能源领域中储氢材料的发展及应用
化工学院 装备11 沈佳磊 2110307016
1. 摘要
由于传统化石燃料资源（如石油、天然气、煤等）日渐匮乏，当今世界开发新能源迫在眉睫，而氢由于其许多优点，是新型可持续发展能源中最有价值的新型能源。制约氢能发展的最重要因素是氢能的高密度安全存储与运输技术问题，因此寻找一种高效、安全的储氢材料便是突破制约迫在眉睫的事。储氢材料由于其高效安全等优点已被广泛应用于生活生产中。储氢材料的发展必将加速中国能源领域的发展。
2. 关键词
能源枯竭，氢能，储氢材料，氢燃料电池，氢动力汽车。
3. 正文
当今世界开发新能源迫在眉睫，原因是目前所用的能源如石油、天然气、煤，均属不可再生资源，地球上存量有限，而人类生存又时刻离不开能源，所以必须寻找新的能源。随着石化燃料耗量的日益增加，其储量日益减少，终有一天这些资源将要枯竭，这就迫切需要寻找一种不依赖化石燃料的储量丰富的新的含能体能源。氢正是这样一种在常规能源危机的出现和开发新的二次能源的同时，人们期待的新的二次能源。据估计它构成了宇宙质量的 75%，除空气中含有氢气外，它主要以化合物的形态贮存于水中，而水是地球上最广泛的物质。据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大9000倍。
氢能由于其许多优点，被认为是新型可持续发展能源中最有价值的新型能源，其优点首先是干净卫生，氢气燃烧后的产物是水，不会污染环境，不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，且燃烧生成的水还可继续制氢，反复循环使用。产物水无腐蚀性，对设备无损； 其次是氢气在燃烧时比汽油的发热量高。除核燃料外氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，为142,351kJ/kg，是汽油发热值的3倍。除此之外，氢能应用范围广，适应性强。
然而在推广氢能的过程中需要解决三个技术问题：大量制取廉价氢气的方法，传统的电解方法价格昂贵，且耗费其他资源，无法推广；解决氢气的安全储运问题；解决高性能、廉价的氢供给系统。而其中制约氢能发展的最重要因素是氢能的高密度安全存储与运输技术问题，氢密度很小，单位质量体积很大，目前市售氢气一般是在150个大气压下储存在钢瓶内，氢气的重量不到钢瓶重量的1/100，且有爆炸的危险，很不方便使用。因此用传统的方式将氢储存在钢瓶内的做法并不科学。因此寻找一种高效、安全的储氢材料便是突破制约氢能发展迫在眉睫的事。
储氢材料，笼统的来说就是指一种新型材料，一定条件下能吸收氢气，一定条件能放出氢气。储氢材料主要包括碳质储氢材料、无机化合物储氢材料、有机液体氢化物储氢材料和合金化合物储氢材料。
碳质储氢材料主要包括活性炭和碳纳米管。活性炭低温加压可吸附储氢（物理吸附）。其优点在于储氢经济、储氢量高、解吸快、循环使用寿命长和易实现规模化生产；其缺点在于所需储氢温度过低（
的吸附作用，单层碳纳米管的吸氢能力比活性炭高，有望成为新一代储氢材料。 无机化合物储氢材料的原理为某些无机化合物和氢气发生化学反应可储氢，然后一定条件下分解可放氢。利用无机化合物储氢原料易得、储氢方便、安全性好，但储氢量小，催化剂价格较贵。
有机液体氢化物储氢借助储氢载体（如苯和甲苯等）于氢气反应的可逆反应来实现，包括催化加氢反应和催化脱氢反应。其储氢量大，比高压储氢和金属氢化物储氢的实际量都大。储氢载体苯和甲苯可循环使用，其储存和和运输都很方便安全。但催化加氢和催化脱氢装置和投资费用较大，吸放氢工艺复杂，有机化合物循环利用率低，放氢效率还需进一步提高。
合金化合物储氢材料是指在一定温度和氢气压力下能多次吸收。储存和释放氢气的合金。主要有四大类型, 即稀土系、钛系、锆系和镁系。储氢合金是近几十年发展起来的储氢材料,由于其储氢量大、污染少、制备工艺相对成熟，所需费用明显低于其他储氢材料，同时原料易得、安全可靠，并兼顾其他功能材料的特点，因而发展十分迅速，得到广泛的应用。
20世纪60年代，材料王国里首次出现了能储存氢的金属和合金，统称为储氢合金,这些金属或合金具有很强的捕捉氢的能力，储氢合金的作用原理在于其可以在一定的温度和压力条件下，氢分子在合金(或金属)中先分解成单个的原子，而这些氢原子便“见缝插针”般地进入合金原子之间的缝隙中，并与合金进行化学反应生成金属氢化物，外在表现为大量“吸收”氢气，同时放出大量热量。而当对这些金属氢化物进行加热时，它们又会发生分解反应，氢原子又能结合成氢分子释放出来，而且伴随有明显的吸热效应。
虽然储氢合金的金属原子之间缝隙不大，但其储氢能力却比氢气钢瓶的储氢能力大很多，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。而且由于储氢合金都是固体，既不用储存高压氢气所需的大而笨重的钢瓶，又不需存放液态氢那样极低的温度条件，需要储氢时使合金与氢反应生成金属氢化物并放出热量，需要用氢时通过加热或减压使储存于其中的氢释放出来，如同蓄电池的充、放电，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。储氢合金储氢无需高压或者低温设施，节约能源。目前研究发展中的储氢合金，主要有钛系储氢合金、锆系储氢合金、铁系储氢合金及稀土系储氢合金。
储氢合金的飞速发展，给氢气的应用开辟了一条广阔的道路。
储氢合金的应用包括氢气的分离提纯、氢同位素的分离、金属氢化物能源转换（氢化物热泵）、加氢放氢反应的催化剂等，而当前最广泛同时也是最具发展潜力的应用是储氢材料在氢燃料电池方面的应用。
储氢合金当用于电池时，具有高放电(功率)性能和优异的放电性能，此外，裂化很少，循环寿命生能优异，并可被用于大型电池，尤其是电动车辆、混合动力电动车辆、高功率应用等等。该储氢合金具有伴随着储氢容量(H/M)变化的相变，并且当其储氢容量 (H/M)落入0.3～0.7或0.4～0.6范围内时，该储氢合金处于单一相或接近单一相的状态。
氢燃料电池汽车是氢能的一大主要利用对象，随着中国经济的快速发展，汽车工业已经成为中国的支柱产业之一。2007年中国已成为世界第三大汽车生产
国和第二大汽车市场。与此同时，汽车燃油消耗也达到8000万吨，约占中国石油总需求量的1/4。在能源供应日益紧张的今天，发展新能源汽车已迫在眉睫。用氢燃料作为汽车的燃料无疑是最佳选择。
传统汽车利用汽油、柴油等化石燃料作为其主要动力来源，而由于技术水平的限制，传统汽车往往消耗大量的化石燃料，同时对环境也会造成巨大的污染。而氢动力汽车由于其氢燃料的优点则不会出现此类问题。氢气可以从电解水、煤的气化中大量制取，而且不需要对汽车发动机进行大的改装，因此氢燃料电池汽车具有广阔的应用前景。
氢燃料电池发电的基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阴极和阳极，氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阳极。
氢燃料电池与普通电池的区别主要在于：干电池、蓄电池是一种由储氢合金制成的储能装置，是把电能贮存起来，需要时再释放出来；而氢燃料电池严格地说是一种发电装置，像发电厂一样，是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置。另外，氢燃料电池的电极用特制多孔性材料制成，这是氢燃料电池的一项关键技术，它不仅要为气体和电解质提供较大的接触面，还要对电池的化学反应起催化作用。
我国政府非常重视燃料电池技术，在“863计划”中，已经将燃料电池技术的开发作为重点项目，2002年首批74项课题开始攻关，2003转入关键技术攻坚和产业化前期准备阶段。并在“十五”期间，继续立项资助燃料电池的研究开发，重点研制质子交换膜燃料电池。因此可见，储氢材料的发展与应用必将会成为中国能源行业中一大热门研究领域，储氢材料的发展也将推动中国能源领域的发展。
4. 参考文献
《氢能源动力汽车》中国汽车工业信息网2011-6-2
《稀土储氢材料的发展与应用》张瑞英 【文章编号1006-7981（2010）10-0109-02】 《氢能源汽车的发展现状及趋势》曹静王宏雁
能源领域中储氢材料的发展及应用
化工学院 装备11 沈佳磊 2110307016
1. 摘要
由于传统化石燃料资源（如石油、天然气、煤等）日渐匮乏，当今世界开发新能源迫在眉睫，而氢由于其许多优点，是新型可持续发展能源中最有价值的新型能源。制约氢能发展的最重要因素是氢能的高密度安全存储与运输技术问题，因此寻找一种高效、安全的储氢材料便是突破制约迫在眉睫的事。储氢材料由于其高效安全等优点已被广泛应用于生活生产中。储氢材料的发展必将加速中国能源领域的发展。
2. 关键词
能源枯竭，氢能，储氢材料，氢燃料电池，氢动力汽车。
3. 正文
当今世界开发新能源迫在眉睫，原因是目前所用的能源如石油、天然气、煤，均属不可再生资源，地球上存量有限，而人类生存又时刻离不开能源，所以必须寻找新的能源。随着石化燃料耗量的日益增加，其储量日益减少，终有一天这些资源将要枯竭，这就迫切需要寻找一种不依赖化石燃料的储量丰富的新的含能体能源。氢正是这样一种在常规能源危机的出现和开发新的二次能源的同时，人们期待的新的二次能源。据估计它构成了宇宙质量的 75%，除空气中含有氢气外，它主要以化合物的形态贮存于水中，而水是地球上最广泛的物质。据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大9000倍。
氢能由于其许多优点，被认为是新型可持续发展能源中最有价值的新型能源，其优点首先是干净卫生，氢气燃烧后的产物是水，不会污染环境，不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，且燃烧生成的水还可继续制氢，反复循环使用。产物水无腐蚀性，对设备无损； 其次是氢气在燃烧时比汽油的发热量高。除核燃料外氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，为142,351kJ/kg，是汽油发热值的3倍。除此之外，氢能应用范围广，适应性强。
然而在推广氢能的过程中需要解决三个技术问题：大量制取廉价氢气的方法，传统的电解方法价格昂贵，且耗费其他资源，无法推广；解决氢气的安全储运问题；解决高性能、廉价的氢供给系统。而其中制约氢能发展的最重要因素是氢能的高密度安全存储与运输技术问题，氢密度很小，单位质量体积很大，目前市售氢气一般是在150个大气压下储存在钢瓶内，氢气的重量不到钢瓶重量的1/100，且有爆炸的危险，很不方便使用。因此用传统的方式将氢储存在钢瓶内的做法并不科学。因此寻找一种高效、安全的储氢材料便是突破制约氢能发展迫在眉睫的事。
储氢材料，笼统的来说就是指一种新型材料，一定条件下能吸收氢气，一定条件能放出氢气。储氢材料主要包括碳质储氢材料、无机化合物储氢材料、有机液体氢化物储氢材料和合金化合物储氢材料。
碳质储氢材料主要包括活性炭和碳纳米管。活性炭低温加压可吸附储氢（物理吸附）。其优点在于储氢经济、储氢量高、解吸快、循环使用寿命长和易实现规模化生产；其缺点在于所需储氢温度过低（
的吸附作用，单层碳纳米管的吸氢能力比活性炭高，有望成为新一代储氢材料。 无机化合物储氢材料的原理为某些无机化合物和氢气发生化学反应可储氢，然后一定条件下分解可放氢。利用无机化合物储氢原料易得、储氢方便、安全性好，但储氢量小，催化剂价格较贵。
有机液体氢化物储氢借助储氢载体（如苯和甲苯等）于氢气反应的可逆反应来实现，包括催化加氢反应和催化脱氢反应。其储氢量大，比高压储氢和金属氢化物储氢的实际量都大。储氢载体苯和甲苯可循环使用，其储存和和运输都很方便安全。但催化加氢和催化脱氢装置和投资费用较大，吸放氢工艺复杂，有机化合物循环利用率低，放氢效率还需进一步提高。
合金化合物储氢材料是指在一定温度和氢气压力下能多次吸收。储存和释放氢气的合金。主要有四大类型, 即稀土系、钛系、锆系和镁系。储氢合金是近几十年发展起来的储氢材料,由于其储氢量大、污染少、制备工艺相对成熟，所需费用明显低于其他储氢材料，同时原料易得、安全可靠，并兼顾其他功能材料的特点，因而发展十分迅速，得到广泛的应用。
20世纪60年代，材料王国里首次出现了能储存氢的金属和合金，统称为储氢合金,这些金属或合金具有很强的捕捉氢的能力，储氢合金的作用原理在于其可以在一定的温度和压力条件下，氢分子在合金(或金属)中先分解成单个的原子，而这些氢原子便“见缝插针”般地进入合金原子之间的缝隙中，并与合金进行化学反应生成金属氢化物，外在表现为大量“吸收”氢气，同时放出大量热量。而当对这些金属氢化物进行加热时，它们又会发生分解反应，氢原子又能结合成氢分子释放出来，而且伴随有明显的吸热效应。
虽然储氢合金的金属原子之间缝隙不大，但其储氢能力却比氢气钢瓶的储氢能力大很多，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。而且由于储氢合金都是固体，既不用储存高压氢气所需的大而笨重的钢瓶，又不需存放液态氢那样极低的温度条件，需要储氢时使合金与氢反应生成金属氢化物并放出热量，需要用氢时通过加热或减压使储存于其中的氢释放出来，如同蓄电池的充、放电，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。储氢合金储氢无需高压或者低温设施，节约能源。目前研究发展中的储氢合金，主要有钛系储氢合金、锆系储氢合金、铁系储氢合金及稀土系储氢合金。
储氢合金的飞速发展，给氢气的应用开辟了一条广阔的道路。
储氢合金的应用包括氢气的分离提纯、氢同位素的分离、金属氢化物能源转换（氢化物热泵）、加氢放氢反应的催化剂等，而当前最广泛同时也是最具发展潜力的应用是储氢材料在氢燃料电池方面的应用。
储氢合金当用于电池时，具有高放电(功率)性能和优异的放电性能，此外，裂化很少，循环寿命生能优异，并可被用于大型电池，尤其是电动车辆、混合动力电动车辆、高功率应用等等。该储氢合金具有伴随着储氢容量(H/M)变化的相变，并且当其储氢容量 (H/M)落入0.3～0.7或0.4～0.6范围内时，该储氢合金处于单一相或接近单一相的状态。
氢燃料电池汽车是氢能的一大主要利用对象，随着中国经济的快速发展，汽车工业已经成为中国的支柱产业之一。2007年中国已成为世界第三大汽车生产
国和第二大汽车市场。与此同时，汽车燃油消耗也达到8000万吨，约占中国石油总需求量的1/4。在能源供应日益紧张的今天，发展新能源汽车已迫在眉睫。用氢燃料作为汽车的燃料无疑是最佳选择。
传统汽车利用汽油、柴油等化石燃料作为其主要动力来源，而由于技术水平的限制，传统汽车往往消耗大量的化石燃料，同时对环境也会造成巨大的污染。而氢动力汽车由于其氢燃料的优点则不会出现此类问题。氢气可以从电解水、煤的气化中大量制取，而且不需要对汽车发动机进行大的改装，因此氢燃料电池汽车具有广阔的应用前景。
氢燃料电池发电的基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阴极和阳极，氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阳极。
氢燃料电池与普通电池的区别主要在于：干电池、蓄电池是一种由储氢合金制成的储能装置，是把电能贮存起来，需要时再释放出来；而氢燃料电池严格地说是一种发电装置，像发电厂一样，是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置。另外，氢燃料电池的电极用特制多孔性材料制成，这是氢燃料电池的一项关键技术，它不仅要为气体和电解质提供较大的接触面，还要对电池的化学反应起催化作用。
我国政府非常重视燃料电池技术，在“863计划”中，已经将燃料电池技术的开发作为重点项目，2002年首批74项课题开始攻关，2003转入关键技术攻坚和产业化前期准备阶段。并在“十五”期间，继续立项资助燃料电池的研究开发，重点研制质子交换膜燃料电池。因此可见，储氢材料的发展与应用必将会成为中国能源行业中一大热门研究领域，储氢材料的发展也将推动中国能源领域的发展。
4. 参考文献
《氢能源动力汽车》中国汽车工业信息网2011-6-2
《稀土储氢材料的发展与应用》张瑞英 【文章编号1006-7981（2010）10-0109-02】 《氢能源汽车的发展现状及趋势》曹静王宏雁