04 储氢材料和磁性材料05

第九章 储氢材料和磁性材料第一节 储氢材料 第二节 磁性材料

第一节 储氢材料氢能源是作为一种储量丰富、无公害 的能源替代品而倍受重视。 在以氢作为能源媒体的氢能体系中， 氢的贮存与运输是实际应用中的关键。 贮氢材料就是作为氢的贮存与运输媒 体而成为当前材料研究的一个热点项目。2

贮氢材料(Hydrogen storage materials)是在通常条件下能可逆地大量

吸收和放出氢气的特种材料。

贮氢材料的作用相当于贮氢容器。

贮氢材料在室温和常压条件下能迅速吸氢(H2)并反应生成氢化物，使氢以金属氢 化物的形式贮存起来，在需要的时候，适 当加温或减小压力使这些贮存着的氢释放 出来以供使用。4

贮氢材料中，氢密度极高，下表 列出几种金属氢化物中氢贮量及其他 氢形态中氢密度值。

(1)相对氢气瓶重量

从表中可知，金属氢化物的氢密度与液态氢、

固态氢的相当，约是氢气的1000倍。

另外，一般贮氢材料中，氢分解压 较低，所以用金属氢化物贮氢时并不必

用101.3MPa(1000atm)的耐压钢瓶。

可见，利用金属氢化物贮存氢从容积

来看是极为有利的。但从氢所占的质量分数来看，仍比液 态氢、固态氢低很多，尚需克服很大困难，

尤其体现在对汽车工业的应用上。8

当今汽车工业给环境带来恶劣的影 响，因此汽车工业一直期望用以氢为能

源的燃料电池驱动的环境友好型汽车来替代。

对于以氢为能源的燃料电池驱动汽车来 说，不仅要求贮氢系统的氢密度高，而且要 求氢所占贮氢系统的质量分数要高(估算须达 到 (H) =6.5%),当前的金属氢化物贮氢技术 还不能满足此要求。 因此，高容量贮氢系统是贮氢材料研究 中长期探求的目标。10

贮氢材料的发现和应用研究始于20世纪60年代，1960年发现镁(Mg)能形成 MgH2,其吸氢量高达 (H)=7.6%,但反 应速度慢。

1964年，研制出Mg2Ni,其吸氢量为 (H)=3.6%,能在室温下吸氢和放氢，250℃时放氢压力约0.1MPa,成为最早具有应

用价值的贮氢材料。

同年在研究稀土化合物时发现了 LaNi5具有优异的吸氢特性;1974年又发 现了TiFe贮氢材料。

(一)贮 氢 原 理1、金属与氢气生成金属氢化物的反应 2、金属氢化物的能量贮存、转换3、金属氢化物的相平衡和热力学14

第一节 金属的贮氢原理一、金属的贮氢原理

物理方式贮氢：如采用压 缩、冷冻、吸附等方式；氢的存贮方式 金属氢化物贮氢： 氢化物 具有优异的吸放氢性能外， 还兼顾了很多其它功能。

在一定温度和压力下，许多金属、合金和金属 间化合物(Me)与气态H2可逆反应生成金属固 15 溶体MHx和

氢化物MHy。反应分三步进行：

第一节 金属的贮氢原理

贮氢合金

第一步：先吸收少量氢，形成含氢固溶体(α 相)。其固溶度[H]M与固溶体平衡氢压的 平方根成正比：1

p

2 H2

H

M16

第一节 金属的贮氢原理 第二步：

固溶体进一步与氢反应，产生相变，形成氢 化物相(β相):

式中：x为固溶体中的氢平衡浓度，y是合金 氢化物中氢的浓度，一般y≥x。 第三步： 再提高氢压，金属中的氢含量略有增加。17

第一节 金属的贮氢原理

金属与氢的反应是一个可逆过程。 正向反应吸氢、放热，逆向反应释氢、吸热。 改变温度和压力条件可使反应按正向、逆向 反复进行，实现材料的释放氢功能。金属吸氢生成金属氢化物还是金属氢化物分 解释放氢，受温度、压力和合金成分的控制 P-C-T曲线)

第一节 金属的贮氢原理

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图4-1 M-H系统平衡压相图