材料科学前沿-氢能与储氢材料课件.ppt
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- 材料科学 前沿 材料 课件
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1、材料科学前沿汇报氢能与储氢材料Hydrogen Energy&Hydrogen Storage Materials董汉武2018年6月22日1 能源有什么重要性?为什么要发展氢能?成熟的氢能技术有哪些?什么是储氢材料?不同储氢材料各有什么特点(优缺)?储氢材料面临什么挑战?储氢材料的开发思路有哪些?2报告前的疑问 氢能简介与储氢方法 评估/表征储氢方法/材料 储氢材料的历史沿革与发展现状 储氢材料前沿研究领域 储氢材料发展展望报告概要3 What is ENERGY?4话题 能源 Why(is)ENERGY(so important)?能源是人类生存、社会延续与进化的物质基础!能源是人类生存、
2、社会延续与进化的物质基础!5话题 能源 Organic Energy Economy 有机能源经济 Fossil Fuel Energy Economy 化石能源经济What is the future?Hydrogen Energy Economy?6话题 能源与社会经济1 氢能简介Introduction to the Hydrogen Energy7 化石能源?储量?氢能?为何要发展氢能?8http:/ 11 October 2015.能量总量、功率!9理想中的终极氢能?The Ultimate Hydrogen Energy?理想中的终极氢能?The Ultimate Hydrogen
3、 Energy?10 可控核聚变.关键材料承受高温高压等离子体我们今天要谈的或可称为“常规氢能”11氢能与交通工具高热值洁净零排发环境友好气候问题?成本?动力、操控性?12广州:BMW7系未来氢经济社会的设想13Typically,6 kg of hydrogen is able to allow a light-duty vehicle to run for 500 km.直接利用形式主要为电,氢为二次能源载体。14 混合动力汽车?(HEV,Hybrid Electric Vehicle)电动汽车?(EV,Electric Vehicle)氢能燃料电池汽车?(HFCV,Hydrogen Po
4、wered Fuel Cell Vehicle)成本,整车效率(车重),续航里程,补充能源速度,安全性15美国的政策1617近段时间的氢能应用发展中國國務院總理李克強,今參訪位於北海道苫小牧市的豐田汽車子公司,在豐田汽車社長豐田章男導覽下,參觀氫燃料車。18近段时间的氢能应用发展19近段时间的氢能应用发展氢能应用链示例 三大技术环节:制氢,储氢储氢,用氢20制氢储氢用氢US DOE 2020系统储氢性能目标:gravimetric capacity 5.5wt%volumetric capacity 40g/Loperating temperature-4060Cmax.delivery pr
5、essure 12 bar常温常压下氢气体积密度:0.089 g/L6 kg氢气的体积:5米直径的球提升压力至700 bar:150 LNow,the academic part21ENERGY?2223用氢简介2425储氢-关键的中间环节!基本储氢方法如下26车载气态储氢罐1液态储氢罐2固态材料储氢 3金属镁体积密度低需要高压力压缩氢气需要较高能耗体积密度高(70g/L)压缩并冷却液化需要更高能耗(约1/3所制得液氢的燃烧热值)储氢密度潜在能力高但综合性能距离目标值仍然很大Compressed hydrogen vs.materials-based hydrogen storage27Ste
6、tson N.An overview of U.S.DOEs activities for hydrogen fuel cell technologies,2/27/2012,Clearwater,Floride,America.物理吸附储氢基于分子间作用力需要较低温度和较高压力 化学吸附储氢基于原子间的化学键合力需要较高温度实现循环28基于材料的储氢2 评估储氢方法/材料Properties Assessment for Hydrogen Storage Materials2930不同储能方法的储能密度(重量密度,体积密度)不同储氢方法/材料的储氢能力比较31看点:看点:体积密度重量密度可逆
7、性 较理想的储氢反应温度:100C附近 较理想的储氢反应压力:10 atm 左右32储氢材料的热力学性能US DOE 2020系统储氢性能目标:gravimetric capacity 5.5wt%volumetric capacity 40g/Loperating temperature-4060Cmax.delivery pressure 12 bar储氢材料的热力学性能33(a)T1T2T3平台区域放氢吸氢滞后T2T3p3p2p1Xplnp1/TOABOx斜率=H/R截距=-S/R(b)T1The vant Hoffequation储氢材料的动力学性能34 Kinetic propert
8、ies Kinetic process Different kinetic models Reaction barrier:Activation energy More difficult duringdehydrogenation thanhydrogenation气相扩散表面解离H2固相扩散H金属-氢反应过程中体系自由能变化反向正向 动力学,速度功率 可逆性,可逆程度 材料工作寿命 其他实际因素考虑:成本,安全储氢材料的动力学与其他性能至今仍未有完美的储氢材料!3 储氢材料的历史沿革与发展现状Introduction to the Hydrogen Energy36传统合金储氢材料37 A
9、B5-LaNi5(MmNi5-xMx)储氢量储氢量1.5wt%、动力学好、较贵、动力学好、较贵 AB2-ZrCr2(Ti1-xZrxCrMn)储氢量储氢量2.0wt%、动力学好、昂贵、难活化、动力学好、昂贵、难活化 AB FeTi 储氢量储氢量1.8wt%、动力学好、易中毒、歧化、动力学好、易中毒、歧化 A2B-Mg2Ni 储氢量储氢量3.6wt%、动力学差、动力学差 Mg 储氢量储氢量7.6wt%、动力学很差、动力学很差(约(约400oC、30 atm)Ni-MH Batteries近年发展的储氢材料-物理吸附材料38 Carbon,MOFs,zeolites,porous polymers
10、,Adsorption enthalpies:2-5 kJ/mol H2 Liquid N2 temperature Capacity limited by specific surface area(SSA),pore structure and pore sizes Ideal materials:High SSA,pore size 1 nm Better measured with up to 210 MPa H2,using IUPAC“excess hydrogen material capacity”.Goal:higher capacity up to 10wt%at 2-3M
11、PaH2 uptake capacities at 77 K and BET surface areas of various MOFs39A plot showing the relationship between H2 uptake capacities at 77 K and BET surface areas of various MOFs.Low pressure is 1 bar and high pressures are in the range of 10e90 bar.近年发展的储氢材料-化学储氢材料40 Hydrolytic Hydride Systems 氢化物水解体
12、系 NaBH4:Usually irreversible Reversible Hydride Systems 可逆储氢体系 Interstitial Metal hydridesAB5(LaNi5),AB2(A=Ti,Zr,Mg;B=V,Cr,Fe,Mn),AB3 Salt-like MgH2:high cap.,low cost,env.friendly,good reversibility NaAlH4 Irreversible Hydride Systems 非可逆储氢体系 LiAlH4,LiBH4,Mg(BH4)2 Amine-Borane Adducts:NH3B3H7,胺硼烷 A
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