储氢合金：新能源材料的前沿技术

伴随着世界经济的快速发展和全球人口的不断增长，世界能源的消耗也在大幅上升。以煤、石油、天然气等为代表的化石能源是当前的主要能源，但化石能源属于不可再生资源，储量有限，而且化石能源的大量使用，不仅加速了温室效应，还造成了越来越严重的环境污染。因此，可持续发展的压力迫使人类去寻找更为清洁的新型能源。

1.前景广阔的氢能

①氢气是一种高热值燃料，燃烧1kg氢可放出142MJ的热量，可替代3kg汽油，比任何化学燃料的发热本领都大。而且氢燃烧性能好，与空气混合时有广泛的可燃范围。

②氢气在所有气体中的导热性最好，比大多数气体的热导率高出10倍，因此，在能源工业中，氢是良好的热载体。

③氢是组成水的主要元素，而水在地球上广泛分布，所以说氢元素是自然界中普遍存在的元素。据推算，如果把海水中的氢全部提取出来，则它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大9000倍。

④氢是一种绿色能源，燃烧产物是水，无毒无害，且生成的水还可以继续制氢，反复循环使用。

⑤氢可以以气态、液态或固态氢化物的形式存在，已适应不同环境的要求。在-252.7℃的低温条件下，氢可以变成液体，若将压力增大到数百个大气压，则液氢就可变为固体氢。氢能的应用如图11.15所示。

图11.15　氢能的应用

由此可见，氢能是21世纪最有前途的绿色能源之一。然而，氢能的开发利用需要克服种种技术难题。氢能体系主要包括氢的生产、储存和运输、应用3个环节。其中，氢能的储存是关键，也是目前氢能应用的主要技术障碍，这直接制约了氢能的开发利用。

2.传统的储氢方式

传统的储氢方式有高压气态储氢和低温液态储氢，但两者均有明显的缺点。

（1）高压气态储氢

常压下，氢气的密度仅为0.0899g/L，体积能量密度很低，因此，必须对其施以高压以提高体积能量密度。高压气态储氢就是将氢气加压到70MPa，并储存在耐压气罐中。但是，这种方式需要使用耐超高压复合材料来作储氢容器，然而，储存的氢气重量还不及气罐的1%。同时，在运输和使用的过程中也存在易爆炸的安全隐患。

（2）低温液态储氢

常压下，氢气必须降温至-252.7℃时才能变成液体，并需要有绝热条件极好的储存容器和运输管道进行保护。这种方法价格昂贵，工艺也较为复杂。

下面介绍的储氢合金具有良好的性能，是未来氢气储存的重要手段。

3.储氢合金

（1）认识储氢合金

储氢合金是指在一定的温度和氢气压力下，能可逆地大量吸收、储存和释放氢气的金属化合物。储氢合金能在一定温度和高于平衡分解压的压力下大量“吸收”氢气，而如果把金属氢化物加热，其又会发生分解，把储存的氢以高纯氢气的形式在比平衡分解压小的压力下释放出来。经计算，相当于氢气瓶重量的某些金属，就能“吸收”与气瓶储氢容量相等的氢气，而它的体积却不到氢气瓶体积的1/10。

储氢合金的储氢密度高、安全性好、适于大规模氢气储运，其最重要的特性是能够可逆地吸、放大量氢气。

（2）储氢机理简介(www.xing528.com)

氢是一种很活泼的化学元素，可以和很多金属反应，生成金属氢化物，总反应式为

其中，M为金属，该反应是一个可逆过程。在一定的温度和高压下，正向反应发生，一个金属原子可与2～3个乃至更多氢原子结合，形成稳定的金属氢化物，同时放出一定的热量；如果对金属氢化物加热或减压，则逆向反应将发生，金属氢化物分解并吸收一定的热量；改变温度与压力条件可使反应按正向、逆向反复进行，从而实现材料吸收和释放氢气的功能。

虽然纯金属可以大量吸氢，但为了便于使用，一般要通过合金化来改善金属氢化物的吸、放氢条件，从而使金属在容易达到和控制的条件下吸、放氢。因此，一般的金属储氢材料为合金储氢材料。

4.储氢合金的应用

（1）镍-氢化物二次电池的负极材料

镍-氢化物二次电池因其容量大，且可大电流放电，无记忆效应等特点，已开始取代传统的镍镉电池而被广泛应用于移动通信、仪表、检测设备、应急电源等场合。储氢合金作为镍-氢化物二次电池的负极材料，既是电池制备的关键材料，也是目前储氢合金应用最成熟的领域。

目前国内外应用最广泛的是稀土系的ABC型合金；另一类已实用的是AB2型Ti-Zr-VNi-Cr系合金，利用储氢合金作为电池的负极，其做成的二次电池在移动手机、手提电脑、电动汽车和空间技术等领域有重要的应用。

目前国内仍有相当大的镍镉电池用量。我国对环境越来越重视，废除镍镉电池已势在必行，所以对储氢合金二次电池的应用将会越来越受到重视。

（2）车载储氢系统

通过储氢合金所储存的氢气作为燃料替代汽油驱动汽车，这种车没有CO2的排出，是一种真正无公害的汽车。另外也不受石油价格的影响，没有资源枯尽的问题。储氢合金储氢的最大优势在于高的体积储氢密度和高度的安全性，这是由于氢在储氢合金中以原子态方式储存的缘故。氢气的储存方法有多种，但从图11.16（1bar＝100kPa）中我们可以明显地看出，通过储氢合金来储存氢气，大大节省了空间，提高了效率。因此，储氢合金在汽车上的应用，被视为是将来汽车发展的方向。

图11.16　不同材料储存同样的氢气所需体积

（3）热能系统及其他领域的应用

利用储氢合金吸、放氢过程的热效应，可将储氢合金用于蓄热装置、热泵（制冷、空调）等。储氢合金蓄热装置一般可用来回收工业废热，用储氢合金回收工业废热的优点是热损失小，并可得到比废热源温度更高的热能。日本化学技术研究所试验开发的蓄热装置主要由两个相互联通的蓄热槽A和B组成，蓄热槽内填充Mg2Ni合金，废热源来的热加热蓄热槽A内的Mg2Ni合金，放出的氢流向蓄热槽B并储存起来，实现蓄热，氢反向流动则放热，其蓄热容量约4360kJ，可有效利用300～500℃温度范围内的工业废热。利用储氢合金蓄热的关键是根据废热温度、合金吸放氢压力及热焓等选择合适的储氢合金。储氢合金热泵工作原理是，已储氢的合金在某温度下分解放出氢，并把氢加压到高于其平衡压然后再进行氢化反应，从而获得高于热源的温度。热泵系统中同样有两个填充储氢合金的容器，但两个容器内填充的储氢合金的种类不同。用储氢合金热泵制冷或做空调效率高、噪声低、无氟利昂污染。储氢合金还可用于制备金属粉末、反应催化剂以及利用金属氢化反应中压力—温度的变化规律制作热压传感器等。

5.储氢合金的前景展望

虽然目前已研究的储氢合金的种类繁多，但是技术成熟并且广泛应用的却很少，主要还是稀土系ABS型合金。因此应加强金属氢化反应的热力学与动力学、合金组织结构等基础理论的研究，针对不同的应用条件开发出性能好、成本低、实用的储氢合金新品种。

依据储氢合金应用技术研究的需要，未来有如下4点可能的发展方向。

①储氢合金的高性能储氢合金结构、形态与性能之间的相关性研究，并结合纳米技术、合金技术等相关学科、相关专业的发展，研制出性能更优异的储氢合金。

②向更轻的元素，如Li、B或混合轻元素方向发展，以提高储氢密度。

③开展氢能发电的探索，为解决全球性石油燃料危机提供替代能源。

④发展实用性储氢合金的大规模生产技术，降低成本，扩大其应用范围。