第五章   能源转换与储存材料 1、开发氢能的必要性： 人类面临能源危机——石油、煤炭和天燃气已濒临枯竭； 开发新能源——太阳能、地热、风能及海洋能等一次能源要求转化为可储存和运输的二次能源。         氢是一种非常重要的二次能源。  2、氢能优点 （1）热值高：氢的燃烧热大约是汽油的3倍，焦炭的                           4.5倍； （2）资源丰富：地球表面有丰富的水资源，水中含                            氢量达11.1％； （3）不产生二次污染：燃烧后生成水，干净、无毒； （4）应用范围广，适应性强：如可作为燃料电池发            电，用于氢能汽车、化学热泵等 。 3、氢能源的开发遇到的问题      主要是制氢工艺和氢的储存： 活性炭具有较高的比表面积，尤其是优质活性炭 的比表面积可达2000m2／g以上，利用低温加压 可吸附储氢。 富勒烯(C60)和碳纳米管(CNT)对氢气具有较强的 吸附作用。  如：单层碳纳米管的吸氢量比活性炭高，吸附        量可达5％～10％(质量分数) 。 2、深冷液化储氢 在常压和20K温度下，气态氢可液化为液态氢，液态的 密度是气态氢的845倍。深冷液化贮氢，其体积能量密 度高，储存容器体积小。       金属氢化物储氢 某些过渡金属、合金、金属间化合物，由于其特殊的 晶格结构等原因，在一定条件下，氢原子比较容易进 入金属晶格的四面体或八面体间隙中，形成金属氢化 物，可储存比其体系大1000—1300倍的氢。 当金属氢化物受热时，又可释放出氢气。 特点：  原子间隙由四面体构成，间隙多，有利于氢   原子的吸附； 抗中毒性好，循环寿命长； 难活化，价格高 ZrCo2 , ZrFe2平衡压力较高，但吸氢量较低； ZrV2 , ZrCr2吸氢量大，但平衡压力很低 改善：多元合金化 A组元：用Ti替代部分Zr降低成本； B组元：用Fe,Co,Mn,Ni等部分替代V,Cr提高平衡压力,                  但储氢量降低； 镁系：美Brookhaven国家实验室 特点： 储氢容量高 资源丰富 价格低廉 放氢温度高（250－300℃ ） 放氢动力学性能较差 改善：多元合金化，如Mg-Ni,Mg-Cu,Mg-La,Mg-Al等             二元系为基的三元、多元合金。 Mg2Ni 六方晶格 四方晶格 复合储氢合金 Mg系合金储氢量大 动力学特性较差 LaNi5系合金储氢量小， 动力学特性好 复合：Mg-LaNi5储氢合金             动力学特性好，储氢量佳 纳米晶储氢合金(动力学特性、活性等改善)： 纳米结构材料具有很高的晶界密度，材料的活性和氢原子在其中的扩散能力显著提高。 六、储氢合金的应用 1、Ni-MH电池 2、氢的储存、净化及分离 3、热能的储存、热泵及空调 4、氢能汽车 5、氢催化剂 Ni-Cd与Ni-MH充电池比较     镍镉电池(Ni-Cd) 优点：         可以耐过充电，可重覆约500次的充放电  缺点：      ①充放电时，阴极会长出镉的针状          结晶，有时会穿透隔膜而引起          内部枝状晶体式的短路；           ②含有镉，有毒，必须回收；      ③有记忆效应。 Ni-MH电池 优点： ①可吸收高达本身体积100倍的氢，储存能力极强;  ②镍氢电池的能量密度比镍镉电池大，其容量约为     镍镉电池的2倍；  ③用专门的充电器可在一小时内快速充电，内阻较     低，一般可进行500次以上的充放电循环，无记     忆效应。  ④不含汞和镉，不必回收，为目前最符合环保的电     池。 缺点： 价格高于镍镉电池，性能比锂电池差。 充、放电原理： 充电过程    正极： 负极： 放电过程    正极： 负极： 负极：氢化物电极                  正极：Ni(OH)2电极  电解质：碱溶液（KOH水溶液) Ni/MHx电池充放电过程示意图 储氢合金分离、精制氢气装置原理图 精制塔 热泵——把热从低温物体输送到高温物体的装置。 热泵既有供热的作用，又有制冷的功能。 储氢合金储存热能是一种化学储能方式，热能经长期储存后毫无损失。 储氢合金氢化物热泵属于化学反应型热泵，其核心是金属与氢之间的可逆反应，利用这种可逆反应的反应热，进行热能的转换、储存和交换。  储氢合金氢化物热泵 热泵工作原理： 同温度下分解压不同的两种氢化物组成热力学循环系统，使两种氢化物分别处于吸氢(放热) 和放氢(吸热)状态，利用它们的平衡压差来驱动氢气流动，从而利用低级热源(废热、太阳能)来进行储热、采暖、空调和制冷。  4.加入电解质  利用含碘离子的溶液作为太阳能电池的电解质，它主要用于还原和再生染料。在二氧化钛膜表面上滴加一到两滴电解质即可。  5、组装电池  在二氧化钛膜上滴加电解质后，把正电极的导电面朝下压在二氧化钛膜上。将两片玻璃稍微错开，用两个夹子把电池夹住，两片玻璃暴露在外面的部分用以连接导线。 6.电池的测试  在室外太阳光下，检测太阳能电池是否可以产生电流。  太阳能电池（硅系）的优点： 1. 将光能直接转换为(直流)电能，但本身不储存能量； 2. 使用方便、无废弃物、无污染、无噪音； 3. 电池模板寿命长久，可达二十年以上 ； 4. 外型尺寸可随意变化，应用广泛(小至消费性产品—     如计算机，大至发电厂)； 5.发电量大小随日光强度而变； 6.太阳能电池未来与建筑物结合，将可普及化。  太阳能电池的应用： 我国在西藏、青海、内蒙、新疆、甘肃等地已安装光伏发电系统48600余套，发电功率达10MW。 德国慕尼黑商贸中心在其6座大厦的屋顶共安装了7812个组件，每个组件有84个单晶硅太阳能电池，总和峰值功率为1.016MW，预计寿命20年。 目前Si和GaAs太阳能电池各自有不同的缺点,不能满足未来卫星的要求。GaInP/GaAs/Ge 高效级联太阳能电池是空间太阳能电池的发展方向之一。 为提高太阳能电池的光电转换效率，降低成本，在Ge衬底上用MOCVD（金属有机化学气象沉积法）技术研究GaInP/GaAs/Ge 高效级联太阳能电池，已经获得面积为2×2 cm2,效率达15%的GaAs/Ge太阳能电池。  空间用太阳能电池要求具有高的光电转换效率、重量轻和低成本。 一、氢能简介 制氢  氢能利用 一次能源 电池 汽车 热泵 传感器 电解、光催化 氢能的储存与输送 光解法制氢：利用太阳能，到海水中取氢，    大量制氢是最有希望的方向； 氢的存储：难题 气体氢：     液态氢： 储存和输送方式 储氢密度远高于气态，但氢气的液化温度为-252.6℃，液化过程耗费大量的能源，需采用超低温的特殊容器，价格昂贵 主要用高压钢瓶，储氢量小， 储氢密度低，使用不方便 解决方式：研发储氢材料 二、 储氢方法介绍         根据物理化学原理分为：  物理法—储氢物质和氢分子之间只有纯粹的物                     理作用或物理吸附。                     活性炭吸附储氢                     深冷液化储氢等 化学法—储氢物质和氢分子之间发生化学反应，            
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