吸放氢气，通 常将这种合金称为稀土贮氢合金。
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金属氢化物储氢
在已开发的一系列储氢材料中，稀土 系储氢材料性能最佳，应用也最为广泛。 稀土系储氢材料的应用领域已扩大到 能源、化工、电子、宇航、军事及民用各
个方面。
力低，价贵，限制了它的应用。 ZrV2，ZrCr2，ZrMn2， Ti17Zr16Ni39V22Cr7
35
碳纳米管储氢
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%
缺点：镧价格高，循环退化严重，易粉化。
32
金属氢化物储氢 ③ 钛系合金
Ti-Ni：TiNi，Ti2Ni，TiNi-Ti2Ni，Ti1yZryNix，TiNi-Zr7Ni10，TiNiMm
Ti-Fe： 价廉，储氢量大，室温氢分
解压只有几个大气压，很合乎使用要求。 但是活化困难，易中毒。
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金属氢化物储氢
燃料电池发展历史
• 燃料电池并不是什么新的发明，自1839年W.R.Grove 制作了第一只燃料电池和1959年F.T.Bacon制作了第 一只实用型燃料电池，对燃料电池的研究已有一百七 十多年的历史，但是直到20世纪90年代才实现真正技 术上的突破。 • “燃料电池”这个名称是蒙德（Mond）和莱格（Lan ger）在1889年首次采用的。 • 由于一种能将机械能转化为电能的装置——发电机的 问世，使人们对燃料电池的兴趣推迟了大约60年，当 时制约燃料电池研究的另一个原因是电化学热力学方 面有进展而电极反应动力学方面没有进展。
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
5
氢能开发，大势所趋
氢能源系统是作为一种储量丰富、无公害 的能源替代品而倍受重视。 如果以海水制氢作为燃料，从原理上讲， 燃烧后只能生成水，这对环境保护极为有利；
6
氢能开发，大势所趋
如果进一步用太阳能以海水制氢，则可实
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%
36
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
37
纳米碳管吸附储氢：
Hydrogen storage capacities of CNTs and LaNi5 for comparison (data deternined by IMR，RT，10MPa)
23
Des.
金属氢化物储氢
Position for H occupied at HSM
Hydrogen on Tetrahedral Sites
Hydrogen on Octahedral Sites
24
金属氢化物储氢
① 镁系合金 ② 稀土系合金 ③ 钛系合金
④ 锆系合金
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金属氢化物储氢
① 镁系合金
生物质气化制氢10电解水制氢最有前途的制氢方式电解水制氢11制氢类型原料工艺特点烃类蒸汽转化和部分氧化法天然气石油气化炉催化转化传统工业方法co处理困难烃类分解法烃类采用热或等离子体将原料分解为氢和炭黑无需处理co可得到炭黑等副产品醇类分解法甲醇乙醇等气化炉催化转化转化率和氢含量高转化温度低煤气化法各种煤需气化脱硫变换等能耗高氢含量低电氧化吸收催化热分解可处理hs但规模小光解水制氢光催化材料的制备产量低不成熟环境友好水电解法简单碱溶液中投资高使用电力生物法发酵细菌光合细菌和藻类细胞固定化或光照条件产量低不成熟但可处理有机废水和生活垃圾等12在以氢作为能源媒体的氢能体系中氢的储存氢的储存与运输与运输是实际应用中的关键
燃料电池与普通蓄（干）电池的区别： 普通电池是将储存在一定容器 内的化学能转化成电能的装置。
燃料电池是一种将外部供给的 燃料和氧化剂中的化学能持续 不断的转化成电能的装置。
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燃料电池 —氢燃料电池
氢燃料电池本质是水电解的“逆”装 置，主要由3 部分组成，即阳极、阴 极、电解质。其阳极为氢电极，阴极 为氧电极。通常，阳极和阴极上都含 有一定量的催化剂，用来加速电极上 发生的电化学反应。两极之间是电解 质。
ห้องสมุดไป่ตู้41
燃料电池(Fuel Cell)
What is a fuel cell?
燃料电池是一种通过氢和氧非燃烧反 应将化学能转化为电能的电化学装置。
能量转化 能量转化 将化学能转化为电能的装置
获得电力 基于电化学原理
需要空 气资源
利用空气提供氧燃料
获得电力
利用空 气资源
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燃料电池(Fuel Cell)
38
不同储氢材料的比较
氢含量比较
0 1
Hydrogen storage capacity (wt%)
2 3 4 5
LaNi5H6
1.4wt%
per weight
TiFeH1.9
1.8wt%
Mg2NiH4
3.6wt%
Carbon nanotube (RT,10MPa 氢压)
0 1 2 3 4
4.2wt%
液态储 氢罐
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氢的储存与运输——金属及合金储氢
用某些金属或合金来储存氢。
氢有一个奇持的性质，它会与某些过渡金属(如钯等)
或合金形成金属氢化物，但还须提高氢的质量密度。
NaAlH4化合物
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氢的储存与运输——碳纳米管储氢
纳米碳是指具有纳米尺度几何参数的碳材料，碳
纳米管能否储氢关系到储氢研究的方向。因此，研