第六講 儲氫材料與鎳氫電池

第六講儲氫材料和鎳氫電池材料石油40年天然氣

50年煤碳240年能源危機(jī)溫室氣體Co2排放量增加導(dǎo)致全球氣溫升高受酸雨傷害的植物生物質(zhì)能風(fēng)能燃料電池地?zé)崮軞淠芎四芴柲芄夥l(fā)電太陽能熱能小水電Clean&RenewableEnergyTechnologies燃料電池系統(tǒng)是氫能利用的最佳方案和新技術(shù)平臺，已被美國《時代》周刊評為21世紀(jì)有重要影響的十大技術(shù)之一?？茖W(xué)家認(rèn)為，燃料電池與氫能這兩項技術(shù)的發(fā)展將會最終實現(xiàn)我們?nèi)祟惖哪茉粗畨?。國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要

（2006-2020年）五、前沿技術(shù)

3.新材料技術(shù)：(11)高效能源材料技術(shù)

重點研究太陽能電池相關(guān)材料及其關(guān)鍵技術(shù)、燃料電池關(guān)鍵材料技術(shù)、高容量儲氫材料技術(shù)、高效二次電池材料及關(guān)鍵技術(shù)、超級電容器關(guān)鍵材料及制備技術(shù)，發(fā)展高效能量轉(zhuǎn)換與儲能材料體系。

5.先進(jìn)能源技術(shù)：(15)氫能及燃料電池技術(shù)

重點研究高效低成本的化石能源和可再生能源制氫技術(shù)，經(jīng)濟(jì)高效氫儲存和輸配技術(shù)，燃料電池基礎(chǔ)關(guān)鍵部件制備和電堆集成技術(shù)，燃料電池發(fā)電及車用動力系統(tǒng)集成技術(shù)，形成氫能和燃料電池技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)。六、基礎(chǔ)研究

3.面向國家重大戰(zhàn)略需求的基礎(chǔ)研究：(6)能源可持續(xù)發(fā)展中的關(guān)鍵科學(xué)問題

重點研究化石能源高效潔凈利用與轉(zhuǎn)化的物理化學(xué)基礎(chǔ)，高性能熱功轉(zhuǎn)換及高效節(jié)能儲能中的關(guān)鍵科學(xué)問題，可再生能源規(guī)模化利用原理和新途徑，電網(wǎng)安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運行理論，大規(guī)模核能基本技術(shù)和氫能技術(shù)的科學(xué)基礎(chǔ)等。一、儲氫材料氫能21世紀(jì)的綠色能源①氫的原料是豐富的水，氫可由多種一次能源制取，沒有資源的限制；②氫的反應(yīng)生成物是水，不污染環(huán)境；③與長年累月生成的化石燃料不同，氫來自水燃燒后又回歸于水，不影響地球上的物質(zhì)循環(huán)；④與電力儲藏困難相反，氫能儲藏很容易；⑤氫能作為取代石油的液體燃料，可用于汽車燃料，飛機(jī)燃料等；⑥氫能可由燃料電池直接用來發(fā)電；⑦氫與儲氫材料之間的可逆反應(yīng)具有能量轉(zhuǎn)換功能。故可廣泛用于二次電池等。氫能是取之不盡用之不竭的潔凈能源氫能社會構(gòu)想再生能源制氫CO2處理加氫站燃料電池工廠天然氣制氫電廠終端用戶HydrogenSystem制氫技術(shù)介紹化石燃料可再生能源生物制氫水解制氫1.1氫氣的制取和儲存

氫能的實用化，尚待解決以下幾技術(shù)難題：廉價的制氫技術(shù)——基礎(chǔ)安全可靠的儲存和運輸方法——關(guān)鍵高效率地轉(zhuǎn)換氫能的技術(shù)開發(fā)-燃料電池技術(shù)將氫能用于社會各行各業(yè)的技術(shù)開發(fā)法律和社會倫理道德的準(zhǔn)備氫燃料電池汽車將是氫能利用的突破口。氫能社會為何還未到來？當(dāng)前主要采用的工藝：天然氣水蒸氣重整天然氣裂解煤氣化制氫碳?xì)浠衔锊糠盅趸蜃詿嶂卣?1)化石燃料制氫(2)電解水制氫

陽極

2H2OO2+4H++4e_Er

0.82V陰極

2H+

+2e_

H2Er0.41V(3)光解制氫和生物制氫H2OH+

H+e_0.5O2H2e_(A)高壓氫氣(B)低溫液氫(C)金屬氫化物(D)微反應(yīng)器耐壓瓶氫分子絕熱瓶液態(tài)氫金屬原子酒精催化劑氫的主要儲運方式物理法化學(xué)法各種儲氫材料的儲氫能力比較儲存介質(zhì)氫密度(1022H原子數(shù)/cm3)儲氫量(wt%)脫氫壓力（atm）和溫度高壓氫(100atm)5.410-3100-(20K)液態(tài)氫4.2100-固體氫(4.2K)5.3100-MgH26.67.61(2900C)TiH29.14.01(>6000C)VH210.53.84(400C)ZrH27.32.21(>6000C)LaH36.92.11(11000C)Mg2NiH45.63.61(2500C)TiFeH1.95.71.83(200C)LaNi5H66.21.42(200C)ZrMn2H3.56.01.750.1(2100C)1.2儲氫材料氫的儲存方式氣態(tài)儲氫，壓縮（30MPa，1/100)(70Mpa，6.5/100)液態(tài)儲氫，密度高、20K（12Kwh/Kg）、絕熱層，蒸發(fā)損失固態(tài)儲氫優(yōu)勢？固態(tài)儲氫優(yōu)勢運輸方便無需高壓及隔熱容器安全性好，無爆炸危險儲氫能力很強(qiáng)單位體積儲氫的密度，是相同溫度、壓力條件下氣態(tài)氫的1000倍可得到高純氫固態(tài)儲氫方式金屬氫化物MetalhydrideComplexhydride吸附儲氫Carbon-basedmaterialMetal-organicframework體積比較1.2.1儲氫合金概念一定的溫度和壓力條件下，一些金屬能夠大量“吸收”氫氣，反應(yīng)生成金屬氫化物，同時放出熱量。其后，將這些金屬氫化物加熱，它們又會分解，將儲存在其中的氫釋放出來。這些會“吸收”氫氣的金屬，稱為儲氫合金。1.2.2金屬儲氫理論基礎(chǔ)（1）晶體結(jié)構(gòu)fcc、hcp、bccTetrahedralSitesOctahedralSites(2)氫進(jìn)入儲氫合金的歷程H2在鎳層中被化學(xué)吸附；H-H斷裂，H原子；深入到LaNi5的晶格中。La2O3+La(OH)3表面層＋Ni單體LaNi5層(3)儲氫合金熱力學(xué)P-C-T曲線1.2.3儲氫合金的種類稀土鑭鎳系鈦系鎂系鈦/鋯系A(chǔ)＋B（Ni、Fe、Co、Mn、Cu、Al、Cr等)稀土鑭鎳系儲氫合金

典型代表：LaNi5,荷蘭Philips實驗室首先研制特點：儲氫量約1.4%活化容易平衡壓力適中且平坦，吸放氫平衡壓差小抗雜質(zhì)氣體中毒性能好適合室溫操作經(jīng)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)廣泛用于鎳/氫電池PCTcurvesofLaNi5alloy

鈦系－Ti與3價過渡金屬的合金A2B、AB、AB2型鈦鐵系、鈦鈷系、鈦錳系、鈦鉻系典型代表：TiFe，美Brookhaven國家實驗室發(fā)明儲氫量大（1.8～2.4wt.％）價格低室溫下可逆儲放氫易被氧化活化困難抗雜質(zhì)氣體中毒能力差實際使用時需對合金進(jìn)行表面改性處理鎂系－鎂鎳系、鎂鋁系、鎂鑭系典型代表：Mg2Ni，美Brookhaven國家實驗室首先報道密度小，儲氫容量高3.6wt.%資源豐富價格低廉放氫溫度高（250－300℃）循環(huán)穩(wěn)定性很差（15次）改進(jìn)方法：機(jī)械合金化（納米化）、非晶化鋯系A(chǔ)B2型Laves相結(jié)構(gòu)，Zr-V、Zr-Cr、Zr-Mn系立方結(jié)構(gòu)，晶胞體積比六方晶系A(chǔ)B5型大一倍（1.7~2.0wt.%)ZrMn0.3Cr0.2V0.3Ni1.2，松下Cs型鎳氫電池循環(huán)壽命長難活化價格貴釩系V-Ti、VZr、VTiM（M=Cr、Mn、Ni、Zr等）儲氫容量大，3.8wt.%抗粉化性能好可利用的吸放氫量低CarbonNanotubeasHydrogenStorageMedia？TheUSdepartmentofenergy(DOE)’scurrentgoalisacapacityof>6.5%byweightatambienttemperatureandpressure

AimFiction4.2%-65wt%hydrogenstorageincarbonnanotubesSeveralpapersinScienceandNatureFactCriticalmeasurementsshowthatonlylessthan0.2wt%hydrogencanbestoredincarbonnanotubes'Metal-Decorated'NanotubesHoldPromiseforFuelCellFIG.Twohigh-densityhydrogencoverageon

aTi-coated(8,0)

nanotubeandC60.T.Yildirim,S.Ciraci,Titanium-decoratedcarbonnanotubesasapotentialhigh-capacityhydrogenstoragemedium,PRL,2005,94,197501.Physisorption-chemisortpiontransform?Themoststableconfiguration.AreBNNanotubesGoodHydrogenStorageMedia?

FigureSchematicdrawingfordifferentmodelsusedinthisinvestigation.(a)H-attached(9,0)carbonnanotube,(b)pristine(9,0)BNnanotube,and(c)hexagonalBNgraphiticsheetwithHattachedontopofBatom.C,B,NandHatomsaredenotedusingblack,orange,blueandwhiteballs,respectively.abc鎳氫電極電池反應(yīng)正極負(fù)極電池電動機(jī)種類

直流電刷式

電動機(jī)額定輸出功率

220W

車體重量

28.0kg

輔助速度范圍（比例輔助/遞減輔助）（0～15km/h/15～24km/h）電池容量

7.0Ah

電池

充電時間

約5小時

電池種類

鎳氫電池

一次充電行走距離