第四章 储氢材料(正式版).

（1） 体积比较
（2）氢含量比较
Hydrogen storage capacity (wt%)
0 1 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%
应速度慢。
1964年，研制出Mg2Ni，其吸氢量为 (H)=3.6％，能在室温下吸氢和放氢，250
℃时放氢压力约0.1MPa，成为最早具有应用
价值的贮氢材料。
同年在研究稀土化合物时发现了 LaNi5具有优异的吸氢特性;
1974年又发现了TiFe贮氢材料。
LaNi5和TiFe是目前性能最好的贮氢材料。
第四章 储氢材料
主要内容
一、概论 二、贮氢材料的定义及研究历程 三、储氢材料技术现状 四、贮氢原理 五、储氢材料应具备的条件 六、影响储氢材料吸储能力的因素 七、储氢材料的种类 八、贮氢材料的应用
一、绪言
1.1能源危机与环境问题 氢－二十一世纪的绿色能源
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）
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(shi)、Pr(pu)、Nd(nv))
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
3.1金属氢化物储氢特点
反应可逆
M + x/2H2
Des. Abs.
MHx + ∆H
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
Position for H occupied at HSM
广泛用于镍/氢电池
PCT curves of LaNi5 alloy
PCT curves of TiFe alloy
TiFe(40 ℃)
TiFe 合金
特点:
• • • • 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
• • • • •
合
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
Leabharlann Baidu
改进方法：机械合金化－加TiFe和CaCu5球磨，或复
钛/锆系
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：
质量储氢容量>5%; 体积容量>50kg(H2)/m3
1.4不同储氢方式的比较
气态储氢：
1) 能量密度低 2) 不太安全
液化储氢：
1) 能耗高 2) 对储罐绝热性能要求高
固态储氢的优势：
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
5
Hydrogen storage capacity (wt%)
二、贮氢材料的定义及研究历程
(Hydrogen storage materials) 2.1 定义 贮氢材料定义：
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
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； 如果进一步用太阳能以海水制氢，则可实现无公害能源 系统。 此外，氢还可以作为贮存其他能源的媒体，通过利用过 剩电力进行电解制氢，实现能源贮存。 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而成为当前材料 研究的一个热点项目。
对于以氢为能源的燃料电池驱动汽车来 说，不仅要求贮氢系统的氢密度高，而且要 求氢所占贮氢系统的质量分数要高(估算须达 到(H) =6.5％)，当前的金属氢化物贮氢技术 还不能满足此要求。 因此，高容量贮氢系统是贮氢材料研究 中长期探求的目标。
2.2储氢材料研究历程
贮氢材料的发现和应用研究始于20世 纪60年代，1960年发现镁(Mg)能形成 MgH2，其吸氢量高达(H)＝7.6％，但反
氢释放出来以供使用。
储氢材料举例
从表中可知，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，一般贮氢材料中，氢分解压较低，所以用金
属氢化物贮氢时并不必用101.3MPa(1000atm)的耐压钢瓶。
可见，利用金属氢化物贮存氢从容积来看是 极为有利的。 但从氢所占的质量分数来看，仍比液态氢、 固态氢低很多，尚需克服很大困难，尤其体现在 对汽车工业的应用上。 当今汽车工业给环境带来恶劣的影响，因此 汽车工业一直期望用以氢为能源的燃料电池驱动 的环境友好型汽车来替代。