储氢材料介绍

储氢材料简介摘要：化石能源的大规模开发利用带来了严重的能源和环境问题，新能源开发是解决能源危机和环境污染问题的一条出路，氢能因其独特优势而倍受青睐。

但氢的储存是氢能利用的瓶颈，高效、安全的储氢方式一直是氢能工作者的不懈追求。

储氢材料的研究开发有助于消除储氢的技术障碍，从而促使整个氢工业的发展。

本文通过介绍氢的储存方式、一些常用的储氢材料，特别是储氢合金，使读者对储氢材料的储氢原理、分类、各自的优缺点以及应用有个初步的了解。

关键词：氢能储氢材料储氢合金目录第一章绪论-----------------------------------------------------------------------------第二章储氢方式-----------------------------------------------------------------------2.1 气态储存-----------------------------------------------------------------------2.2液化储存------------------------------------------------------------------------2.3固态储存------------------------------------------------------------------------第三章储氢材料------------------------------------------------------------------------3.1 储氢合金------------------------------------------------------------------------3.1.1金属储氢原理----------------------------------------------------------3.1.2 储氢合金的要求------------------------------------------------------3.1.3储氢合金的分类-------------------------------------------------------3.1.4储氢合金的应用--------------------------------------------------------3.2配位氢化物储氢材料----------------------------------------------------------3.3碳质储氢材料-------------------------------------------------------------------3.3.1活性炭--------------------------------------------------------------------3.3.2碳纤维--------------------------------------------------------------------3.3.3有机液体氢化物--------------------------------------------------------第一章绪论人类进入21世纪，节能环保不再只是一句口号。

随着能源紧张与环境污染问题的日益凸显，新能源和清洁能源的开发利用受到人们越来越多的关注。

在众多新能源中，氢能被人们寄予了厚望。

相对于传统化石能源来说，氢能的优势显而易见。

首先，氢的来源丰富，储量巨大，海水中就蕴藏着大量的氢元素；其次氢的燃烧性能优越，热值高，燃烧1千克氢能放出142120千焦的热量，相当于汽油的三倍；最后，氢燃烧后生成的是水，并不污染环境，特别符合环保理念。

所以，氢能又被称为本世纪最有前途的绿色能源之一。

然而，氢能的开发利用并不如想象中简单，它还需要克服种种技术难题。

氢是二次能源，自然界中并不存在可供开采的单质氢；而氢在常温常压是气体，密度很低，这使得单位体积氢的能量很低，仅相当于天然气的1/3，汽油的1/3000；氢分子体积小，很容易逃逸；氢容易发生爆炸，存在安全隐患。

氢的特性使得氢能利用面临困难，解决困难，氢才能走进千家万户。

氢能体系主要包括氢的生产、储存和运输、应用3个环节。

而氢能的储存是关键，也是目前氢能应用的主要技术障碍。

氢气可以被储存，但是很难被高密度地储存，这直接制约了氢能的开发利用。

未来氢能的发展将离不开储氢技术的提高，也离不开储氢材料的广泛应用。

当今社会，材料、能源、信息已成为三大支柱。

我们有理由相信，氢能作为一种不可多得的清洁能源，必将在未来社会扮演越来越重要的角色，而储氢材料，也必将会大有所为。

第二章储氢方式在了解储氢材料之前，让我们先了解氢的储存要求和储存方式。

氢能工业对储氢的要求总的来说是储氢系统要安全、容量大、成本低、使用方便。

具体到氢能的终端用户不同又有很大的差别。

氢能的用户终端可分为两类，一是民用和工业用氢，二是交通工具用氢。

前者强调大容量，后者强大的储氢密度。

根据用途的不同，人们研究开发了各种各样的储氢方法，试图满足储氢要求。

储氢方法多种多样，但根据氢存在形态的不同，归结来说可以分为三类：气态储存、液化储存和固态储存。

2.1气态储存气态储存是对氢气加压，减小体积，以气体形式储存于特定容器中。

根据压力大小的不同，气态储存又可分为低压储存和高压储存。

氢气可以像天然气一样用低压储存，使用巨大的水密封储槽。

该方法适合大规模储存气体时使用。

由于氢的密度太低，应用不多。

气态高压储存是最普通和最直接的储存方式，通过减压阀的调节就可以直接将氢气释放出来。

该方法简单易行，但缺点也很突出。

首先，高压储氢能耗高，需要消耗别的能量形式来压缩氢气；其次，高压对容器材料强度要求高，对于移动用途而言，加大氢压来提高携氢量将有可能导致氢分子从容器壁逸出或产生氢脆现象。

加压压缩储氢技术近年来的研究进展主要体现，且公众接受心理存在障碍；最后，高压储氢的单位质量储氢密度，也就是储氢单元内所有储氢质量与整个储氢单元的质量（含容器、储存介质材料、阀及氢气等）之比依然很低。

我国使用的容积为40L的钢瓶在15MPa高压下，也只能容纳大约0.5Kg氢气，还不到高压钢瓶重量的1%，储氢量小，运输成本太高。

高压储氢对容器材料要求高，储氢容器先后经历了从钢制、金属内衬纤维缠绕到全复合纤维缠绕的发展历程，穆青国际上正积极开发压力更高的轻质储氢压力容器。

2.2液化储存液化储存顾名思义，就是将氢气冷却到液化温度以下，以液体形式储存。

在化石燃料中，液氢的有效质量密度最高，而液氢的密度是气态氢的865倍，因此以液态储存氢特别适合储存空间有限的运载场合。

若仅从质量和体积上考虑，液化储存是一种极为理想的储氢方式。

液氢方式储运的最大优点是质量储氢密度高，按目前的技术可以大于5%。

但使用液化储氢方式，液氢罐需采用双层壁真空绝热结构，并采用安全保护装置和自动控制装置保证减振和抗冲击。

这就增大了储氢系统的复杂程度和总体重量，限制了氢气质量分数的提高。

液氢生产成本高昂，液化所消耗的能量可以达到氢气能量的30-50%。

另外，液氢还存在严重的泄露问题。

液氢沸点仅为20.38K。

气化潜热小，仅0.91kj/mol，因此液氢的温度与外界的温度存在巨大的传热温差，稍有热量从外界渗入容器，即可快速沸腾而损失。

即使用真空绝热储槽，液氢也难长时间储存。

目前，液氢的损失率达1-2%每天，而汽油通常每月只损失1%，所以，液氢不适合用于间歇使用的场合，如汽车。

2.3固态储存固态储存是利用固体对氢气的物理吸附或化学反应等作用，将氢储存于固体材料中。

固态储存一般可以做到安全、高效、高密度，是气态储存和液化储存之后，最有前途的研究发现。

固态储存需要用到储氢材料，需找和研制高性能的储氢材料，成为固态储氢的当务之急，也是未来储氢发展和乃至整个氢能利用的关键。

第三章 储氢材料储氢材料是一类对氢具有良好的吸附性能或可以与氢发生可逆反应，实现氢的储存和释放的材料。

储氢材料有很多，它包括储氢合金、配位氢化物、碳质吸附材料等。

其中储氢合金是最常见，也是研究最深入的一类储氢材料。

3.1储氢合金3.1.1金属储氢原理氢可以和很多金属反应，生成金属氢化物，总反应式如下所示：x MH H x M ⇔+22其中M 为金属。

该反应是一个可逆过程。

正向反应，吸氢、放热；逆向反应，释氢、吸热；改变温度与压力条件可使反应按正向、逆向反复进行，实现材料的吸释氢功能。

事实上，金属的吸氢反应并非一步完成，吸氢过程分四步进行。

第一步：形成含氢固溶体（即α相）第二步：进一步吸氢，固溶相MHx 与氢气反应，产生相变，生成金属氢化物（即β相）。

第三步：增加氢气压力，生成含氢更多的金属氢化物。

第四步：吸附氢的脱附。

虽然纯金属可以大量吸氢，但为了便于使用，一般要通过合金化来改善金属氢化物的吸放氢条件，即使得金属在容易达到和控制的条件下吸放氢，因此，一般的金属储氢材料为合金储氢材料。

特定合金在高温、高氢压下与氢反应，形成金属氢化物，从而吸氢；通过高温或减压，金属氢化物发生分解，从而放氢；通过冷却或加压又充氢。

我们把吸氢快，可逆性优良的合金称为储氢合金。

储氢合金一般为ABx 型，A 是能与H 形成稳定氢化物的放热型金属，如Re 、Ti、Zr、Ca、Mg、Nb、La、Mm等，能大量吸氢，并大量放热，而B为与氢亲和力小，通常不形成氢化物，但氢在其中容易移动，具有催化活性作用的金属，如Fe、Co、Mn、Cr、Ni、Cu、Al等，为吸热型金属，由前者形成的氢化物稳定，不易放氢，氢扩散困难，为强键氢化物，控制储氢量；后者控制放氢的可逆性，起调节生成热与分解压力的作用。

储氢合金在一定温度和压力下,能可逆地吸收、储存和释放H2。

由于其储氢量大、污染少、制备工艺相对成熟，所以得到了广泛的应用。

3.1.2储氢合金的要求并不是所有合金都是储氢材料，也不是所有可以和氢反应的合金都可以用来储氢的。

一种合金要想成为储氢材料，并且大规模应用，需要满足一定的条要求。

储氢合金的要求包括：1.吸氢能力的，易活化。

吸氢量希望达到4%，易活化指在室温下，1MPaP H2下，反应1-2次开始饱和吸氢。

2.金属氢化物生成热适当，过与稳定，不利释放。

3.平衡氢压适当，平坦而宽，平衡压力适中。

4.吸放氢快，滞后小。

若滞后大，吸放氢时需加热、冷却，或加、减压，不方便使用。

5.传热性能好，不易粉化。

6.对O2、H2O、CO2、CO等杂质敏感性小，反复吸放氢材料性能不致恶化。