储氢材料的原理及应用

储氢材料的原理及应用蒋莹2011.8.1内容一、能源现状二、氢能系统三、储氢的应用一、能源现状化石燃料的发展史煤：18世纪末，工业革命开始，煤被广泛地用作工业燃料。石油：1859年美国宾夕法尼亚用钻井方法打出世界第一口油井。石油取代煤炭成为世界主要能源，被称为“黑金”、“工业的血液”、经济增长的“发动机”、“发光的水”、“魔鬼的汗珠”。天然气：~2000年前，“火井沉荧于幽泉，高烟飞煽于天垂。”(晋代)；1925，美国铺设第一条天然气长输管道——现代工业利用的标志。化石燃料的优点与缺点优点：浓缩能源；易储存；易运输；缺点：不可再生资源，无法满足8%~10%的消耗增长率；破坏环境(温室效应，空气污染，酸雨，水污染等)；军事冲突；石油——不可再生资源~80%能量来源为化石燃料《环境科学技术期刊》——化石燃料可能在2050年就会枯竭。可再生能源到2140年才能在全世界广泛应用。国际能源署(IEA)——石油价格在2015年超过每桶$100，2035年超过$200。石油储量分布不均~60%＜5%世界能源消耗不均1990-2020(QuadrillionBtu)地区/国家199019972020美国84.094.2120.9西欧59.964.078.4日本18.121.325.4中国27.036.797.3前苏联61.040.857.3总量346.7379.9607.7小结节能技术迫在眉睫发展新能源势在必行新能源——太阳能、风能、核能、地热能、海洋能、生物能、氢能等二、氢能系统氢能氢能——在以氢及其同位素为主导的反应中或在状态变化过程中所释放的能量(热核反应、化学反应、物态变化)。优点：自然界最普遍的元素;清洁能源;燃烧性能好，易点燃;发热值高(142MJ/kg);导热性好;用途广泛;氢能系统能源系统的发展过程燃料、电能氢能、电能天然能源、核能21世纪氢能系统化石能源太阳能风能海洋能地热能原子能煤石油天然气水生物质副产氢蒸汽转化法微生物法汽化热化学循环电解法煤气化法部分氧化法氢加压精制压缩碳材氢化物冷冻有机液玻璃微球管道船舶车辆氢化物箱贮槽化学工业航空航天电子工业冶金工业燃料电池发动机家庭民用能源制氢原料制氢方法储氢系统输送系统氢的利用制氢技术化石燃料制氢(~90%)O2CnHm+CO+H2H2OCO+H2OCO2+H2水制氢电解水制氢：H2OH2+1/2O2生物质制氢化能营养微生物：厌氧菌发酵(碳水化合物、蛋白质)放氢。光合微生物：小球藻、固氮蓝藻的光和作用。储氢方式——对储氢材料要求可逆性好适应燃料电池的工作条件储氢量大USdepartmentofEnergy提出的目标2012：6.5wt%，62kg·H2·m-3.2015：9.0wt%，81kg·H2·m-3.储氢方式(a)高压储氢优点：简单，常用。缺点：体积能量密度低；对容器耐压性能高；不安全；储氢方式(b)液态储氢优点：体积能量密度高；缺点：液化耗能(4~10kw·h/kg)；蒸发损失；对储槽绝热材料的要求高。储氢方式(c)金属氢化物储氢优点：安全性强。缺点：储氢量低(＜6wt%).储存介质存在状态氢相对密度贮氢量(wt.%)贮氢量(g/ml)标准态H2气态(1atm)11000.00008高压H2气态(150atm)150100(0.80*a)0.012液态H2液态778100(~5.0*b)0.062MgH2固态12227.600.098LaNi5H6固态11481.370.092TiFeH1.95固态10561.850.084Mg2NiH4固态10373.600.083VH2固态19443.810.156储氢方式(d)复合氢化物储氢优点：(AlH4-)、(NH2-)、(BH4-)含氢量高很有潜力。NaAlH4－7.47wt.%LiAlH4－10.62wt.%KBH4－7.47wt.%NaBH4－11.66wt.%LiBH4－18.51wt.%NH3BH3－12.9wt.%缺点：放氢温度高400~700K储氢方式(e)有机液体储氢优点：储氢量大；可利用现有设备；储运简单；多次循环；缺点：脱氢温度高；脱氢催化剂不稳定，易孔结；C6H6↔C6H127.2wt.%苯环己烷C7H8↔C7H146.2wt.%H2甲苯甲基环己烷储氢方式(f)物理吸附储氢Ⅰ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%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%Ⅱ沸石；Ⅲ金属有机骨架化合物；Ⅳ玻璃微球；直径25~500um，球壁厚度1um，15%~42%。三、储氢的应用储氢材料的应用电池储氢与输氢热应用，热泵，冷冻柜氢能源汽车1、内燃机，氢气与氧气燃烧，化学能→机械能，受热机效率限制，热能利用率为~25%。2、燃料电池，电能→机械能，不受热机效率限制，热能利用率为50-60%。储氢材料的应用30kg汽油500km10kg氢(内燃机)5kg氢(燃料电池)车载储氢的要求：1-10bar0-100℃△H=15-24KJ•mol-1•H.储氢材料的应用储氢材料的应用——氢汽车研发状况企业型号最高时速行程氢源通用氢动一号140km/h400km液氢德国宝马内燃机引擎，140L的液氢储罐1000km以上液氢日本马自达DEM10-FCEV140km/h170km储氢合金能源变换设备公司-482km镁基合金丰田FCHV3150km/h300km以上金属氢化物戴姆勒-克莱斯勒NECAR2/1996110km/h250km压缩氢气戴姆勒-克莱斯勒NECAR4/1999145km/h450km液氢戴姆勒-克莱斯勒Natrium/200180km/h483km硼氢化钠戴姆勒-克莱斯勒NECAR5/2000150km/h450km甲醇催化重整通用PreceptFCEV/2000193km/h800km金属氢化物通用ChevyS-10/2001112km/h880km汽油催化重整BMW-H7双混合动力系统，最大260匹；9.5s静止加速至100km/h，最高电子限速228km/h.绝热储氢系统：多层复合金属材质，30mm的中空设计，槽内温度-250℃恒温.250公斤的液氢罐。环保陷阱？电力驱动是未来的希望之星。(2009.9)——宝马汽车公司CEO诺伯特·雷瑟夫马自达RX-8HydrogenRE氢和汽油双燃料切换系统的氢转子引擎，汽油作为应急能源。储氢材料——氢汽车研发展望氢动力技术存在一些问题，包括廉价环保的制氢技术、高含量低能耗储氢技术、加氢站的建设。氢气车运行成本目前远高于汽油车。尽管氢动力仍是最佳方案，但在未来多年内，新能源车的发展重点在于电动汽车和混合动力车。储氢材料的应用能量转换储氢—输氢蓄热—输热吸氢放热，放氢吸热工业废热，地热，太阳能热化学能金属氢化物热泵热—机械能储氢材料的应用——金属氢化物热泵(MHHP)背景：a.空调能耗大(高品位能源的热效率低，＜10%)；b.氟利昂介质易泄漏，破坏生态；金属氢化物热泵空调的优点：a.可由低品位热源(废热、太阳能)驱动；b.气固相作用，无腐蚀；c.无运动部件，无噪音，无磨损；d.系统工作温度范围大，工作温度可调；e.不存在氟利昂的泄漏。储氢材料的应用——金属氢化物热泵(MHHP)以储氢材料作为能量转换材料，以氢气作为工作介质，利用两种储氢合金的平衡压差来驱动氢气流动，使两种合金分别处于放氢(吸热)，吸氢(放热)的状态，因而达到制冷升温的目的。a.升温循环b.增热循环c.冷冻循环储氢材料的应用——金属氢化物热泵(MHHP)存在的问题(a)合金的吸放氢反应中的滞后和平高线倾斜；(b)粉碎使传导效果降低；(c)现有热泵的热交换速度跟不上合金的吸放热速度；(d)合金成本较高；储氢材料的应用——金属氢化物热泵(MHHP)储氢材料的其他应用氢分离、回收、净化氢同位素分离催化剂储能发电风能—热能真空绝热管谢谢！