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储氢材料研究进展储氢材料是一种能够吸附、存储和释放氢气的材料。
由于氢气是一种清洁、高能量密度的能源源，因此研究和开发高效、安全、可靠的储氢材料对于实现氢能源经济至关重要。
以下是储氢材料研究的一些最新进展。
一种被广泛研究的储氢材料是金属-有机骨架材料(MOFs)。
MOFs是由金属离子(或金属团簇)与有机配体构成的晶状材料。
它们具有大的表面积和可调、高度可控的孔隙结构，这使得它们能够有效地吸附和储存氢气。
近年来，研究人员发现通过改变MOFs的化学组成和结构，可以进一步提高其储氢性能。
例如，将不同的金属离子引入MOFs，并调整配体的取代基，可以改变材料的吸附容量和吸附条件。
此外，研究人员还尝试利用功能化MOFs，如在其表面引入催化剂，以提高氢气的解吸速度和反应活性。
除了MOFs，碳基材料也是另一个研究热点。
碳基材料具有优良的导电性、热稳定性和化学稳定性，使其成为理想的储氢材料。
碳纳米管、石墨烯和活性炭等碳基材料都已被广泛研究用于储氢。
石墨烯具有高表面积和高导电性，可以增加吸附氢气的能力，并提高储氢速度。
碳纳米管则可以通过改变结构和直径来调节其吸附容量。
此外，不同的活性炭材料具有不同的微孔结构和吸附能力，可以根据需要进行选择和优化。
还有一类被广泛研究的储氢材料是金属氢化物。
金属氢化物具有较高的密度和储氢容量，是一种高效的储氢材料。
然而，金属氢化物的储氢速率通常较低，且吸附和解吸氢气需要较高的温度和压力。
为解决这一问题，研究人员已经开始将金属氢化物与其他材料进行复合。
例如，金属氢化物与MOFs或碳纳米管复合可以提高储氢速率和降低操作温度和压力。
此外，添加催化剂如铂、钯或镍等也可以增加金属氢化物与氢气之间的反应速率。
除了上述材料，还有一些其他新颖的储氢材料被研究出来。
例如，储氢容量较高的两性离子材料和金属有机骨架材料，以及结合常规材料如钠、镁和铝等金属的储氢合金材料。
这些新颖材料的研究为高效、可持续、低成本的储氢技术的发展提供了新方向。
新型储氢合金的研究进展近年来，氢气已经成为了人们越来越关注的一个话题。
作为一种绿色和清洁的能源，氢气因其高能量密度、无污染、可再生等优势，成为了未来可持续发展方向的重要候选。
然而，氢气能的应用受到氢气的储存技术的制约，而新型储氢合金的研究成果让科学家们看到了曙光。
储氢合金是指一个能够在一定压力和温度下形成储存氢气的合金。
储氢合金的主要特点是能量密度高、吸附无污染、储氢周期长、可重复使用等。
因此，储氢合金已成为氢气储存技术研究的热点之一。
新型储氢合金是相对于传统的纯种储氢金属而言的。
传统的储氢合金采用的是单一的金属材料储氢，如钛合金、镁合金等，其储氢量和吸附效率都不尽如人意。
通过对材料结构和成分的研究，科学家们发现将多种金属元素混合起来可以形成新型的储氢合金，这些新型储氢合金的储氢量和吸附性能都远远超过了传统储氢合金的水平。
其中，最具代表性的新型储氢合金之一就是LaNi5基合金。
LaNi5合金是由镧（La）、镍（Ni）以及其他金属元素组成的一种储氢材料，其在低于冰点℃的温度下，能够将氢气吸附并储存超过四十倍的自身体积，这意味着相同容积大小的储氢车辆能够装载更多的氢气。
除了LaNi5储氢合金，还有许多其他的新型储氢合金也在不断被探索和研发。
比如，近年来，研究人员发现通过在金属合金中引入纳米材料，不仅可以有效提高储氢量，而且可以增强合金的稳定性和耐腐蚀性。
此外，还有研究者利用多孔材料和杂化材料的复合结构来制备新型储氢合金。
虽然新型储氢合金已经取得了一定的研究进展，但是还存在许多待解决的问题。
首先，新型储氢合金的制备工艺需要进一步的优化和改进，以提高其生产效率和降低成本。
其次，储氢合金在储存氢气的过程中会受到氢气的影响，而影响是否会对合金的长期使用带来不良的影响，需要进一步的研究和测试。
另外，新型储氢合金的储氢量和吸附性能虽然有了大幅提高，但依然存在着进一步提高其储氢容量和提高吸附效率的问题。
总之，新型储氢合金是氢气储存技术发展的一个重要方向。
储氢材料的研究进展一、本文概述随着全球能源结构的转型和可持续发展目标的日益紧迫，氢能作为一种清洁、高效的能源形式，正受到越来越多的关注。
而储氢材料作为氢能利用的关键环节，其性能的提升和技术的突破对于氢能的大规模应用具有决定性的影响。
本文旨在全面综述储氢材料的研究进展，通过对不同类型储氢材料的性能特点、应用领域以及发展趋势进行深入探讨，以期为氢能领域的科研人员和技术人员提供有益的参考和启示。
本文将首先介绍储氢材料的研究背景和重要意义，然后从物理储氢材料、化学储氢材料和复合储氢材料三个方面，分别阐述各类储氢材料的最新研究成果和进展。
在此基础上，本文将重点分析储氢材料的性能评价指标，如储氢密度、吸放氢动力学、循环稳定性等，并探讨影响这些性能指标的关键因素。
本文将展望储氢材料的发展趋势和未来研究方向，以期为推动氢能领域的技术创新和产业发展贡献一份力量。
二、储氢材料的分类储氢材料，作为能量储存和转换的重要媒介，在氢能源的应用中扮演着关键角色。
根据其储氢机制和材料特性，储氢材料大致可分为物理吸附储氢材料、化学氢化物储氢材料、金属有机骨架储氢材料以及纳米储氢材料等几大类。
物理吸附储氢材料：这类材料主要通过物理吸附作用储存氢气，如活性炭、碳纳米管、石墨烯等。
这些材料具有高的比表面积和良好的吸附性能，能够有效地吸附并储存氢气。
然而，其储氢密度相对较低，且受温度和压力影响较大。
化学氢化物储氢材料：这类材料通过化学反应将氢气转化为氢化物来储存氢，如金属氢化物（如NaAlHMgH2等）和氨硼烷等。
这类材料具有较高的储氢密度，但储氢和释氢过程通常需要较高的温度和压力，且可能伴随有副反应的发生。
金属有机骨架储氢材料：金属有机骨架（MOFs）是一种新型的多孔材料，具有高的比表面积和孔体积，以及可调的孔径和化学性质。
MOFs材料通过物理吸附或化学吸附的方式储存氢气，具有较高的储氢密度和良好的可逆性。
纳米储氢材料：纳米储氢材料主要包括纳米金属颗粒、纳米碳材料等。
储氢材料的研究进展储氢材料是指能够有效地吸附和存储氢气的材料，是实现氢能源经济利用的关键技术之一、目前，储氢材料的研究进展日益迅速，主要集中在金属氢化物、碳基材料和有机多孔材料等几个方向上。
金属氢化物是当前最常用的储氢材料，其具有高储氢容量和可逆性的优点。
研究者们将重点放在改善金属氢化物的储氢动力学性能方面，包括催化剂的引入、微观结构和晶体形态的调控等。
另外，也有一些新型金属氢化物相如LiBH4、NaAlH4等被发现具有更高的储氢容量和较低的吸附解吸温度，为进一步提高金属氢化物的储氢性能提供了新的思路。
碳基材料是近年来备受关注的储氢材料。
石墨烯是一种具有单层碳原子构成的二维材料，具有大的比表面积和孔隙结构，能够容纳较多的氢气。
同时，碳纳米管、石墨烯氮化物和多壁碳纳米管等碳基材料也被广泛研究。
通过纳米材料的合成和结构调控，可以提高材料的储氢性能。
此外，研究者们还利用功能化改性碳基材料，如使用过渡金属氧化物、转金属等对其进行改性，提高其储氢性能。
有机多孔材料也是一种研究热点。
有机多孔材料具有大的比表面积和丰富的孔结构，可以通过吸附作用容纳大量的氢气。
目前，金属有机框架材料（MOF）和共轭有机多孔聚合物（CMP）是研究的主要方向。
MOF具有多元功能，通过合理选择金属和有机配体可以控制其孔隙结构和氢气吸附性能。
CMP是一种由共轭聚合物构成的大分子材料，通过调节共轭长度和交替共轭单元的数量可以改变其储氢性能。
除了上述主要的研究方向，还有一些其他新兴的储氢材料备受关注，如复合材料、离子交换树脂和化学氮化物等。
复合材料的结构多样性和优异的储氢性能使其成为研究热点。
离子交换树脂具有大的孔隙结构和高度大孔度表面积，能够吸附大量的氢气。
化学氮化物是一类新型储氢材料，具有高的储氢容量和可逆性，但需要进一步研究其可控合成和储氢动力学性能。
总之，储氢材料的研究进展日益迅速，包括金属氢化物、碳基材料和有机多孔材料等多个方向。
氢是一种清洁的可再生能源。
储氢材料作为一种可逆的氢元素存储材料，在现代及未来的应用十分广泛。
对于储氢材料性质的研究，将会更好地推动我国相关研究领域的进步。
随着近年来我国经济的不断发展，能源消耗也在大幅度增加，化石能源储量减少，并产生一系列的环境问题，所以寻找一种安全可靠的绿色清洁能源是必然趋势，而氢元素一直是能源系列中的“宠儿”。
由于氢能是一种可循环利用的清洁能源，将在我国能源转换中扮演重要角色。
近年来，氢能产业从行业圈内逐渐走向大众视野，被认为是具有发展潜力的新型产业。
目前唯一存在的应用问题是氢能源的存储技术问题，为了解决这一问题，储氢材料正式问世，利用金属络合物储存氢能，其质量百分密度较高且具有一定的可逆性，实现了储氢材料的正式应用，而此类材料的具体应用也可以更好地推动相关领域的发展。
氢能的储存方式分析氢能是目前发现的能源体系中储量丰富且无公害的清洁能源，是理想化石燃料替代品，而且氢能在燃烧后的生成物只有水，对我国实现“碳达峰”“碳中和”等目标具有重要意义。
在氢能的应用体系中，氢能的存储制约了氢能走向实用化和规模化。
为了解决这一问题，诞生了储氢材料理念。
目前，有3种主要的储氢方式，分别为高压气态储氢、低温液态储氢和固态储氢。
1高压气态储氢高压气态储氢是目前应用广泛、相对成熟的储氢技术，即通过压力将氢气液化至气瓶中加以储存。
该技术的优点在于，其充装释放氢气速度快，技术成熟及成本低。
而其缺点在于：一是对储氢压力容器的耐高压要求较高，商用气瓶设计压力达到20 MPa，一般充压力至15 MPa；二是其体积储氢密度不高，其体积储氢密度一般在18～40 g/L；三是在氢气压缩过程中能耗较大，且存在氢气泄漏和容器爆破等安全隐患问题。
2低温液体储氢为了解决高压气体储氢体积储氢密度低的问题，人们提出了液态储氢的概念，低温液态储氢将氢气冷却至-253℃，液化储存于低温绝热液氢罐中，储氢密度可达70.6 kg/m3，体积密度为气态时的845倍。
氢储能技术发展与研究现状氢储能技术是指将氢气制备、储存和释放，以实现能源的高效利用和可持续发展的技术。
氢储能具有储存密度高、储存时间长、环境友好等优势，被广泛应用于交通运输、电力能源等领域。
下面将结合当前氢储能技术的发展和研究现状进行分析。
首先，氢储能技术的发展取得了显著的进展。
目前，氢燃料电池车成为人们瞩目的焦点，其续航里程和安全性已经得到了显著提高。
同时，为了提高氢燃料电池的效率和可靠性，研究人员还在探索新型催化剂、电解质膜等关键技术。
此外，氢储能技术在储氢材料、氢燃料途径等方面也有了新的突破。
例如，氢储能材料方面，研究人员正在开发新型的储氢合金、储氢材料和氢化物，以提高储氢能力和储氢速率。
在氢燃料途径方面，电解水制氢、太阳能制氢和生物制氢等技术也被广泛研究，以满足不同能源需求。
其次，氢储能技术的研究还面临一些挑战。
首先是储氢安全性问题。
氢气是可燃可爆的气体，储存和使用过程中存在安全隐患。
因此，如何保证氢气的安全储存和使用成为了研究的重点。
其次是储氢能力和储氢速率问题。
当前的储氢技术仍然无法满足实际应用中的需求，特别是在交通运输领域。
由于氢气的体积较大，储氢设备的体积和重量相对较大，限制了氢燃料电池车的商业化应用。
此外，目前的储氢材料和制氢技术的成本仍然较高，也成为了氢储能技术发展的限制因素。
最后，为了进一步推动氢储能技术的发展，需要采取一系列的措施。
首先，加大科研投入力度，加强氢储能关键技术的研究和开发。
其次，建立健全的政策支持体系，提供财政和税收优惠政策，鼓励企业和研究机构加大对氢储能技术的投入和研究。
再次，加强国际合作，开展技术交流和合作研究，借鉴国外的先进经验和成果。
此外，加强标准制定和监管，提高氢储能技术的安全性和可靠性，保障氢储能设备和系统的正常运行。
综上所述，氢储能技术是目前研究的热点之一，其发展和研究现状已经取得了良好的进展。
然而，仍然存在一些问题和挑战需要解决。
通过加大科研投入、完善政策支持、加强国际合作和加强标准管理等措施，可以进一步推动氢储能技术的发展，为实现能源的高效利用和可持续发展做出贡献。
物理吸附储氢材料的研究进展一、本文概述随着全球能源需求的持续增长和对可再生能源技术的日益关注，氢能被认为是一种具有巨大潜力的清洁能源。
然而，氢能的广泛应用受限于其储存和运输的挑战。
物理吸附储氢作为一种安全、高效的储氢技术，近年来引起了广泛的研究兴趣。
本文旨在概述物理吸附储氢材料的研究进展，重点讨论不同材料的吸附性能、储氢容量以及实际应用前景。
我们将首先介绍物理吸附储氢的基本原理和优势，包括其相对于其他储氢技术的独特之处。
接着，我们将综述各类物理吸附储氢材料，如活性炭、金属有机框架（MOFs）、碳纳米管等，并详细分析它们的储氢性能、影响因素以及潜在的应用领域。
我们还将讨论目前研究中面临的挑战，如提高储氢密度、优化吸附动力学以及材料的成本问题等。
我们将展望物理吸附储氢材料的未来发展趋势，包括新型材料的开发、复合材料的研究以及储氢技术的集成等。
通过本文的综述，我们希望能够为物理吸附储氢材料的研究提供全面的参考，推动氢能技术的发展和应用。
二、物理吸附储氢技术的基本原理物理吸附储氢技术是一种基于吸附剂表面与氢气分子之间的物理相互作用来实现氢气储存的方法。
这种技术利用吸附剂的多孔性和高比表面积，通过分子间作用力（如范德华力）将氢气分子吸附在吸附剂的表面上，从而实现氢气的储存。
物理吸附储氢技术的核心在于吸附剂的选择和设计。
理想的吸附剂应具备以下特性：高比表面积，以提供足够的吸附位点；适宜的孔径分布，以便有效地吸附氢气分子；良好的吸附动力学性能，确保氢气分子能快速吸附和解吸；以及良好的化学稳定性和热稳定性，以确保储氢过程的安全性和持久性。
在物理吸附储氢过程中，氢气分子与吸附剂之间的相互作用是物理的，不涉及化学键的形成和断裂，因此吸附过程是可逆的。
这意味着在适当的条件下，氢气分子可以从吸附剂表面解吸出来，供后续使用。
这种可逆性使得物理吸附储氢技术具有较高的灵活性和可控性。
然而，物理吸附储氢技术也面临一些挑战。
由于吸附过程是基于分子间作用力，因此吸附能较低，导致储氢密度相对较低。
储氢材料的研究进展1储氢材料的研究进展1储氢材料是指能够吸附或储存大量氢气的物质，它在氢能技术的应用中起着关键作用。
目前，储氢材料的研究进展如下：1.金属氢化物：金属氢化物是一种包括氢原子的金属结构。
这类材料具有高储氢密度和相对较低的温度要求，因此在储氢领域具有重要的潜力。
最常见的金属氢化物是锂氢化物和镁氢化物。
近年来，研究人员通过改变材料的微观结构和添加催化剂等方法，成功地提高了金属氢化物的储氢性能。
2.有机储氢材料：有机储氢材料是一类由碳、氢和其他元素组成的有机化合物，它们通过化学反应吸附和储存氢气。
这类材料的优势在于其相对较低的工作温度要求和较高的储氢容量。
研究人员通过设计新型的有机储氢材料和调节其结构，有效地提高了其吸附和释放氢气的性能。
3.多孔材料：多孔材料是一类具有微孔或介孔结构的材料，其具有较大的表面积和空隙，可用于吸附和储存氢气。
常见的多孔材料包括金属有机骨架材料（MOFs）、多孔有机聚合物（POPs）、金属氧化物和碳纳米管等。
近年来，研究人员通过调节多孔材料的结构和化学组成，成功地提高了其储氢性能。
4.硼氮化物：硼氮化物是一类由硼和氮组成的化合物，其具有非常高的储氢密度和热稳定性。
硼氮化物的挑战在于其吸附和释放氢气的动力学过程较慢。
近年来，研究人员通过合成纳米材料、引入催化剂和调节硼氮化物的结构等方法，成功提高了其储氢性能。
5.复合材料：复合材料是利用不同种类的材料组合而成的材料，其吸附和储存氢气的性能可以通过调节不同组分的比例和结构来改善。
常见的复合材料包括金属-有机骨架材料的混合物、碳材料的复合体等。
研究人员通过设计和合成新型的复合材料，成功提高了其储氢性能。
总结起来，储氢材料的研究进展主要包括金属氢化物、有机储氢材料、多孔材料、硼氮化物和复合材料等。
这些材料在储氢技术中具有重要的应用潜力，研究人员通过调节其结构、应用新型催化剂和合成方法等手段，不断提高其储氢性能，推动氢能技术的发展。
储氢材料的研究进展储氢材料是一种能够吸附和释放氢气的材料，广泛应用于氢能源领域。
目前，研究人员正在不断寻找新型的储氢材料，以提高氢气的吸附能力和储存密度，并且减少储氢过程中的能量损失。
以下是当前储氢材料研究领域的一些进展。
一、金属有机骨架材料（MOF）金属有机骨架材料是一种由金属离子和有机配体组成的晶体结构。
这种材料具有高度可控的孔隙结构，能够提供大量的吸附空间。
研究者已经成功开发出一系列储氢性能优良的MOF材料。
例如，Mg-MOF-74材料具有高达7.5 wt%的氢气存储密度，在77 K、20 bar的条件下可以实现高达6.0 wt%的氢气吸附。
二、共价有机框架材料（COF）共价有机框架材料是一种新型的多孔有机材料，由于其特殊的共价键连接方式，其结构稳定性和储氢性能较好。
例如，研究者在实验中发现，COF-5可以在77 K、物理吸附模式下实现高达7.2 wt%的氢气储存密度。
三、纳米多孔材料纳米多孔材料是一种具有高度可控孔隙结构和较大比表面积的材料。
这些材料具有丰富的储氢位点，并且能够实现快速的吸附和释放过程。
例如，一些石墨烯基的纳米多孔材料已经成功应用于氢能源领域。
研究者发现，这些纳米多孔材料能够实现高达5 wt%的氢气吸附。
四、氧化物材料氧化物材料是一种常见的储氢材料，具有较好的储氢性能。
例如，氧化镁和氧化钛等材料具有良好的氢气吸附能力。
此外，一些研究者还研究了稀土氧化物的储氢性能，并发现它们可以在相对较低的温度和压力下实现高储氢密度。
综上所述，储氢材料的研究进展十分迅速。
金属有机骨架材料、共价有机框架材料、纳米多孔材料和氧化物材料等新型储氢材料的开发，为增加氢气的储存密度以及减少储氢过程中的能量损失提供了新的思路和方法。
随着进一步研究和开发，相信未来储氢材料的性能将不断提高，并为氢能源的广泛应用提供有力支持。
收稿:2005年3月,收修改稿:2005年7月 3国家自然科学基金资助项目(N o.20325102,90406001)及教育部资助项目(N o.200248,104055,2004164)33通讯联系人 e 2mail :chenabc @储氢研究进展3许 炜 陶占良 陈 军33(南开大学新能源材料化学研究所 天津300071)摘 要 氢能是21世纪主要的新能源之一。
作为一种新型的清洁能源,氢的廉价制取、安全高效储存与输送及规模应用是当今研究的重点课题,而氢的储存是氢能应用的关键。
储氢材料能可逆地大量吸放氢,在氢的储存与输送过程中是一种重要载体。
本文综述了目前所采用或正在研究的主要储氢材料与技术,如高压气态储氢、低温液态储氢、金属氢化物储氢、化学氢化物储氢、吸附储氢、金属有机骨架储氢等,比较了各种储氢的优缺点,并指出其相关发展趋势。
关键词 储氢 金属氢化物 配位氢化物 碳纳米管 金属有机骨架中图分类号:T Q11612;TK 91 文献标识码:A 文章编号:10052281X (2006)02Π320200211Progress of R esearch on H ydrogen StorageXu Wei Tao Zhanliang Chen Jun33(Institute of New Energy Materials Chemistry ,Nankai University ,T ianjin 300071,China )Abstract Hydrogen energy is one of the m ost im portant new energies in the 21st century.As a new type of the clean energy ,low cost hydrogen 2production ,safe and high 2efficient storage and transport ,and large 2scale utilization techniques have been received much attention.Hydrogen storage technology is the linchpin in hydrogen application.Hydrogen storage materials ,which are im portant carriers during hydrogen storage and transport ,can abs orb and des orb hydrogen reversibly.In this paper ,m ost used or under 2research hydrogen storage materials and technologies such as high 2pressure gas storage ,low 2tem perature liquid storage ,metal hydrides ,chemical hydrides ,ads orption Πabs orption of hydrogen ,and metal 2organic 2framew orks (MOF )are reviewed.The advantages and disadvantages of vaious hydrogen storage technologies are com pared.The trend of the hydrogen storage technology is als o introduced.K ey w ords hydrogen storage ;metal hydrides ;com plex hydrides ;carbon nanotubes ;metal 2organic 2framew orks1 引 言随着工业的发展和人们物质生活水平的提高,能源的需求也与日俱增。
由于近几十年来使用的能源主要来自化石燃料(如煤、石油和天然气等),而其使用不可避免地污染环境,再加上其储量有限,所以寻找可再生的绿色能源迫在眉睫。
氢能作为一种储量丰富、来源广泛、能量密度高的绿色能源及能源载体,正引起人们的广泛关注[1]。
氢能的开发和利用受到美、日、德、中、加等国家的高度重视,以期在21世纪中叶进入“氢能经济(hydrogen economy )”时代。
氢能利用需要解决以下3个问题:氢的制取、储运和应用,而氢能的储运则是氢能应用的关键。
氢在通常条件下以气态形式存在,且易燃、易爆、易扩散,使得人们在实际应用中要优先考虑氢储存和运输中的安全、高效和无泄漏损失,这就给储存和运输带来很大的困难。
当氢作为一种燃料时,必然具有分散性和间歇性使用的特点,因此必须解决储存和运输问题。
储氢及输氢技术要求能量密度大(包含质量储氢密度和体积储氢密度)、能耗少、安全性高。
当作为车载燃料[2]使用(如燃料电池动力汽车)时,应符合车载状况的要求。
对于车用氢气存储系统,国际第18卷第2Π3期2006年3月化 学 进 展PROG RESS I N CHE MISTRYV ol.18N o.2Π3 Mar.,2006能源署(IE A )提出的目标[3]是质量储氢密度大于5%、体积储氢密度大于50kg H 2Πm 3,并且放氢温度低于423K,循环寿命超过1000次;而美国能源部(DOE )提出的目标[4]是质量储氢密度不低于615%,体积储氢密度不低于62kg H 2Πm 3,车用储氢系统的实际储氢能力大于311kg (相当于小汽车行驶500km 所需的燃料)。
图1给出了目前所采用和正在研究的储氢材料的质量储氢密度和体积储氢密度[5]。
综合考虑质量、体积储氢密度和温度,除液氢储存外,还没有其它技术能满足上述要求。
图1 主要储氢材料与技术的储氢质量和体积密度[5]Fig.1 G ravimetric and v olumetric density of s ome hydrogen storage materials and technologies[5]图2 氢的简单相图Fig.2 Primitive phase diagram for hydrogen2 氢的相图氢的储存是以氢的相图为基础的。
图2为氢的简单相图[5],在低温区,氢以固体形式存在,而在0℃和105Pa 的压力下,是密度为01089886kg Πm 3的气体,在三相点和临界点之间很小的范围内,氢气在-253℃下是密度为7018kg Πm 3的液体。
图中可看出绝大部分为氢的气态区,液态氢仅出现在固态线和连接2111K 三相点及33K 临界点的直线之间。
在室温(298115K )下,氢的气体行为可用范德华方程描述[6]:p =n ・R ・T V -n ・b -a ・n 2V2其中p 为气体压力,V 为体积,T 为绝对温度,n 为氢气的摩尔数,R 为气体常数,a 是偶极作用或斥力常数,b 为氢分子所占的体积。
氢分子之间强的排斥力决定了氢气具有较低的临界温度(T c =33K )。
根据氢的气体特性,其储存方式可分为物理法和化学法。
物理储存方法主要有高压氢气储存、液氢储存、活性炭吸附储存、玻璃微球储存、地下岩洞储存等;化学储存方法有金属氢化物、化学氢化物(包括无机物及有机物)储存等;当然,还有一些则是这两类方法的结合。
下面对目前所研究或采用的主要储氢材料与技术作介绍。
3 高压气态储氢根据气体状态方程,对于一定量的气体,当温度一定时,升高压力会减小气体所占的体积,从而提高了氢气的密度。
高压钢瓶储氢就是基于这一原理的一种常用的氢气储存方法,其储氢压力一般为12—15MPa ,有的可达到20MPa 。
由于瓶内高压,所以要控制钢瓶壁的厚度。
钢瓶的壁厚可根据下式计算[5]:d w d o =Δp2・σv +Δp其中d w 为壁厚,d o 为钢瓶的外径,Δp 为过压,σv 为材料的伸张强度。
不同材料的伸张强度差别往往较大,例如从50MPa 的铝到超过1100MPa 的高质量钢。
另外,像硼等材料则具有高达2410MPa 的伸张强度。
普通高压气态储氢是一种应用广泛、简便易行的储氢方式,而且成本低,充放气速度快,且在常温下就可进行。
但其缺点是需要厚重的耐压容器,并要消耗较大的氢气压缩功[7],存在氢气易泄漏和容器爆破等不安全因素。
一个充气压力为15MPa 的标准高压钢瓶储氢重量仅约为110%;供太空用的钛瓶储氢重量也仅为5%[8]。
可见,高压钢瓶储氢的能量密度一般都比较低。
近年来开发的由碳纤维复合材料组成的新型轻质耐压储氢容器,其储氢压力可达20—60MPa 。
耐压容器是由碳纤维、玻璃、陶瓷等组成的薄壁容器,其储氢方法简单,成本低,储氢量可达5—10wt %,但・102・第2Π3期许 炜等 储氢研究进展这类高压钢瓶需要解决阀体与容器的接口及快速加氢等关键技术。
现在正在研究能耐压80MPa的轻型材料,这样氢的体积密度可达到36kgΠm3。
碳凝胶是一种类似泡沫塑料的物质,特点是具有超细孔,大表面积,且有一个固态的基体。
试验结果表明,这种材料在813MPa的条件下,储氢量可达317wt%。
将其充填在高压容器夹层板的芯板中,容器内部氢气被压缩到碳凝胶的微孔中而成固态,可大幅度降低夹层板外表板处的氢气压力。
此时在夹层板外表板处采取常规密封措施就可防止高压氢气泄漏。
为了提高储氢量,目前正在研究一种微孔结构的储氢装置。
它是一种微型球床,微型球壁薄(1—10μm),充满微孔(10—100μm),氢气储存在微孔中。
微型球可用塑料、玻璃、陶瓷或金属制造。
玻璃微球是一种很好的吸氢材料,常温下储氢量可达15—42wt%,是一种具有发展前途的储氢技术[9]。
由于高压气体具有潜在的危险性,考虑其经济性和安全性,要大规模储存氢气可采用加压地下储存。
当有现成的密封良好而又安全可靠的地窖或开采过的空矿井、地下岩洞等,可以用于储氢,其成本低廉,但受地域限制,运输不便。
4 低温液态储氢由相图得知,氢气在一定的低温下,会以液态形式存在。
因此,可以使用一种深冷的液氢储存技术———低温液态储氢。
与空气液化相似,低温液态储氢也是先将氢气压缩,在经过节流阀之前进行冷却,经历焦耳2汤姆逊等焓膨胀后,产生一些液体。
将液体分离后,将其储存在高真空的绝热容器中,气体继续进行上述循环。
液氢储存具有较高的体积能量密度。
常温、常压下液氢的密度为气态氢的845倍,体积能量密度比压缩储存要高好几倍,与同一体积的储氢容器相比,其储氢质量大幅度提高。
液氢储存工艺特别适宜于储存空间有限的运载场合,如航天飞机用的火箭发动机、汽车发动机和洲际飞行运输工具等。
