A. 储氢合金的要求
储橡桥氢合金的要求
理论上,能够在一定温度、压力下与氢形成氢化物并且具有可逆反应的金属或合金都可以作为储氢材料。但是,要使储氢合金材料达到实用的目的,必须满足下列要求。
(1)储氢最大,能量密度高。不同金属或合金的储氢量差别很大,一般认为可逆吸氢量不少丁150m1/g为好。
(2)吸氢和放氢速度快。吸氢过程中,氢分子在金属表念圆面分解为氢原子,然后氢原子向金属内部扩散,金属氢化物的相转变,这些步骤都直接仔如塌影响吸收氢的速率和金属氢化物的稳定性。
(3)氢化物生成热小。储氢合金用来吸收氢时生成热要小,一般在-29—46kJ/mol H2为宜。
(4)分解压适中。在室温附近,具有适当的分解压(0.1—1MPa)。若分解压过高,则吸氢时充氢压力较高,需要使用耐高压容器。若分解压<0.1MPa, 则必须加热才能释放氢,需要消耗能源。同时,其P—C— T曲线应有较平坦和较宽的平衡压平台区,在这个区域内稍微改变压力,就能吸收或释放较多的氢气。
(7)在储存与运输中安全、无害。
(8)原料来源广、成本价廉。
前研究并发和投入应用的金属氢化物还没有一种完全具备上述特征,只能择重而取。
B. 金属氢化物的优点和缺点
优点是储氢容量大,储氢密度大,安全性高
C. 储能设备需要哪些原材料
储能材料,具有能量储存特性的材料。
它不仅能存储能量,并且能使能量转化,以供需用。最常见的储能材料有储氢合金和用于一次电池(即原电池,放电后不能复原使用)、二次电池(即蓄电池,放电后可重新充电复原反复使用)的材料。
常见的一次电池有锌–二氧化锰电池、锌–氧化汞电池、锌–氧化银电池和锂电池等。
常见的二次电池为铅–酸电池、镍–镉电池、镍–锌电池和镍–氢化合物电池、钠–硫电池、锂离子电池等。
储氢合金及其应用
氢是自然界中储量最大的元素,也是一种非常清洁的能源。储氢合金所存储的氢的密度比液态氢大得多(液氢的密度为4.2×1022大气压/厘米3,而LaNi5的氢密度为6.2×1022大气压/厘米3),并且释放氢时所需的能量很小。
储氢合金的工作压力很低,操作简单安全可靠。研发中的储氢合金体系有AB5型混合稀土合金、AB2型Laves相合金、AB型钛铁系合金、A2B型Mg–Ni系合金和钒基固溶体合金等。
储氢合金与气体氢发生反应时生成金属氢化合物,大量的氢以固态形式储存于储氢合金中。
储氢合金的吸氢与放氢,实际上就是金属氢化物的形成与分解。
储氢合金的基本特征是:能可逆地大量吸氢和放氢,伴随着吸(放)氢过程出现放(吸)热效应,对氢能选择性地吸收,吸放氢的平衡压力随温度急剧变化。
储氢合金可用于镍–氢化合物电池、氢的储存和净化、氢同位素分离、氢气回收、热泵、制冷等。
在储能方面储氢合金的应用主要有以下两方面:①镍–金属氢化合物电池材料。这是一种以储氢合金作为负极材料的新型二次电池,其能量密度比镍–镉电池高1.5~2.0倍,且无镉的污染环境问题。所以,作为镍–镉电池的替代电池,已广泛应用作各种便携式电子器具、移动通信、计算机等的电源。歼兆在各种储氢合金中,AB5型混合稀土合金具有优良的性能价格比,作为负极材料广泛应用于镍–金属氢化合物电池。
②氢燃料储存器材料。氢的热值高,易点燃,燃烧时无有害气体和灰渣产生,是理想的环保能源之一。
由于燃油汽车对都市环境造成危害,因而氢燃料汽车的发展备受重视。AB5型混合稀土合金是广泛应用的储氢材料,为提高其性能,对其化学组成和组织结构优化不断地开展着研究。
锂电池与锂离子电池材料
作为一次电池的锂电池,是一种以锂作为负极活性物质的化学电池。由于金属锂的电极电位最负(?3.03伏),并且锂的密度很小,锂电池具有很高的能量密度,它是高能电池的重要品种。自20世纪70年代以来,以金属锂为负极的各种高比能锂一次电池相继问世,获得了广泛应用。
其中以层状化合物γ·β二氧化锰作正极,以锂作负极和以有机电解液构成的锂电池获得最广泛的应用。它是照相机、电子手表、计算器等各种具有存储功能电子器件或装置的理想电源。此外,还开发出锂–聚氟化碳电池、锂–二氧化硫电池、锂–硫化铜电池、锂–碘电池等。锂离子电池为二次电池,其原理为电池充电时锂离子从正极脱嵌,通过电解质和隔膜,嵌入负极中,反困闹之当电池放电时锂离子又从负极中脱嵌,通过电解质和隔膜,重新嵌入到正极中。
由于锂离子在正负极中有固定的空间和位置,因此,电池有很好的可逆性,其电容量大并且具有长循环寿命和安全性。锂离子电池的正极材料包括氧化钴锂(LiCoO2)、氧化镍锂(LiNiO2)氏尺租、氧化锰锂(LiMn2O4)等材料。而负极材料为碳材料。作为正极材料的导电聚合物的研究也受到重视。电解质的作用为在电池的正负极间形成良好的离子导电通道。
常用的电解质是由有机溶剂和锂盐构成的。
聚合物电解质是目前很重要的研发方向,因它有利于实现电池的小型化。自1990年锂离子电池问世以来发展迅猛,它能满足移动通信、笔记本电脑等对电源小型化、轻量化、工作时间长和对环境无污染的要求。钠–硫电池材料这是一种新型高温固体电解质二次电池,其负极和正极分别为熔融的金属钠和硫,其电解质为β–氧化铝。钠–硫电池的工作温度为300~350℃,理论比能量很高(790瓦·时/千克),充放电循环寿命长(900次),并且电池所用的原材料丰富,成本低。
此种电池很受重视,目前仍处于研发中,以期用于电动汽车的动力源等。
D. 简述储氢材料的特点与应用前景
储氢材料的特点与应用前景如下:
1、活化容易;
2、平衡压力适中且平坦,吸放氢平衡压差小;
3、抗杂质气体中毒性能好;
4、适合室温操作。
储氢材料一类能可逆地吸收和释放氢气的材料。最早发现的是金属钯,1体积钯能溶解几百体积的氢气,但钯很贵,缺少实用价值。
不同储氢方式的比较:
1、气态储氢
气态储氢的 缺点:能量密度低;不太安全
2、液态储氢
液态储氢的缺点: 能耗高;对储罐绝热性能要求高
3、固态储氢
固态储氢的优点:体积储氢容量高;无需高压及隔热容器;安全性好,无爆炸危险;可得到高纯氢,提高氢的附加值。
常见储氢材料:
目前储氢材料有金属氢化物、碳纤维碳纳米管、非碳纳米管、玻璃储氢微球、络合物储氢材料以及有机液体氢化物。下面仅就合金、有机液体以及纳米储氢材料三个方面对储氢材料加以介绍。
1、合金储氢材料
储氢合金是指在一定温度和氢气压力下,能可逆的大量吸收、储存和释放氢气的金属间化合物,其原理是金属与氢形成诸如离子型化合物、共价型金属氢化物、金属相氢化物-金属间化合物等结合物,并在一定条件下能将氢释放出来。
2、液态有机物储氢材料
有机液体氢化物贮氢是借助不饱和液体有机物与氢的一对可逆反应, 即加氢和脱氢反应来实现的。加氢反应时贮氢,脱氢反应时放氢, 有机液体作为氢载体达到贮存和输送氢的目的。
3、纳米储氢材料
纳米储氢材料分为两种方式,一种是将原有的储氢材料纳米化,还有一种就是开发新的纳米材料作为储氢材料。
储氢合金纳米化提高储氢特性主要表现在以下几个方面原因:
(1)对于纳米尺寸的金属颗粒,连续的能带分裂为分立的能级,并且能级间的平均间距增大,使得氢原子容易获得解离所需的能量;
(2)纳米颗粒具有巨大的比表面积,电子的输送将受到微粒表面的散射,颗粒之间的界面形成电子散射的高势垒,界面电荷的积累产生界面极化,而元素的电负性差越大,合金的生成焓越负,合金氢化物越稳定。金属氢化物能够大量生成,单位体积吸纳的氢的质量明显大于宏观颗粒;
(3)纳米贮氢合金比表面积大,表面能高,氢原子有效吸附面积显著增多,氢扩散阻力下降,而且氢解反应在合金纳米晶的催化作用下反应速率增加,纳米晶具有高比例的表面活性原子,有利于反应物在其表面吸附,有效降低了电极表面氢原子的吸附活化能,因而具有高的电催化性能。;
(4)晶粒的细化使其硬度增加,贮氢合金的整体强度随晶粒尺寸的增加而增强,这对于抗酸碱及抗循环充放粉化,以及抵抗充放电形成的氧压对贮氢基体的冲击大有裨益,并且显著提高了贮氢合金耐腐蚀性。是一类能可逆地吸收和释放氢气的材料。
最早发现的是金属钯,1体积钯能溶解几百体积的氢气,但钯很贵,缺少实用价值。20世纪70年代以后,由于对氢能源的研究和开发日趋重要。
首先要解决氢气的安全贮存和运输问题,储氢材料范围日益扩展至过渡金属的合金。如镧镍金属间化合物就具有可逆吸收和释放氢气的性质:
每克镧镍合金能贮存0.157升氢气,略为加热,就可以使氢气重新释放出来。LaNi5是镍基合金,铁基合金可用作储氢材料的有TiFe,每克TiFe能吸收贮存0.18升氢气。其他还有镁基合金,如Mg2Cu、Mg2Ni等,都较便宜。
储氢合金的应用方面很多,除了以上介绍的内容外,还在空调与制冷,热泵、热-压传感器、加氢和脱氢反应催化剂等方面都可得到应用。
E. 储氢合金都包括哪些金属
主要包括元素周期表中镍附近的金属,如铂、铑等。
F. 金属贮氢原理
某些过渡金属、合金和金属间化合物,由于特殊的晶体结构,使氢原子容易进入其晶格间隙中并形成金属氢化物,因此储氢量很大,可贮存比其本身体积大1000~1300倍的氢,当加热时氢就能从金属中释放出来。氢在金属中的这种吸入和释放,取决于金属和氢的相平衡关系并受温度、压力和组分的制约。通常,贮氢材料的贮氢密度都很大,比标准状态下的氢密度(5.4×1019at/cm3)高出几个数量级,甚至比液氢的密度(4.2×1022at/cm3)还高。由于贮氢材料具有上述特性,用它储运氢气既轻便又安全,不仅无爆炸危险,还有可贮存时间长又无损耗等优点。氢,普遍被认为是人类最理想的清洁的高密度能源,燃烧时只产生水而没有污染物,对环境保护有利。但要实现氢能源体系,氢的贮存问题首先要顺利解决,因此研究贮氢材料特别重要。
已实用和研究发展中的贮氢材料主要有:①镁系贮氢合金。主要有镁镍、镁铜、镁铁、镁钛等合金。具有贮氢能力大(可达材料自重的5.1%~5.8%)、价廉等优点,缺点是易腐蚀所以寿命短,放氢时需要250℃以上高温。②稀土系贮氢合金。主要是镧镍合金,其吸氢性好,容易活化,在40℃以上放氢速度好,但成本高。③钛系贮氢合金。有钛锰、钛铬、钛镍、钛铁、钛铌、钛锆、钛铜及钛锰氮、钛锰铬、钛锆铬锰等合金。其成本低,吸氢量大,室温下易活化,适于大量应用。④锆系贮氢合金。有锆铬、锆锰等二元合金和锆铬铁锰、锆铬铁镍等多元合金。在高温下(100℃以上)具有很好的贮氢特性,能大量、快速和高效率地吸收和释放氢气,同时具有较低的热含量,适于在高温下使用。 ⑤铁系贮氢合金。主要有铁钛和铁钛锰等合金。其贮氢性能优良、价格低廉。
贮氢材料(hydrogen storage material)是在一般温和条件下,能反复可逆地(通常在一万次以上)吸入和放出氢的材料。又称贮氢合金或储氢金属问化合物。这种材料在一定温度和氢气压强下能迅速吸氢,适当加温或减小氢气压强时又能放氢的材料。
贮氢材料多为易与氢起作用的某些过渡族金属、合金或金属间化合物。由于这些金属材料具有特殊的晶体结构,使得氢原子容易进入其晶格的间隙中并与其形成金属氢化物。其贮氢量可达金属本身体积的1000~1300倍。氢与这些金属的结合力很弱,一旦加热和改变氢气压强,氢即从金属中释放出来。
贮氢材料用途
贮氢材料用途广泛,除用于氢的存贮、运输、分离、净化和回收外,还可用于制作氢化物热泵;以贮氢合金制造的镍氢电池具有容量大、无毒安全和使用寿命长等优点;利用贮氢合金可制成海水淡化装置和用于空间的超低温制冷设备等。
特性
贮氢材料须具备以下基本特性:
1、在不太高的温度下,贮氢量大,释氢量也大。
2、氢化物的生成热,一般在29~46kJ/mol(7~11Keal/克分子)氢之间。
3、成本低,原料来源广。
4、经多次吸、放氢,性能不衰减,即使有衰减,经再生处理后也能恢复到原来水平。
5、有较平坦和较宽的平衡压平台区,即大部分氢均可在一稳定的压力范围内放出。(6)容易活化,反应动力学性能好。(7)吸入、放出氢的压力差小等。
功能
金属贮氢材料是一种多功能的功能材料,下述功能,可供开发出多种高新技术产品。
释放化学能
它所放出的氢可供直接燃烧产物,或供其他所需部门使用,如半导体生产,燃氢汽车,燃料电池发电,氢能电动车等。
热功能
贮氢材料在吸、放氢过程中,同时有热量的放出和吸入,利用这一吸、放热的功能,可开发出热泵、贮热、回收热等节能设备。
压力和机械能
金属贮氢材料吸、放氢时,有一定平衡压,随温度的升高,其平衡压将迅速升高。如某些贮氢材料贮氢后的平衡压在100℃时达5~12MPa的压力。
电化学功能
贮氢材料本身具有一定的电化学催化功能,同时,所释放出的氢也极易转化成电能,因此可利用此功能开发二次电池。
细化功能
贮氢材料在多次吸、放循环后,将自粉碎成细粉,利用这一功能可制成超细粉末,如制备超细合金和金属粉末等,在技术上有很大潜力。
催化功能
贮氢材料在某些有机化学加氢以及合成氨工业中作为催化剂已显示出有独特作用,可望研制成低温低压合成氨催化剂。其他如分离氢的同位素功能,吸气功能,净化功能等尚有待进一步开发。
种类
主要有钛铁系,镧镍系,镁镍系和钛铬系等。
钛铁系
属AB型,A代表钛,B代表铁、钴、镍等,最常见的为钛铁贮氢材料,贮氢量可达占材料自重的1.75%~1.89%。最初有一活化的难题,在高真空条件下,加热到300~400℃才开始吸氢。中国科学家解决了这一难题,在室温条件下一般真空度就可开始吸氢。此材料原料来源广,成本低,有利于大量使用。德国研制的氢能汽车、美国研制的燃料电池电动车,就是以钛铁贮氢罐供氢的。
镧镍系
属AB5型,A代表镧及混合稀土系金属,B代表镍、钴等,贮氢量为1.4%~1.5%,它可在室温下活化,吸、放氢平衡压为O.1~0.5MPa(20~30℃),放氢压力稳定。为降低成本,改善性能,现已广泛使用混合稀土金属或富镧混合稀土金属取代镧,也可以用铝、铁等取代部分镍。
镁镍系
属A2B型(。Mg2Ni),是一种较早研制成的贮氢材料,贮氢量可达3.4%~6.O%,但放氢温度要求在250~320℃之间,限制了其应用。在贮存太阳能等技术中可发挥其优越性。
钛铬系
典型代表是Ticr2,属AB2型,进一步发展为TiZrCrMnVFe,德国HWT公司有商品贮氢罐出售,他们已制成可贮存2000m3的大型贮氢罐,经改性后这类贮氢材料还可满足不同用途的需要。
钒系
里鲍茨(libowitz)提出的体心立方型钒系贮氢材料,它的熵值高,可用于设计成高效热泵,是新一类贮氢合金系列。
应用
贮氢材料应用很广,而且仍在不断发展中。
制作镍氢电池
金属氢化物可再充式电池(简写为Ni—MH电池)是贮氢材料应用取得最显著实际成就的新领域,日本在1994年已生产AA型镍氢电池2亿支,我国在1994年生产AA型Ni—MH电池近100万支,生产Ni—MH电池用的贮氢材料近100t。
贮氢922和净化氢
贮氢材料贮氢后,其体积浓度大于液氢,几种贮氢材料贮氢后的浓度(每立方厘米中的氢原子数×1022)分别为:液氢(20K)4.2,FeTiH 1.7 6.O,LaNi5H 6.7 6.1,ZrH27.3,TiH29.2同时,贮氢后一般只有O.5~2.0MPa的压力,比高压钢瓶贮氢安全,比液氢也安全,成本低。贮氢材料贮氢后放出的氢,纯度可达99.9999%。
制造热泵
为回收各种热能和贮热。过去用贮氢材料二段式热泵一次升温,发展到三段式热泵二次升温,可使65~75℃的废热水产生蒸汽用于再发电。并可利用环境热、太阳能热源制成空调机和贮热,或用于化工厂、冶金厂、发电厂的废热回收。
制造压缩机和致冷器
用贮氢材料可制成静态氢压缩机和深冷致冷器。已制成的25K致冷器可用于空间探测、红外探测系统中的冷源,它只须以水为介质和以太阳能作低级能源即可工作。还可以制成77K。液氮致冷器。利用贮氢材料制成的压缩机可用于高压氢装瓶,还可利用太阳能制成海水淡化装置等。
用于氢同位素分离
利用一种或几种新型贮氢材料,可分离同位素氘、氚,以及贮存氘、氚,这在军事工业中有很重要的作用。
用作催化剂
贮氢材料用作催化剂早有报导,如LaNis、TiFe等用于常温低压合成氨工艺以及某些有机化合物加氢工艺。
用作温度传感器
利用上述贮氢材料产生压力的功能以及不同贮氢材料的P—c一T曲线的不同数值,将一小型贮氢器上的压力表改成温度指示盘,经校正后即成温度指示器。它体积小,不怕震动,美国SystemDonier公司生产的这种温度指示器,广泛用于各种喷气飞机上。它还可以改制成火警报警器和窗户自动开闭器等。
作机器人的动力装置
也是利用贮氢材料的压力和机械能功能,某些贮氢材料加热到100℃即可达到6~13MPa的压力,则可用于机器人动力系统的激发器、动力源。其特点是没有旋转部件反应灵敏,便于控制,反弹和振动小。
用作吸气剂
由于某些贮氢合金有较强的吸气能力,特别对氢、COz、CO、水分、甲烷均有一定吸附能力,因此可作为吸气剂,以保持各种真空器件长时间的高真空,在技术上有重要作用。
发展电动车
电动汽车的关键技术是可移动式高效高密度蓄电池。可充式二次电池有多种多样,其中能量密度最高、寿命最长、成本最低、功率密度最大者首推带有高效供氢系统的质子交换膜式燃料电池,这种供氢系统就是由贮氢材料制成的贮氢罐。在21世纪初,这种清洁的电动车,将是城市交通的必然发展趋势,需求量将是极大的。
发展趋势
贮氢材料正向多元化,高容量,低成本方向发展,向复合材料过渡,正在采用新技术。例如有报道说经磁性技术搅拌贮氢量可大大提高。在改善贮氢材料的性能方面的技术还有: (1)表面微包覆技术;(2)表面化学处理技术;(3)薄膜技术,即将贮氢材料制成薄膜;(4)贮氢材料的浆料技术,即利用某些有机液体与贮氢材料混成均匀浆料,有利于改善贮氢材料的导热性能及流动性。
其他制备贮氢材料的新工艺有采用铝热还原法及自蔓延高温合成技术从钛铁矿、钒铁矿直接还原成贮氢材料,还有回收和再生贮氢材料的技术等。
G. 什么是储氢合金储氢
20世纪60年代,材料王国里出现了能储存氢的金属和合金。
储氢合金储氢,比氢气瓶的本领大多了。它储氢量大,使用方便,还可免去庞大的钢制容器。用氢时,将储氢合金加热,氢就能及时释放出来,而且还可通过调节加热温度和合金的成分来控制合金释放氢的快慢和数量。
H. 储氢合金详细资料大全
一种新型合金,一定条件下能吸收氢气,一定条件能放出氢气:循环寿命性能优异,并可被用于大型电池,尤其是电动车辆、混合动力电动车辆、高功率套用等等。
I. 储氢材料有哪些
储氢合金是指在一定温度和氢气压力下,能可逆地大量吸收、储存和释放氢气的金属间化合物。
水合物储存氢气具有很多的优点:首先,储氢和放氢过程完全互逆,储氢材料为水,放氢后的剩余产物也只有水,对环境没有污染,而且水在自然界中大量存在并价格低廉;其次,形成和分解的温度压力条件相对较低、速度快、能耗少。粉末冰形成氢水合物只需要几分钟,块状冰形成氢水合物也只需要几小时;而水合物分解时,因为氢气以分子的形态包含在水合物孔穴中,所以只需要在常温常压下氢气就可以从水合物中释放出来,分解过程非常安全且能耗少。因此,研究采用水合物的方式来储存氢气是很有意义的,美国、日本、加拿大、韩国和欧洲已经开始了初步的实验研究和理论分析工作。
J. 储氢合金的简介
别看储氢合金的金属原子之间缝隙不大,但储氢本领却比氢气瓶的本领可大多了,因为它能像海绵吸水一样把钢瓶内的氢气全部吸尽。具体来说,相当于储氢钢瓶重量1/3的储氢合金,其体积不到钢瓶体积的1/10,但储氢量却是相同温度和压力条件下气态氢的1000倍,由此可见,储氢合金不愧是一种极其简便易行的理想储氢方法。采用储氢合金来储氢,不仅具有储氢量大、能耗低,工作压力低、使用方便的特点,而且可免去庞大的钢制容器,从而使存储和运输方便而且安全。