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1、2023/3/26/23:06:56参考书目参考书目参考书目参考书目贮氢材料贮氢材料贮氢材料贮氢材料 胡子龙编著胡子龙编著 化学工业出版社化学工业出版社 20022002 功能材料及其应用功能材料及其应用功能材料及其应用功能材料及其应用 张骥华编著张骥华编著 机械工业出版社机械工业出版社 20092009 新型功能材料新型功能材料新型功能材料新型功能材料 贡长生贡长生,张克立主编张克立主编 化学工业出版社化学工业出版社 20012001 第1页/共43页2023/3/26/23:06:56第一章第一章 氢能及贮氢材料氢能及贮氢材料氢能概况贮氢材料的发展及分类第2页/共43页2023/3/26/
2、23:06:571 1 发展背景发展背景能源危机能源危机l化石能源的有限性与人类需求的无限性化石能源的有限性与人类需求的无限性 石油、煤等主要能源将在未来数十年至数百年内枯竭石油、煤等主要能源将在未来数十年至数百年内枯竭l化石能源的使用正在给地球造成巨大生态灾难化石能源的使用正在给地球造成巨大生态灾难 温室效应、酸雨等温室效应、酸雨等l人类的出路？人类的出路？新能源的研究势在必行新能源的研究势在必行 原子能 太阳能 地热能 风能 氢能氢能氢能 洁净、无污染、发热值高、取之不尽用之不竭的二次能洁净、无污染、发热值高、取之不尽用之不竭的二次能源源 第3页/共43页2023/3/26/23:06:5
3、7氢是宇宙中分布最广的元素氢是宇宙中分布最广的元素 宇宙质量的3/4 地壳中占0.76wt%如果海水中的氢全部提取，产生的总热量是地球上所有化石燃料燃烧放出热量的9000多倍2 2 氢能的特点氢能的特点第4页/共43页2023/3/26/23:06:57氢本身无毒氢本身无毒 氢燃烧产物：水、少量氮化氢 矿物燃料：大量烟尘、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物，对环境有害 氢是最清洁最清洁的能源之一第5页/共43页2023/3/26/23:06:57氢的燃烧值高氢的燃烧值高 除核燃料以外，所有其它类型（化石、化工、生物）的燃料中燃烧值最高的 1.211.43101.211.43105 5kJkJ.Kg
4、Kg-1-1HH2 2 汽油发热值的3 3倍，焦炭的4.54.5倍第6页/共43页2023/3/26/23:06:57氢的燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，燃烧速度快在所有的气体中，导热性最好，比大多数气体的导热系数高出10倍，在能源工业中是极好的传热载体第7页/共43页2023/3/26/23:06:57用途广泛用途广泛 发动机燃料、化工原料、燃料电池燃料等发动机燃料、化工原料、燃料电池燃料等 代替煤和石油，代替煤和石油，无需对现有技术装备进行重大改造无需对现有技术装备进行重大改造，如内燃机稍加改装即可，如内燃机稍加改装即可氢可以氢可以气态气态、液态液态或或固态金属氢化物固态
5、金属氢化物存在，能适应储运及各种应用环境的不存在，能适应储运及各种应用环境的不同要求同要求可作储能介质，经济有效地输送能源可作储能介质，经济有效地输送能源第8页/共43页2023/3/26/23:06:57氢能的开发和利用引起了人们极大的兴趣 20202020世纪世纪世纪世纪90909090年代起年代起年代起年代起美、日、德等美、日、德等 氢能研究与发展计划氢能研究与发展计划氢能研究与发展计划氢能研究与发展计划uu短期目标：氢燃料电池汽车的商业化短期目标：氢燃料电池汽车的商业化短期目标：氢燃料电池汽车的商业化短期目标：氢燃料电池汽车的商业化uu长期目标：代替日益枯竭的化石燃料，同电长期目标：代
6、替日益枯竭的化石燃料，同电长期目标：代替日益枯竭的化石燃料，同电长期目标：代替日益枯竭的化石燃料，同电 力一起成为未来能源体系的两大力一起成为未来能源体系的两大力一起成为未来能源体系的两大力一起成为未来能源体系的两大支柱支柱支柱支柱第9页/共43页2023/3/26/23:06:57 能源危机能源危机 太阳能、地热、风能及海太阳能、地热、风能及海太阳能、地热、风能及海太阳能、地热、风能及海水温差等，转化为二次能源水温差等，转化为二次能源水温差等，转化为二次能源水温差等，转化为二次能源第10页/共43页2023/3/26/23:06:57氢氢是一种非常重要的二次能源是一种非常重要的二次能源资源丰
7、富资源丰富资源丰富资源丰富 发热值高发热值高发热值高发热值高 燃烧产物无污染燃烧产物无污染燃烧产物无污染燃烧产物无污染JJ关键关键关键关键：贮存和运输贮存和运输贮存和运输贮存和运输要做到安全、效率高要做到安全、效率高要做到安全、效率高要做到安全、效率高FF钢瓶贮氢钢瓶贮氢钢瓶贮氢钢瓶贮氢 当前常用，危险、贮氢量小、使用不方便当前常用，危险、贮氢量小、使用不方便当前常用，危险、贮氢量小、使用不方便当前常用，危险、贮氢量小、使用不方便FF液态氢液态氢液态氢液态氢 密度高，液化温度密度高，液化温度密度高，液化温度密度高，液化温度-253-253，需绝热保护需绝热保护需绝热保护需绝热保护 如：大型运载
8、火箭，液氢为燃料，液氧为氧化剂，存贮装置占去火箭如：大型运载火箭，液氢为燃料，液氧为氧化剂，存贮装置占去火箭如：大型运载火箭，液氢为燃料，液氧为氧化剂，存贮装置占去火箭如：大型运载火箭，液氢为燃料，液氧为氧化剂，存贮装置占去火箭一一一一半以上半以上半以上半以上空间空间空间空间第11页/共43页2023/3/26/23:06:57主要储存方法主要储存方法主要储存方法主要储存方法液化贮氢液化贮氢高压储存氢气高压储存氢气玻璃微球储氢玻璃微球储氢吸附储氢吸附储氢有机液体储氢有机液体储氢金属（合金）储金属（合金）储氢氢3 3 氢的储存氢的储存第12页/共43页2023/3/26/23:06:57(1)(
9、1)液化储氢液化储氢6原理：原理：原理：原理：氢气压缩、深冷至21K以下，转变为液态，储存在特制的绝热真空容器中。6优点：优点：优点：优点：密度为气态氢的845倍，体积能量密度比气体高好几倍。适于空间有限的场合。火箭发动机、汽车、航天飞机火箭发动机、汽车、航天飞机火箭发动机、汽车、航天飞机火箭发动机、汽车、航天飞机 从质量和体积角度考虑从质量和体积角度考虑从质量和体积角度考虑从质量和体积角度考虑 理想理想理想理想的储氢方式的储氢方式的储氢方式的储氢方式第13页/共43页2023/3/26/23:06:576缺点：缺点：缺点：缺点：液化消耗大量的冷却能量液化消耗大量的冷却能量 1Kg1Kg氢约耗
10、电氢约耗电氢约耗电氢约耗电410kW.h 410kW.h 使用特殊容器，严格绝热才能保证安使用特殊容器，严格绝热才能保证安全全 除用于火箭等特殊场合，不经济除用于火箭等特殊场合，不经济除用于火箭等特殊场合，不经济除用于火箭等特殊场合，不经济第14页/共43页2023/3/26/23:06:57高压气瓶高压气瓶高压气瓶高压气瓶 15MPa15MPa15MPa15MPa 传统的储存气体方式传统的储存气体方式传统的储存气体方式传统的储存气体方式(2)(2)高压储存氢气高压储存氢气1psi=6.895kPa第15页/共43页2023/3/26/23:06:576 缺点：需要厚重的耐压容器需要厚重的耐压
11、容器消耗很多的氢气压缩功消耗很多的氢气压缩功氢气只占容器质量的氢气只占容器质量的12%不安全不安全第16页/共43页2023/3/26/23:06:57FF原理：原理：原理：原理：中空的玻璃微球中空的玻璃微球中空的玻璃微球中空的玻璃微球 直径直径直径直径25500m25500m之间，壁厚之间，壁厚之间，壁厚之间，壁厚1m1m1m1m 高压（高压（高压（高压（10200MPa10200MPa）温度温度温度温度200300200300 氢气扩散进入球内氢气扩散进入球内氢气扩散进入球内氢气扩散进入球内 等压冷却等压冷却等压冷却等压冷却 扩散性下扩散性下扩散性下扩散性下降降降降 加热加热加热加热 释放
12、释放释放释放 常温下存量可达常温下存量可达常温下存量可达常温下存量可达15151515 42%42%42%42%（质量）（质量）（质量）（质量）技术关键技术关键技术关键技术关键：制备高强度的空心玻璃微球、合适制备高强度的空心玻璃微球、合适制备高强度的空心玻璃微球、合适制备高强度的空心玻璃微球、合适的加热方式保证安全释放的加热方式保证安全释放的加热方式保证安全释放的加热方式保证安全释放(3)(3)玻璃微球储氢玻璃微球储氢第17页/共43页2023/3/26/23:06:57活性碳活性碳活性碳活性碳吸氢量和吸氢量和吸氢量和吸氢量和压力量压力量压力量压力量有关有关有关有关温度越低，压力越高，储氢量越
13、大温度越低，压力越高，储氢量越大温度越低，压力越高，储氢量越大温度越低，压力越高，储氢量越大77K77K时，吸氢量达时，吸氢量达时，吸氢量达时，吸氢量达5.3%5.3%（质量）（质量）（质量）（质量）不足不足不足不足：低温时，氢的留存量大，须真空加热活化：低温时，氢的留存量大，须真空加热活化：低温时，氢的留存量大，须真空加热活化：低温时，氢的留存量大，须真空加热活化(4)(4)吸附储氢吸附储氢分子筛、活性碳、碳纤维、纳米碳管等分子筛、活性碳、碳纤维、纳米碳管等第18页/共43页2023/3/26/23:06:58纳米碳管纳米碳管纳米碳管纳米碳管 最近几年才发展起来，储氢量远大于其它吸附材料，高
14、达最近几年才发展起来，储氢量远大于其它吸附材料，高达最近几年才发展起来，储氢量远大于其它吸附材料，高达最近几年才发展起来，储氢量远大于其它吸附材料，高达9.9%9.9%（质量）（质量）（质量）（质量）吸附速度吸附速度吸附速度吸附速度快快快快（数小时内完成），（数小时内完成），（数小时内完成），（数小时内完成），在室温在室温在室温在室温下进行；解吸速度快（数分钟内完成）下进行；解吸速度快（数分钟内完成）下进行；解吸速度快（数分钟内完成）下进行；解吸速度快（数分钟内完成），直接获得氢气，使用方便，直接获得氢气，使用方便，直接获得氢气，使用方便，直接获得氢气，使用方便不足不足不足不足：价格高：价格高
15、：价格高：价格高第19页/共43页2023/3/26/23:06:58(5)(5)有机液体储氢有机液体储氢苯、甲苯、甲基环己烷、萘等借助合适催化苯、甲苯、甲基环己烷、萘等借助合适催化剂，作为氢的载体，储氢量达剂，作为氢的载体，储氢量达7%7%左右左右需要催化剂配合，催化剂易失活，低温转需要催化剂配合，催化剂易失活，低温转化率低化率低载体有一定的毒性载体有一定的毒性不足不足：第20页/共43页2023/3/26/23:06:58(6)(6)金属（合金）储氢金属（合金）储氢原理：原理：原理：原理：金属或合金与氢反应后以形成金属或合金与氢反应后以形成氢化物氢化物的方式吸氢，生成的氢化物加热后放出的方
16、式吸氢，生成的氢化物加热后放出氢气。氢气。储氢密度可达标准状态下氢气的储氢密度可达标准状态下氢气的10001000倍，倍，与液氢相同甚至超过液氢与液氢相同甚至超过液氢第21页/共43页2023/3/26/23:06:58某些金属氢化物的储氢能力某些金属氢化物的储氢能力某些金属氢化物的储氢能力某些金属氢化物的储氢能力第22页/共43页2023/3/26/23:06:58第23页/共43页2023/3/26/23:06:58第24页/共43页2023/3/26/23:06:58近年来，人们正大力发展金属氢化物作为近年来，人们正大力发展金属氢化物作为氢能贮存转换材料氢能贮存转换材料这种金属相当于贮这
17、种金属相当于贮氢的容器，故称作氢的容器，故称作贮氢金属贮氢金属或或贮氢合贮氢合金金。发现于发现于1960S1960S，自，自1970S1970S开始得到快速开始得到快速发展发展第25页/共43页2023/3/26/23:06:58金属贮氢特点金属贮氢特点贮氢量为标准状态氢气的贮氢量为标准状态氢气的贮氢量为标准状态氢气的贮氢量为标准状态氢气的1000100010001000倍倍倍倍分解压较低，无需耐高压钢瓶分解压较低，无需耐高压钢瓶分解压较低，无需耐高压钢瓶分解压较低，无需耐高压钢瓶同气体、液氢贮存相比，所需同气体、液氢贮存相比，所需同气体、液氢贮存相比，所需同气体、液氢贮存相比，所需重量及体积
18、小重量及体积小重量及体积小重量及体积小高压钢瓶高压钢瓶高压钢瓶高压钢瓶 15MPa 15MPa 15MPa 15MPa 氢气重量不到氢气重量不到氢气重量不到氢气重量不到钢瓶重量的钢瓶重量的钢瓶重量的钢瓶重量的1%1%，吸尽钢瓶中的氢气，只需钢瓶吸尽钢瓶中的氢气，只需钢瓶吸尽钢瓶中的氢气，只需钢瓶吸尽钢瓶中的氢气，只需钢瓶1/31/3重量的贮氢合金，体积仅为重量的贮氢合金，体积仅为重量的贮氢合金，体积仅为重量的贮氢合金，体积仅为钢瓶的钢瓶的钢瓶的钢瓶的1/101/10第26页/共43页2023/3/26/23:06:58第二章第二章 金属氢化物金属氢化物F纯金属的氢化物纯金属的氢化物F金属氢化物
19、平衡分解压与温度的关系金属氢化物平衡分解压与温度的关系第27页/共43页2023/3/26/23:06:581 1 纯金属的氢化物纯金属的氢化物第28页/共43页2023/3/26/23:06:58第29页/共43页2023/3/26/23:06:58周期表中氢化物的分类周期表中氢化物的分类周期表中氢化物的分类周期表中氢化物的分类第30页/共43页2023/3/26/23:06:581 1）离子型氢化物）离子型氢化物第31页/共43页2023/3/26/23:06:582 2）共价型氢化物）共价型氢化物第32页/共43页2023/3/26/23:06:583 3）金属型氢化物）金属型氢化物第3
20、3页/共43页2023/3/26/23:06:58第34页/共43页2023/3/26/23:06:582 2 金属氢化物平衡分解压与温度的关系金属氢化物平衡分解压与温度的关系第35页/共43页2023/3/26/23:06:58贮氢原理贮氢原理第36页/共43页2023/3/26/23:06:58第37页/共43页2023/3/26/23:06:58贮氢合金的贮氢合金的贮氢合金的贮氢合金的P-C-TP-C-TP-C-TP-C-T曲线曲线曲线曲线第38页/共43页2023/3/26/23:06:58贮氢合金压力贮氢合金压力-组分组分-温度等温线温度等温线第39页/共43页2023/3/26/23:06:58第40页/共43页2023/3/26/23:06:59第41页/共43页2023/3/26/23:06:59贮氢能力比较贮氢能力比较第42页/共43页2023/3/26/23:06:59感谢您的观看！第43页/共43页