儲氫材料原理及應(yīng)用

1、儲氫材料的原理及應(yīng)用2011.8.11內(nèi)容一、能源現(xiàn)狀二、氫能系統(tǒng)三、儲氫的應(yīng)用2一、能源現(xiàn)狀3 化石燃料的發(fā)展史煤：18世紀末，工業(yè)革命開始，煤被廣泛地用作工業(yè)燃料。石油：1859年美國賓夕法尼亞用鉆井方法打出世界第一口油井。石油取代煤炭成為世界主要能源，被稱為“黑金”、“工業(yè)的血液”、經(jīng)濟增長的“發(fā)動機”、“發(fā)光的水”、“魔鬼的汗珠”。天然氣：2000年前，“火井沉熒于幽泉，高煙飛煽于天垂?！?晉代)；1925，美國鋪設(shè)第一條天然氣長輸管道現(xiàn)代工業(yè)利用的標志。 4 化石燃料的優(yōu)點與缺點優(yōu)點： 濃縮能源； 易儲存； 易運輸；缺點：不可再生資源，無法滿足8%10%的消耗增長率； 破壞環(huán)境 (溫

2、室效應(yīng)，空氣污染，酸雨，水污染等)；軍事沖突；5 石油不可再生資源80%能量來源為化石燃料環(huán)境科學技術(shù)期刊 化石燃料可能在2050年就會枯竭。可再生能源到2140年才能在全世界廣泛應(yīng)用 。 國際能源署(IEA) 石油價格在2015年超過每桶$100，2035年超過$200。 6 石油儲量分布不均60%5%7 世界能源消耗不均1990 -2020 (Quadrillion Btu)3.61.48小結(jié)節(jié)能技術(shù)迫在眉睫發(fā)展新能源勢在必行 新能源太陽能、風能、核能、地熱能、海洋能、生物能、氫能等9二、氫能系統(tǒng)10 氫能氫能在以氫及其同位素為主導(dǎo)的反應(yīng)中或在狀態(tài)變化過程中所釋放的能量(熱核反應(yīng)、化學反應(yīng)

3、、物態(tài)變化)。優(yōu)點： 自然界最普遍的元素; 清潔能源; 燃燒性能好，易點燃; 發(fā)熱值高(142MJ/kg); 導(dǎo)熱性好; 用途廣泛;11 氫能系統(tǒng)能源系統(tǒng)的發(fā)展過程 燃料、電能氫能、電能天然能源、核能21世紀12 氫能系統(tǒng)化石能源太陽能風能海洋能地熱能原子能煤石油天然氣水生物質(zhì)副產(chǎn)氫蒸汽轉(zhuǎn)化法微生物法汽化熱化學循環(huán)電解法煤氣化法部分氧化法氫加壓精制壓縮碳材氫化物冷凍有機液玻璃微球管道船舶車輛氫化物箱貯槽化學工業(yè)航空航天電子工業(yè)冶金工業(yè)燃料電池發(fā)動機家庭民用能源制氫原料制氫方法儲氫系統(tǒng)輸送系統(tǒng)氫的利用13 制氫技術(shù)化石燃料制氫(90%) O2 CnHm+ CO+H2 H2O CO+H2O CO2

4、+H2水制氫 電解水制氫：H2O H2+1/2O2生物質(zhì)制氫 化能營養(yǎng)微生物：厭氧菌發(fā)酵(碳水化合物、蛋白質(zhì))放氫。 光合微生物：小球藻、固氮藍藻的光和作用。14 儲氫方式對儲氫材料要求可逆性好適應(yīng)燃料電池的工作條件儲氫量大 US department of Energy提出的目標 2012：6.5wt%，62kgH2m-3. 2015：9.0wt%，81kgH2m-3. 15 儲氫方式(a) 高壓儲氫 優(yōu)點：簡單，常用。 缺點：體積能量密度低； 對容器耐壓性能高； 不安全；16 儲氫方式(b) 液態(tài)儲氫 優(yōu)點：體積能量密度高； 缺點：液化耗能(410kwh/kg)； 蒸發(fā)損失； 對儲槽絕熱材

5、料的要求高。17 儲氫方式(c) 金屬氫化物儲氫 優(yōu)點：安全性強。 缺點：儲氫量低(6wt%). 儲存介質(zhì)存在狀態(tài)氫相對密度貯氫量(wt.%)貯氫量(g/ml)標準態(tài)H2氣態(tài)(1 atm)11000.00008高壓 H2氣態(tài)(150 atm)150100 (0.80 *a)0.012液態(tài) H2液態(tài)778100 (5.0 *b)0.062MgH2固態(tài)12227.600.098LaNi5H6固態(tài)11481.370.092TiFeH1.95固態(tài)10561.850.084Mg2NiH4固態(tài)10373.600.083VH2固態(tài)19443.810.15618 儲氫方式(d) 復(fù)合氫化物儲氫 優(yōu)點： (Al

6、H4-)、(NH2-)、(BH4-) 含氫量高很有潛力。 NaAlH4 7.47 wt.% LiAlH4 10.62 wt.% KBH4 7.47 wt.% NaBH4 11.66 wt.% LiBH4 18.51 wt.% NH3BH3 12.9 wt.%缺點：放氫溫度高 400700K19 儲氫方式(e) 有機液體儲氫 優(yōu)點：儲氫量大； 可利用現(xiàn)有設(shè)備； 儲運簡單； 多次循環(huán)； 缺點：脫氫溫度高； 脫氫催化劑不穩(wěn)定， 易孔結(jié)；C6H6 C6H12 7.2 wt.% 苯 環(huán)己烷 C7H8 C7H14 6.2 wt.% H2 甲苯 甲基環(huán)己烷20 儲氫方式(f) 物理吸附儲氫 碳納米管； 19

7、97.3 單壁碳納米管中的儲氫 nature 1999.7 堿摻雜的碳納米管在常壓常溫下的高吸氫量science 1999.11室溫下在單壁碳納米管上的儲氫science5wt%20wt% 2010.2 回顧碳納米管儲氫carbon19982010，CNTS儲氫量逐年下降 物理吸附達到的儲氫密度有限，1wt% 沸石； 金屬有機骨架化合物； 玻璃微球； 直徑25500um，球壁厚度1um，15%42%。21三、儲氫的應(yīng)用22 儲氫材料的應(yīng)用電池儲氫與輸氫熱應(yīng)用，熱泵，冷凍柜23氫能源汽車1、內(nèi)燃機，氫氣與氧氣燃燒，化學能機械能，受熱機效率限制，熱能利用率為25%。2、燃料電池，電能機械能，不受熱

8、機效率限制，熱能利用率為50-60%。 儲氫材料的應(yīng)用24 30kg汽油500km 10kg氫(內(nèi)燃機) 5kg氫(燃料電池)車載儲氫的要求： 1-10bar 0-100H=15-24KJmol-1H. 儲氫材料的應(yīng)用25 儲氫材料的應(yīng)用氫汽車研發(fā)狀況26 BMW-H7雙混合動力系統(tǒng)，最大260匹；9.5s靜止加速至100km/h，最高電子限速228km/h.絕熱儲氫系統(tǒng)：多層復(fù)合金屬材質(zhì)，30mm的中空設(shè)計，槽內(nèi)溫度-250恒溫.250公斤的液氫罐。環(huán)保陷阱？電力驅(qū)動是未來的希望之星。(2009.9) 寶馬汽車公司CEO諾伯特雷瑟夫27 馬自達 RX-8 Hydrogen RE 氫和汽油雙燃

9、料切換系統(tǒng)的氫轉(zhuǎn)子引擎，汽油作為應(yīng)急能源。 28 儲氫材料氫汽車研發(fā)展望氫動力技術(shù)存在一些問題，包括廉價環(huán)保的制氫技術(shù)、高含量低能耗儲氫技術(shù)、加氫站的建設(shè)。氫氣車運行成本目前遠高于汽油車。盡管氫動力仍是最佳方案，但在未來多年內(nèi)，新能源車的發(fā)展重點在于電動汽車和混合動力車。 29 儲氫材料的應(yīng)用 能量轉(zhuǎn)換儲氫輸氫蓄熱輸熱 吸氫放熱，放氫吸熱 工業(yè)廢熱，地熱，太陽能熱 化學能 金屬氫化物熱泵熱機械能30 儲氫材料的應(yīng)用金屬氫化物熱泵(MHHP)背景： a.空調(diào)能耗大 (高品位能源的熱效率低，10%) ； b.氟利昂介質(zhì)易泄漏，破壞生態(tài)；金屬氫化物熱泵空調(diào)的優(yōu)點： a.可由低品位熱源(廢熱、太陽能)驅(qū)動； b.氣固相作用，無腐蝕； c.無運動部件，無噪音，無磨損； d.系統(tǒng)工作溫度范圍大，工作溫度可調(diào)； e.不存在氟利昂的泄漏。31 儲氫材料的應(yīng)用金屬氫化物熱泵(MHHP)以儲氫材料作為能量轉(zhuǎn)換材料，以氫氣作為工作介質(zhì)，利用兩種儲氫合金的平衡壓差來驅(qū)動氫氣流動，使兩種合金分別處于放氫(吸熱)，吸氫(放熱)的狀態(tài)，因而達到制冷升溫的目的。a.升溫循環(huán) b.增熱循環(huán) c.冷凍循環(huán)32 儲氫材料的應(yīng)用金屬氫化物熱泵(MHHP