氫儲能氫儲能概述氫氣制備與純化氫氣儲存氫儲能應用總結與展望5.1

氫儲能概述氫儲能的概念氫的物理化學性質(2)氫原子由一個質子及一個電子組成，電子組態為1s1，電負性為2.2。(3)氫原子的基態能級為-13.6eV，電離能為1312kJ/mol。自然界中氫有氘和氚兩種同位素，該兩種同位素分別含有1個及2個中子。(4)氫鍵是弱于化學鍵的一種靜電鍵，是一種特殊的分子間相互作用。右圖是我國中科院國家納米科學中心的研究人員在實空間得到分子間氫鍵的高分辨空間圖像，實現了對于氫鍵鍵長和鍵角的直接測量。(1)氫屬于IA族，相對原子質量為1.00794。5.1

氫儲能概述(5)在室溫下，氫氣由75%的正氫和25%的仲氫組成。正氫分子兩個質子自旋同向，仲氫分子兩個質子自旋反向的。熔點14.025K沸點20.268K密度0.089kg/m3摩爾體積11.42×10-3(m3mol)比熱容14.3kJ/(kgK)熱導率0.1815W/(mK)電離能1312.06kJ/mol臨界點32.976K汽化焓0.4494kJ/mol熔融焓0.0587kJ/mol聲在氫氣中傳播速度1270m/s(298.15K)表5.1氫氣的物理性質5.1

氫儲能概述(1)氫儲能的優點：儲量豐富、燃燒熱值高、可存儲、可轉化形式廣。(2)氫礦：將海水中的氫元素提出，燃燒產生的熱量比化石燃料大9000倍。(3)氫熱值高，但密度小。

單位氫氣天然氣汽油石油甲醇密度kg/m30.089（氣態）71（液態）0.721738840787低熱值MJ/kgMJ/L1200.01(氣態)/8.52(液態)500.0364734.63932.72015.4汽油當量L3200（氣態）96111.062.1表5-2氫與其他燃料的屬性對照根據表5-2可知，獲得燃燒1kg氫氣的能量，需要天然氣和汽油約2.4kg及2.55kg，在常溫常壓條件下，獲得相同熱量所需氫氣的體積約是天然氣的3.3倍。氫儲能5.1

氫儲能概述調節電網波動性(1)氫儲能系統首先將新能源產生的多余電量用來電解水制氫，隨后將制得的氫氣儲存，需要用電時再通過燃料電池轉化發電。(2)優點：原料來源不受限、可存儲時間長、使用排放無污染。(1)氫內燃機工作原理與汽油內燃機原理類似。(長征系列火箭---液氫燃料)(2)氫氣代替部分煤氣，通過氫氣管道送往千家萬戶。氫儲能的作用部分代替化石能源5.1

氫儲能概述(1)氫氣用于工業合成氨。（世界上約60%的氫是用在合成氨上）(2)氫氣用于工業制備多晶硅。(3)在煉油工業中，燃料的精煉需要氫。石油煉制工業用氫量僅次于合成氨，主要用于石腦油、粗柴油、燃料油的加氫脫硫等方面。H2用于合成氨H2用于制備多晶硅據統計，目前全世界化學及煉油工業每年用氫量超過約5500億立方米充當化工原料5.1

氫儲能概述上游制備(1)化石能源重整制氫化石能源重整制氫是目前制氫的主流技術，可分為煤氣化制氫、天然氣水蒸氣重整制氫、重油制氫。優點：技術成熟，可大規模制氫。缺點：碳排放量高，產氫含雜質多。氫儲能的主要環節5.1

氫儲能概述(2)電解水制氫目前只占了制氫總量的約4%。優點：沒有任何溫室氣體的排放，制備的氫氣純度高。缺點：成本及能耗高。主要原因是電價高，占總成本的約70%。潛力：新能源裝機“棄風棄光”電能的消納及電價的下降，制氫成本有望在未來下降。5.1

氫儲能概述(3)新型制氫技術生物質制氫優點：使用太陽光直接制氫。缺點：僅限于實驗室規模，離實際應用還有一定的距離。光催化制氫可分為發酵制氫和熱分解制氫。優點：資源量大，分布廣泛，整個生命周期為零CO2排放5.1

氫儲能概述(1)高壓氣態儲運特點：簡便易行、成本低、充放氣速度快、在常溫下可以進行，技術比較成熟，是目前較常用的一種儲氫技術。先將氫氣加壓后裝在高壓容器中，其運輸方式是使用用牽引卡車或船舶進行較長距離的輸送。中游儲運5.1

氫儲能概述(2)低溫液態儲運特點：液氫儲存體積能量密度大，適用于儲存空間有限的場合。液氫的運輸通過在汽車、船舶或者飛機上配備低溫絕熱槽罐進行運輸。(3)固態儲運特點：工作壓力低、系統體積小、放氫純度高；但也存在質量儲氫密度低、使用成本高、吸放氫有溫度要求等問題。目前處于小規模試驗階段，尚未產業化。5.1

氫儲能概述(1)氫能的利用形式直接燃燒，即利用氫和氧發生反應放出的熱能；通過燃料電池轉化為電能，即利用氫和氧在催化劑作用下的電化學反應直接獲取電能；化學反應，即在化工等行業中利用氫的還原性質。下游應用5.2氫氣制備與純化氫氣制備原理(1）煤氣化制氫基本原理化石能源重整制氫水蒸氣轉化反應水煤氣變換反應

(5-1)(5-2)以煤或煤焦為原料、以水蒸氣作為氣化劑，在高溫高壓下進行化學反應將原料中的可燃部分轉化為氫氣5.2氫氣制備與純化工藝流程煤炭經過干燥后，煤分子在高溫下發生熱分解反應，煤黏結成半焦;半焦則在更高溫度下與通入氣化爐的氣化劑發生化學反應生成粗煤氣;凈化粗煤氣;CO變換--水煤氣變換反應;提純得到H2產品。5.2氫氣制備與純化(2)天然氣水蒸氣重整制氫基本原理制備合成氣反應水煤氣變換反應

(5-3)(5-4)天然氣中的主要成分為甲烷（CH4），工業上常采用水蒸氣與CH4反應，先生成合成氣，再經化學轉化與分離，制備氫氣。

由甲烷的分子式可以看出，它是氫原子質量占比最大的化合物，故理論上通過氣化反應消耗1molCH4產生的H2要比消耗1molC產生的H2多。5.2氫氣制備與純化工藝流程合成氣制備水煤氣變換CO2分離CO精脫除5.2氫氣制備與純化例5-1在天然氣水蒸氣重整制氫中，假設水蒸氣轉化過程需要燃燒相當于1/3原料氣的燃料來為反應提供熱能。若將制氫原料與燃料氣統籌計算，試問每生產1tH2，大約放出多少CO2。解：由式(5-3)、(5-4)及題意可知，該反應過程可表示為

由上述反應方程式計算可知，在上述條件下，每生產1t氫氣，大約放出的CO2為7.3t。在實際中，由于氣體分離、天然氣開采、基建等過程均有碳排放的存在。據折算，以此方法每生產1tH2，釋放出的CO2可能達到10-11t。5.2氫氣制備與純化(3)重油制氫基本原理化石燃料中，通常不直接用石油制氫，而是用石油初步裂解后的產品，如重油制氫。重油是原油提取汽油、柴油后的剩余重質油。重油制氫的典型部分氧化反應方程式如式(5-5)、(5-6)、(5-7)所示，該反應過程在一定的壓力下進行，重油制氫可選擇不使用催化劑，反應溫度控制在1150–1315℃

(5-5)(5-6)(5-7)5.2氫氣制備與純化工藝流程工藝流程主要有油氣化生成合成氣。得到以CO、H2為主的合成氣。耐硫變換將CO變為H2

和Com。重油氣化產生的合成氣含有硫。低溫甲醇去雜。去除上述酸性氣體。PSA純化。5.2氫氣制備與純化電解水制氫的原料為水和電能，產物沒有任何溫室氣體的排放，且制備的氫氣純度較高，易與燃料電池聯用，故電解水制氫有巨大的市場潛力及應用前景。根據系統組成結構，電解水制氫可以分為酸/堿溶液電解制氫、質子交換膜（PEM）水電解制氫、高溫固體氧化物（SOEC）水電解制氫三類。表5-3三種電解水制氫方法的比較電解類型酸/堿性電解PEM電解SOEC電解電解質H2SO4/KOH水溶液質子交換膜固體氧化物電解質電流密度(A/cm2)<0.81-40.2-0.4工作溫度℃≤90≤80≥800操作壓力kPa100-3000100-30000——氫氣純度%≥99.8≥99.99——電耗(kWh/Nm3)4.5-5.54.0-5.0——系統壽命h>100000>40000——技術成熟度充分產業化初步商業化初期示范電解水制氫5.2氫氣制備與純化(1)電解水制氫的基本原理酸/堿溶液電解制氫酸/堿溶液電解制氫的裝置如圖所示，一個電解池主要包括四個部分：陽極、陰極、電解液、隔膜。陽極和陰極的表面分別負載析氧和析氫的催化劑來加速水的分解。當在陰陽兩極表面施加外部電壓時，水分子就會分解生成H2和O2，水的分解可以劃分為兩個半反應，即水的氧化反應和水的還原反應。5.2氫氣制備與純化酸性水電解制氫體系

堿性水電解制氫體系

酸性電解質易腐蝕電解槽，且需使用質子交換膜，目前工業中不常用該體系。堿性電解水制氫技術較為成熟，優點是使用壽命長，不足有工作電流較小、需要進行壓力平衡的設計、使用便捷性有待提高。5.2氫氣制備與純化質子交換膜（PEM）水電解制氫水從陽極區通入電解槽并氧化成為O2，質子則以水合質子的形式通過電解槽中間的質子交換膜，隨后在陰極處還原成為H2。PEM電解制氫技術具有以下特點：膜既傳導離子質，又能隔離氣體；膜有單向導通作用，避免了串氣；氣體產物純度高；電極間距減小，減小了電解槽的尺寸；工作電壓和能耗低；省去冷卻系統，裝置的體積和重量小；純水作為電解液，避免腐蝕。

PEM目前的問題主要在于成本高。由于其陽極和陰極使用貴金屬催化劑，且質子交換膜也較為昂貴。5.2氫氣制備與純化高溫固體氧化物（SOEC）水電解制氫陰極和陽極的半電池反應分別為

SOEC電解具有理論優勢：高的工作溫度能顯著降低陰極和陽極的過電位，減少電解過程中的能量損失；電解質的離子電導率隨溫度的升高而增加。SOEC使用的固體電解質通常為Y2O3、ZrO3。但由于技術成熟度還不高，SOEC目前僅處于初期示范階段。5.2氫氣制備與純化(1)生物質制氫生物質發酵制氫的基本原理藍綠藻產氫:在光照、厭氧條件下通過光合作用分解水產生氫氣和氧氣。在這一光合系統中，包含兩個光合作用中心：光合作用中心PSII：接收太陽光分解水產生H+、電子和O2。光合作用中心PSI：產生還原劑用來固定CO2。光解有機物產氫:缺少藻類中起光解水作用的PSII，因此進行不產氧光合作用

新型制氫技術5.2氫氣制備與純化發酵細菌產氫:在黑暗、厭氧條件下分解有機物產生氫氣。途徑一：甲酸氫解酶系統催化。在無氧或低氧環境下，生物質被加熱升溫引起分子分解的過程。反應可歸納為：途徑二：NADH的再氧化產氫。生物質化工熱裂解制氫的基本原理

5.2氫氣制備與純化(2)光催化制氫光催化制氫的基本原理反應原理（以TiO2為例）光催化技術是指在光催化劑的作用下，利用光子的能量進行化學反應的技術。利用光催化技術分解水制氫是將低密度太陽能轉化為高密度化學能的過程。

5.2氫氣制備與純化光催化制氫材料光波長足夠小時，光子具有的能量較高，可以直接分解水。若要實現到達地球表面的太陽光制氫，需要借助半導體光催化材料。適合作為光解水催化劑的半導體材料需要具備以下條件:半導體禁帶寬度需大于水分解的最小帶隙（約1.23eV）;半導體材料的導帶電位比氫電極電位稍負一些，同時價帶電位則比氧電極電位稍正一些。5.2氫氣制備與純化氫氣純化原理氫氣純化技術可以分為物理法、化學法、膜分離法三大類物理法PSA法低溫分離法化學法催化脫氧法金屬氫化物分離法膜分離法鈀金屬膜擴散法聚合物膜擴散法技術原理原料氣純度%回收率%生產規模技術缺點變壓吸附法固體材料對氣體混合物的選擇性吸附任何富氫氣體99.999970-85大吹掃過程有氫氣損失，影響回收率低溫分離法隨著溫度降低，沸點不同的氣體冷凝順序不同石化廢氣90-9895大必須進行預處理去除CO2、H2S和H2O催化脫氧法雜質氣體與氫氣在催化條件下反應氫氧氣體99.99999小-大多用于電解水純化，催化劑易失效金屬氫化物分離法氫與金屬反應生成氫化物純氫99.999975-95中小回收材料易失效金屬膜擴散法氫選擇性擴散穿過金屬膜任何含氫氣體99.999999小-中含硫化合物及不飽和烴會降低滲透效率聚合物膜擴散法不同氣體通過薄膜的擴散速率不同氨吹掃氣92-9885小-大He、CO2和H2O也可能透過薄膜5.2氫氣制備與純化固體材料對于氣體具有選擇吸附性，且吸附量隨壓力的變化而改變。變壓吸附法的原理及特點在較高壓力下，氣體中易被吸附的組分被吸附在吸附劑上，而不易被吸附的組分則從流氣床口流出；(1）基本原理(2）基本過程通過抽真空等方法使吸附劑解吸再生；加壓，使吸附劑達到吸附壓力，以便進行下一次吸附。(3）特點工藝流程簡單、能耗低、產品純度高、耐久性好、裝置可靠性高。產品回收率過低，一般只有75%左右。5.2氫氣制備與純化在恒壓下逐步降低混合氣體的溫度，隨著溫度的降低，沸點高的雜質氣體會先冷凝，而由于氫氣的沸點較低，不會先冷凝，從而實現分離。低溫分離法的原理及特點(1）基本原理(2）基本過程首先除去混合氣體中CO2、H2S、H2O等雜質;隨后降溫。(3）特點氫氣的回收率較高。工藝流程需要使用氣體壓縮機及冷卻設備，導致提純能耗較高。5.2氫氣制備與純化在有催化劑的條件下，H2與雜質氣體發生化學反應來實現提純.催化脫氧法的原理及特點(1）基本原理(2）分類采用貴金屬催化劑，利用H2和O2反應首先生成水，隨后使用分子篩吸水。(3）特點純化原理及操作簡單、設備成本也相對較低。去除雜質氣體會產生H2O和CO，導致化學反應催化劑易失活。采用Cu、Mn、Ag等金屬作為還原劑，再利用金屬的氧化還原反應去除氧。5.2氫氣制備與純化儲氫合金在降溫升壓時可以吸收氫，而在升溫減壓時可以釋放氫。因此儲氫合金也可以被用來純化氫氣。金屬氫化物分離法的原理及特點(1）基本原理(2）基本過程催化劑的作用下，氫分子首先分解稱為氫原子;氫原子擴散到合金晶格內的間隙中；(3）特點氫純度高、操作簡單、能耗低。純化材料失活，氫處理量較小，提純能耗較高。當對合金進行加熱時，氫原子被晶格釋放后結合成為氫氣分子，且純度可達99.9999%。5.2氫氣制備與純化一定溫度下，鈀幾乎阻擋了其他所有氣體，只允許氫氣透過。金屬膜擴散法的原理及特點(1）基本原理(2）特點產出氫氣純度高、氫氣回收率高、幾乎沒有氫氣損耗、鈀合金膜抗雜質氣體的毒化能力強；生產成本高，同時其透氫速率過低，導致產量小，因此限制了其大規模工業應用。5.2氫氣制備與純化一定壓力下，不同氣體通過聚合物膜的擴散速率不同，從而實現分離氫氣。聚合物膜擴散法的原理及特點(1）基本原理(3）特點操作簡單、適用范圍較為廣、氫氣回收率較高；回收壓力較低；一般可以與變壓吸附法或低溫分離法聯合使用，從而產生最好的效果。(2）發展歷程1965年，杜邦公司使用聚合物膜；1979年，孟山都公司研制出中空纖維膜分離器；5.3氫氣儲存氫相圖氫的三相共存溫度為13.803K，在1bar的壓強下，氫的沸點為20K，因此，在常溫常壓下，氫為氣態。減小氫分子間的鍵合作用從而減小分子間斥力，可實現氫密度的增加。增加氫密度的本質氫儲存的分類高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫和固態儲氫氫儲存的特點氫的密度為0.089kg/m3，而儲存能量含量與汽油相當的氫氣，所需容積為汽油的3000倍。通過增加氫的密度進一步減小氫的儲存體積是增加其儲存效率的重要手段。5.3氫氣儲存高壓氣態儲氫原理(1）理想氣體狀態方程氫氣高壓存儲原理(5-17)(5-20)

(2）理想氣體狀態方程的修正

(5-18)

(5-19)(3）簡化的氫氣狀態方程

5.3氫氣儲存高壓氫氣的儲存容器高壓儲氫容器技術的發展先后經歷了金屬儲氫容器、金屬內襯環向纏繞復合儲氫容器、金屬內襯環向加縱向纏繞復合儲氫容器、螺旋纏繞容器以及全復合塑料內襯儲氫容器等階段。(1）金屬儲氫容器基本要求抗氫脆常用材料奧氏體不銹鋼、銅、鋁特點有易加工、成本低的優點。單位質量儲氫密度比較低。5.3氫氣儲存(2）纖維纏繞金屬內襯復合材料高壓儲氫容器基本結構內襯是金屬材料，內襯外部被纖維材料纏繞，固化后形成復合增強結構。常用材料金屬內襯多使用鋁合金材料，纏繞層的纖維材料有碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維。基本要求金屬材料需要有較強的抗氫滲透能力和抗疲勞能力，纖維材料主要起承受外載荷的作用，故可使用不同的纖維纏繞方式提高承載能力。在容器的最外側具有緩沖層，緩沖層避免了容器容器功能和形態損傷。5.3氫氣儲存(3）全復合塑料儲氫容器設計初衷為了減輕儲氫容器的自重，提高單位質量儲氫密度，同時降低成本。(4）金屬內襯和塑料內襯復合材料高壓儲氫容器的比較

鋁內襯塑料內襯優勢(1)結構無縫隙可防止滲透。(2)在很大的溫度范圍內都穩定，可耐氣體泄壓時的高溫降。(3)抗損傷能力強。(1)成本比金屬內襯低。(2)高壓循環壽命長。(3)塑料內襯較金屬內襯的耐腐蝕性好。劣勢(1)鋁內襯成本較高。(2)研發新規格內襯的周期過長。(1)接頭處易發生氫氣泄漏。(2)抗外力能力較金屬內襯低。(3)有氣體滲透的可能性。(4)內襯與復合材料黏結不牢，容易脫落。(5)塑料內襯對溫度敏感。(6)塑料內襯剛度低。5.3氫氣儲存低溫液態儲氫原理(1）正-仲氫轉化氫氣液化的原理正氫向仲氫的轉變是一個放熱過程，其放出的熱量和所處環境溫度有關，一般來說，所處的環境溫度越低，其轉化反應放出的熱量越多。正氫向仲氫轉化所放出的熱量大于液氫的蒸發潛熱。因此，在氫氣液化的過程中，人們希望增加正氫向仲氫轉化的速度及數目，盡快使液氫中的正氫分子達到最少。5.3氫氣儲存(2）Joule-Thomson效應和Joule-Thomson系數Joule-Thomson效應在等焓條件下，當高壓氣流被強制通過一個多孔塞、狹縫或者小管口后，由于氣體體積膨脹后壓力減小，因此產生氣體溫度變化的現象。當氣體通過節流閥后，溫度可能升高也可能降低。在常溫常壓下，大多數氣體通過節流閥后溫度會下降，稱為制冷效應；但是在常溫常壓下氫、氦等少數氣體經節流膨脹后溫度反而升高，產生致熱效應。因此，在常溫常壓下不能利用Joule-Thomson效應對氫氣進行冷卻液化。5.3氫氣儲存Joule-Thomson系數(μ)表達式

(5-22)等焓條件下溫度隨壓力的變化率(3）Joule-Thomson轉化曲線和轉化溫度

5.3氫氣儲存(4）氫氣液化的方法林德法該系統依賴Joule-Thomson效應進行液化，通常需要先將氫氣壓縮。同時為了使氫氣進行Joule-Thomson膨脹時能夠降溫，需要將初始溫度降到氫氣轉變溫度(1bar，200K)以下。因此，林德法使用液氮(溫度約為77K)作為冷源。林德法裝置簡單，但效率較低。5.3氫氣儲存氦氣布雷頓法壓縮氦氣首先經過液氮預冷后進行膨脹透平，氦氣透平后產生了大量冷量，該冷源在換熱器中用于對氫氣進行降溫。而氫氣首先經過液氮的預冷卻，隨后進入換熱器中獲取氦氣透平的冷源而進一步冷卻。此時氫氣溫度已經足夠低，再進行Joule-Thomson膨脹進行液化。氦主要用作制冷劑，液氮預冷用于減少壓縮機的工作量。5.3氫氣儲存克勞德法氫氣被壓縮后經液氮預冷，隨后進入熱交換器，在熱交換器之間具有透平膨脹機，一部分氫氣經過膨脹透平后，產生很大的冷量，該冷量用于冷卻其他氫氣。當氫氣的溫度足夠低時，進行Joule-Thomson膨脹液化。在此工藝中，液氮用于預冷，可提高液化率。一般不用透平膨脹機進行冷凝，因為液化物質可能會損壞透平膨脹機的葉片。克勞德法經濟性好。氫本身是制冷劑，故其在循環過程中保有量大。目前大規模生產液氫常用克勞德法。5.3氫氣儲存(1）液氫儲罐的結構設計液氫存儲技術液氫蒸發損失量與儲罐表面積和容積的比值(S/V)有關，S/V越大，則蒸發量越大。形儲罐的應力分布較為均勻，因此可以有更高的機械強度，但球形儲罐的加工較為困難，造價也比較高。目前常用圓柱形的液氫儲罐。5.3氫氣儲存例題忽略容器的壁厚，試問同樣容積的球形和立方體儲罐，哪種儲罐的蒸發損失量小。若對于絕熱真空球形儲罐來說，當容積為50m3時，蒸發損失為0.4%；試求容積為1000m3和19000m3時，蒸發損失約為多少。解：設球形儲罐的半徑為r，立方體儲罐的邊長為a，根據題意

球形儲罐的蒸發量A1

立方體儲罐的蒸發量A2

則：

因此，球形儲罐的蒸發損失量小。由于蒸發損失量與容器表面積和容積的比值(S/V)成正比，容積為1000和19000m3時，蒸發損失大約為0.15%和0.055%。5.3氫氣儲存(2）液氫設備的絕熱技術常規外絕熱將密度低、熱導率小的材料覆蓋在儲罐表面達到絕熱效果。通過在絕熱夾層空間抽高真空，減少對流與傳導換熱。高真空絕熱真空粉末絕熱基本原理是在真空夾層中填充導熱率小的材料，以減少對流傳熱。高真空多層絕熱在真空夾層中填充導熱率小的材料，以減少對流傳熱。低溫冷屏絕熱在真空夾層中設置冷屏。冷屏使用液氮或低溫液體蒸發的冷蒸氣進行冷卻。5.3氫氣儲存固態儲氫原理(1）物理吸附儲氫的基本原理物理吸附儲氫碳材料儲氫物理吸附基于吸附材料和氫分子之間弱的范德華力。(2）物理吸附儲氫材料活性炭吸附儲氫活性炭是一種具有高比表面積的無定形碳，內部豐富的孔隙結構使其具有良好的吸附能力。此外，活性炭材料還具有化學性質穩定(耐酸堿、耐高溫)、機械強度高、可再生使用的特點。5.3氫氣儲存碳纖維吸附儲氫碳纖維的微觀表面是分子級細孔，而內部是中空的，管直徑大約為10nm，比表面積很大，當H2從碳纖維表面進入內部時可以在這些孔中凝聚，因此具有超級儲氫能力。碳納米管吸附儲氫碳納米管的直徑一般為2–20nm。由于碳納米管的微觀結構在一個維度方面較大，因此被視為是一種一維納米材料。5.3氫氣儲存金屬-有機骨架材料儲氫金屬有機骨架材料(MOFs)是一種微孔網絡結構的配位聚合物，它由金屬離子與含氧、氮等的多齒有機配體自組合形成。MOFs材料的比表面積大、孔隙率高、孔結構可控、化學性質穩定，其具有固態儲氫的潛力。5.3氫氣儲存(1）化學吸附儲氫的基本原理化學吸附儲氫碳材料儲氫化學吸附儲氫的過程為金屬首先通過物理作用將氫分子吸附在表面，然后被吸附H原子逐個擴散進入金屬晶胞中（通常進入晶胞的間隙位置），進入晶胞中的氫原子通過和金屬原子鍵合形成固溶體或有序的氫化物結構，以此實現氫的儲存。(2）化學吸附儲氫材料金屬單質金屬鎂儲氫的吸氫過程極易發生，吸氫后形成穩定的化合物MgH2，并放出大量的熱；但是其缺點在于放氫溫度高，放氫動力學差。金屬鈦也可以與氫形成穩定化合物，該化合物為TiH2，是一種暗灰色粉末或結晶。5.3氫氣儲存合金鎂系A2B型儲氫合金的典型代表是Mg2Ni，其理論儲氫容量可達到3.6%。TiFe合金儲氫材料的優點為：在室溫下能可逆地吸放氫，且形成氫化物后僅需幾個大氣壓即可分解；但TiFe合金需要活化后才能達到其最佳儲氫效能，其活化較為困難。儲氫合金能夠在一定的溫度和壓力條件下，吸收氫氣生成金屬氫化物，若將其加熱，金屬氫化物又能夠分解，將氫氣放出。Zr系AB2二元合金中，A原子和B原子的半徑之比接近1.2，因而形成密堆排列的Laves相結構，故該類合金也被稱之為AB2型Laves相合金。在合金中A原子和B原子相間排列，其晶體結構具有很高的對稱性及致密度。5.4氫儲能應用燃料電池(1）陽極：燃料H2發生氧化反應，放出電子基本反應(5-23)(5-25)

(2）陰極:電子和從穿過電解質的質子一起將O2還原成水

(5-24)(3）總反應

5.4氫儲能應用(1）放熱反應：反應熱(5-26)(5-29)

(2）反應熱計算：

(5-27)(3）反應熵

(5-28)

(5-30)5.4氫儲能應用(1）電功可以用電荷與電勢表示：理論電勢(5-31)

(2）消耗1mol氫，轉移的總電荷：

(5-32)(3）例題：已知25℃時，H2O(l)的標準摩爾生成焓和標準摩爾生成吉布斯函數分別為-286kJ/mol和-237.3kJ/mol。計算在氫-氧燃料電池中進行下列反應時，電池的電動勢。

解：燃料電池中產生的最大電能對應于吉布斯自由能，即由式(5-31)可得，燃料電池的理論電勢為

5.4氫儲能應用(1）能量轉換效率的定義理論效率(2）燃料電池的最大可能效率輸出能量與輸入能量之比

(5-34)上述燃料電池的能量轉換效率是將氫的高熱值作為輸入能量計算得到的。若以氫的低熱值作為能量輸入，燃料電池的效率將表示為。

(5-35)5.4氫儲能應用(1）工作溫度與電勢工作溫度(3）燃料電池熱量的排出一般情況下，工作溫度越高，燃料電池的電勢越大。常見燃料電池的最佳工作溫度在80℃左右，在該工作溫度以上，可能會使燃料電池的性能下降。它甚至可以在低于0℃的條件下工作，只是該條件下不能達到其最大額定功率。(2）常見燃料電池的工作溫度為了使燃料電池在合適的溫度條件下工作，需要將多余的熱量排出系統。熱量排出一般使用表面傳導、對流耗散及外加循環系統冷卻的方法。5.4氫儲能應用(1）效率高于熱電裝置燃料電池的特點(3）低排放或零排放(2）發電規模可調(4）構成模塊化(5）工作無噪聲燃料電池是化學能直接轉化為電能，不受卡諾循環限制，且在相對低的溫度下也有更高的發電效率。發電規模可大可小，應用