氫能的儲存技術

1、氫能的儲存技術氫能的儲存技術目前世界各國都在因地制宜的發(fā)展核能、太陽能、地熱能、風能、生物能、海洋能和氫能等新型能源，其中氫能以資源豐富、熱值高、無污染等優(yōu)點被認為是未來最有希望的能源之一。一一. .氫能發(fā)展及應用氫能發(fā)展及應用 氫能的利用方式氫能的利用方式直接燃燒氫焊切割通過燃料電池轉化為電能核聚變氫能發(fā)展美國的氫能發(fā)展路線圖從時間上分4個階段技術、政策和市場開發(fā)階段；向市場過渡階段；市場和基礎設施擴張階段；走進氫經濟時代。將開發(fā)小于500kW的固定式高溫燃料電池系統(tǒng)(MCFCPSOFC)；開發(fā)小于300kW的固定式低溫燃料電池系統(tǒng)(P E M)。新的氫燃料家用車比例要達到5，其他氫燃料交通

2、工具比例達到2。所有車的平均二氧化碳排放量減少2.8g/km，二氧化碳年排放量減少1 500萬t新的氫燃料家用車比例要達到3 5，其他氫燃料交通工具比例達到3 2。所有車的平均二氧化碳排放量減少44.8g/km，二氧化碳年排放量減少2.4億t。歐盟氫能發(fā)展路線二二. .制氫技術制氫技術電解水制氫礦物燃料制氫甲烷催化熱分解制氫半導體光催化制氫電解水制氫電解水制氫電解水制氫多采用鐵為陰極面，鎳為陽極面的串聯(lián)電解槽（外形似壓濾機）來電解苛性鉀或苛性鈉的水溶液。陽極出氧氣，陰極出氫氣。電解水示意圖FDQ水電解制氫裝置電解液自然循環(huán)中壓電水解制氫電解水制氫工業(yè)歷史較長，目前常用的電解槽一般采用壓濾式復極

3、結構，或箱式單級結構。箱式結構：箱式結構：裝置簡單，易于維修，投資少，缺點是占地面積大，時空產率低。壓濾式：壓濾式：結構較為復雜，優(yōu)點是緊湊、占地面積小、時空產率高，缺點是難維修、投資大。目前，我國水電解工業(yè)仍停留在壓濾式復極結構電解楷或單極箱式電解槽的水平上，與國外工業(yè)和研究的水平差距還很大。礦物燃料制氫礦物燃料制氫主要有重油部分氧化重整制氫，天然氣永蒸氣重整制氫和煤氣化制氫。用蒸汽和天然氣作原料的制氫化學反應為： CH4+2H2O CO2+4H2用蒸汽和煤作原料來制取氫氣的基本反應過程： C+2H2O CO2+2H2雖然目前90以上的制氫都是以天然氣和煤為原料。但天然氣和煤儲量有限，且制氫

4、過程會對環(huán)境造成污染，按照科學發(fā)展觀的要求，顯然在未來的制氫技術中該方法不是最佳的選擇。甲烷催化熱分解制氫甲烷催化熱分解制氫傳統(tǒng)的甲烷裂解制造氫氣過程都伴有大量的二氧化碳排放，但近年來，甲烷因熱分解制氫能避免CO2的排放，而成為人們研究的熱點。高溫高溫+ +催化催化C+2HC+2H2 2CHCH4 4甲烷分解1mol氫氣需要37.8kJ的能量，排放CO2 0.05mol。該法主要優(yōu)點在于制取高純氫氣的同時，制得更有經濟價值、易于儲存的固體碳，從而不向大氣排放二氧化碳，減輕了溫室效應。由于基本不產生CO2，被認為是連接化石燃料和可再生能源之間的過渡工藝。但生產成本不低，如果副產物碳能夠具有廣闊的

5、市場前景，該法將會成為一種很有前途的制氫方法。傳統(tǒng)的制氫方式主要是通過煤、石油、天燃氣的裂解產生氫氣；或通過電解水制得氫氣；制備過程消耗大量的化石燃料，且造成區(qū)域環(huán)境污染和全球的變暖。太陽能和水是地球上重要的兩種可再生性資源，利用太陽能分解水制備氫氣是最清潔的制氫途徑，一直是人類開發(fā)氫能的夢想。半導體光催化制氫半導體光催化制氫利用太陽能制備氫氣的途徑有光熱分解利用太陽能制備氫氣的途徑有光熱分解水、光電分解水、光合生物分解水以及水、光電分解水、光合生物分解水以及光催化分解水等。其中光催化分解水是光催化分解水等。其中光催化分解水是最有理想的制氫手段。最有理想的制氫手段。光照射半導體催化劑，通過催化

6、劑對光子的吸收即能量的吸收，在半導體的價帶(VB)上產生光生電子,并躍遷到導帶(CB)。半導體粒子的能帶間隙由于缺少連續(xù)區(qū)域，電子空穴對一般有ps級的壽命，光生電子和光生空穴能夠向溶液或氣相中吸附在半導體表面的物質轉移電荷，繼而能夠氧化或者還原吸附的物質。光催化制氫的原理光催化制氫的原理光催化制氫的原理光催化制氫的原理已知的光催化分解水制氫的催化材料主要包括TiO2、硫化物、鉭酸鹽、鈮酸鹽和鈦酸鋇等，下面是TiO2納米材料的可見光分解氫示意圖Nano letters 2006,6(1):24-28TiO2是一種寬禁帶半導體氧化物,無法利用可見光。對于光催化分解水,TiO2的改性關鍵在于提高光催

7、化反應的活性及選擇性、將其激發(fā)波長擴展到可見光區(qū),提高對可見光的利用率。改性的方法主要有貴金屬沉積、離子摻雜、半導體復合、染料光敏化、強酸修飾、超聲波活性等,其中離子摻雜、光敏化和半導體復合等方法可以增加TiO2對可見光的吸收。三三: :儲氫技術儲氫技術低溫液態(tài)儲氫金屬氫化物儲氫物理吸附儲氫材料配位氫化物儲氧高壓氣態(tài)儲氫低溫液態(tài)儲氫低溫液態(tài)儲氫這種儲氫方式是一種輕巧緊湊的方式，質量儲氫率和體積儲氫率分別為5(wt)和3 7g/L。液氫儲存工藝特別適宜于儲存空間有限的運載場合，如航天飛機用的火箭發(fā)動機、汽車發(fā)動機和洲際飛行運輸工具等。問題：但由于氫氣液化要消耗很大的冷卻能量，液化1 kg氫需耗電

8、410kWh，增加了儲氫和用氫的成本。另外液氫儲存容器必須使用低溫用的特殊容器，由于液氫儲存的裝料和絕熱不完善容易導致較高的蒸發(fā)損失，因而其儲存成本較貴，安全技術也比較復雜。高度絕熱的儲氫容器是目前研究的重點。金屬氫化物儲氫金屬氫化物儲氫金屬氫化物:金屬、合金或金屬間化合物與氫反應生成的氫化物。在一定條件下可釋放氫，用做貯氫材料。 當前主要研究的幾種儲氫材料有稀土系AB型儲氫合金，鎂基儲氫合金，碳納米管等。原理：原理：因其表面的催化或活性作用，將一旦氫與儲氫合金接觸，即能在其表面分解為H原子，然后H原子擴散進入合金內部直到與合金發(fā)生反應生成金屬氫化物，此時，氫即以原子態(tài)儲存在金屬結晶點內。因此

9、，金屬儲氫功能材料可以像海綿一樣大量吸收氫氣。氫平衡壓力與含氫濃度的理想變化曲線氫平衡壓力與含氫濃度的理想變化曲線這些過程受熱效應與速度的制約，因此金屬氫化物儲氫比液氫和高壓氫安全，并且有很高的儲存容量。但是，金屬氫化物的不足在于其質量儲氫率低，抗雜質氣體中毒能力差，反復吸放后性能下降。要滿足燃料電池汽車對氫源的要求(可逆氫容量大，性價比高，壽命長)，還有很長的路要走。物理吸附儲氫材料物理吸附儲氫材料碳基多孔材料非碳納米管類材料礦物多孔材料金屬有機物多孔材料物理吸附主要依靠氫氣和儲氫材料之間的物理吸附主要依靠氫氣和儲氫材料之間的范德華力，代表材料有碳納米管以及金屬范德華力，代表材料有碳納米管以

10、及金屬有機框架化合物（有機框架化合物（MOFMOF）等。）等。二：納米結構碳儲氫材料二：納米結構碳儲氫材料1.石墨納米纖維(GNF)儲氫材料2.碳納米纖維(CNF)儲氫材料3.碳納米管(CNT)儲氫材料一：超級活性碳吸附儲氫材料一：超級活性碳吸附儲氫材料碳基儲氫材料碳納米材料吸附儲氫依舊處于研發(fā)階段，對于工業(yè)應用還不成熟。常溫常壓下氫氣的儲存能力很低，且過程相當緩慢，一般需要 25h，如何降低它的成本并使其具有大的吸附量，還有許多工作要做。配位氫化物儲氧配位氫化物儲氧配位氫化物主要是指堿金屬或堿土金屬與第三主族元素與氫配位形成的氫化物，例NaBH4 ；KBH4；LiBH4等。配位氫化物的吸放氫

11、反應與儲氫合金相比，主要差別在于配位氫化物在普通條件下沒有可逆的氫化反應。配位氫化物儲氫合金的特性及對比配位氫化物是由堿金屬及堿土金屬同A族元素與氫形成的化合物，按照形成金屬的種類分類： 1：堿金屬配位氫化物 2：堿土金屬配位氫化物NaAlHNaAlH4 4特性特性由于NaAlH4的分解溫度比較高且放氫速度慢未能在儲氫領域得以研究。直到97年Bogdanovic等發(fā)現摻雜Ti的NaAlH4具有可逆性以后， NaAlH4及其它的配位化合物才得以重視。NaAlH4具有良好的可逆吸/放氫性能，它在加入摻雜劑時能在低于100 下可逆吸/放大量氫氣，產品H2純度高，無副產品，可循環(huán)使用，價廉易得且它所用

12、催化劑價格相對便宜。NaAlH4的儲氫量為7.4%（質量分數）理論可逆儲氫氫量為5.55%，其分解按3個階段進行： NaAlH41/3Na3AlH6+2/3Al+H2(3.7% H(3.7% H2 2) ) Na3AlH6 3NaH+Al+3/2H2 (1.85% H(1.85% H2 2) ) NaH Na+1/2H2(1.85% H(1.85% H2 2) )單純的NaAlH4的分解溫度較高，第一步分解反應在186230，第二步分解反應溫度在260 以上才能進行，而第三步則400 。Bogdanovic和Schwickardi經過Ti摻雜后發(fā)現NaAlH4的兩步分解反應溫度明顯降低了，并且研究結果表明NaAlH4的兩步分解反應均具備可逆性，這一結論的得出使得NaAlH4及其配位化合物作為儲氫材料的研究迅速發(fā)展起來。高壓氣態(tài)儲氫高壓氣態(tài)儲氫這是目前較常用的一種儲氫技術，其儲氫壓力一般為12-41 5M