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氢能储运关系氢能产业未来: ciccasduanhq 2019-6-10 18:03; 从能源“生产 - 消费”角度，“采 - 制 - 储 - 运 - 加 - 用”构成了一个完整的能源产业供需体系。运输在整个能源供应链中占有很大比重，并发挥关键作用。石油企业成功的做法是把复杂的炼油过程即生产柴油、汽油工厂都放在上游；成品油通过运输至下游；下游终端加油站设备与操作非常简单，按标准化“复制”建设非常容易，从而实现加油站遍地开花；燃油车加油也非常方便。石油公司通过终端加油建筑与设备占领了柴油、汽油终端市场。良好的氢能运输与氢能网络是氢能产业发展的必要基础条件。随着氢能产业的兴起，未来“氢能社会”必然要实现制氢、储氢、运氢、加氢、耗氢每一个环节相互循环与快速匹配才有意义。北京奥运和上海世博各自尝试了两种类型氢能供应方案。其一，站内制氢供氢加氢， 2008 奥运会北京永丰加氢站的工艺流程：产 H2 原料（天然气） → 站内制氢 → 经压缩机加压 → 站内储气瓶组 → 加氢机 → 对氢燃料电池汽车加 H2 。整个示范工程占地 4000m2 ，制氢原料是管网天然气，站内制氢技术要求高，制氢和加氢两种设备组合占地面积大。其二，外供氢加氢， 2010 年上海世博会安亭加氢站的工艺流程：从外面制氢工厂用储氢瓶拖车运来的 H2→ 卸气 → 压缩设备二次加压 → 站内储气瓶组 → 加氢机 → 对氢燃料电池汽车加 H2 。这两个典型尝试，与常规加油站相比，占地面积都比较大，所涉及的设备多、操作复杂，工艺步骤和规格不能统一，难以大规模复制。氢的质量能量密度高，大约是汽油的 3 倍；但体积能量极低，常温常压下比汽油低 4 个数量级。氢还具有易燃易爆特点，爆炸极限浓度为 4.0%-75.6% （体积浓度），同时在高压下容易使材料发生氢脆。这些固有物性使得氢的运输和储存十分不便，成为氢能产业一个比较棘手的问题。目前最为常用的氢气储运技术是高压气态储氢，储运工作压力一般达到 120-150atm ，甚至高达 200 atm 。高压气态储氢的优点是应用比较灵活、充放速度快，且在常温下就可以操作。主要缺点是需要配备高强度耐压容器，并且需压缩才可储存，但压缩过程中将消耗大量能源。此外，耐压容器在存储氢气时易被腐蚀，存在泄漏和爆破等风险，并且气态储氢能量密度较低，只有 4.4 MJ/L ，远低于汽油 31.4 MJ/L 的能量密度。低温液态储氢（液化氢气密度为常温下的 845 倍，氢气液化储存需要达到超低温 -253 ℃）最大优势是质量储氢密度相对较高，按照目前的设备水平低温液氢储运中密度能可以超过 5wt% 。但液态氢气容易蒸发损失（氢液化所需能量为液化氢燃烧产热的 30% ）并且储运过程中需要配套低温设备，需要极好的绝热装置来隔热造成成本高企。液氢在大型储罐中储存时容易出现热分层，可能发生液氢爆沸，使储罐爆破。这种方式现阶段主要用于军事和航天，民用领域较难接受。欧洲 Natural Hv 项目、荷兰 VG2 项目、德国 DVGW 项目以及美国 DOE 实施的氢能管道研究发展工程等均在尝试一种新的储运氢手段——掺氢天然气管道输送。利用现有的天然气管道进行改造升级，使其能够输送氢气，是氢能快速推广的一种捷径，虽然解决了安全性问题（据了解己有管道达到掺氢 20% 左右，仍能保证安全性），但是由于天然气目前储量丰富，现阶段只需要支付开采成本，氢气没有价格优势，氢气通过天然气管理完成渗透乃至普及存在较大阻力。在一定温度和压力条件下，金属捕捉氢原子，生成稳定的金属氢化物。之后，通过加热的方式激发金属氢化物，使金属氢化物分解，从而使氢气从中释放出来。这些能够吸收并释放氢的金属，被称为储氢合金。储氢合金的优点是相对于上述气态和液态储氢有较大的体积储存密度，其体积储氢密度最高可达到 50kg/m3 。而且储氢合金的安全性比上述两种方法好，即使遇剧烈撞击也不会发生爆炸。限制该方法的应用的缺陷主要是储氢合金自重过大，使其储氢质量密度均在 10% 以下。由于需要额外配套催化加氢脱氢设备，无论使用在氢能汽车或工业运输上都会由此造成较大负担，并且储氢合金经过多次冲放后，性质并不稳定，容易粉化，使用寿命均不理想。至于正在开发和技术验证中的有机物储氢、无机物储氢及其他储氢材料，如高比表面活性炭、石墨纳米纤维和碳纳米管、介孔氧化硅及金属有机架构（ MOFS ）等，目前均不太成熟，离商业应用尚远，现阶段不具备规模应用的可能。倒是将这些技术与材料与上述三种储氢方式结合使用，相互弥补缺陷，可以进一步提高储氢效率。科莱恩旗下的催化剂事业部与 Hydrogenious Technologies 公司开发了一种新型的氢储运方法，被认为是一种较为可靠、可扩展的、安全的供氢方案。他们将分子与液体有机氢载体（ Liquid Organic Hydrogen Carriers ， LOHC ）进行绑定。液态有机烃二苄基甲苯通过 Ele Max H 催化剂进行加氢反应，实现了储氢；采用 Ele Max D 催化剂发生脱氢反应，可按需释放氢气。科莱恩开发的这种催化剂活性高，优化了 LOHC 的使用寿命及效能。行业专家认为，键合氢的化合物不易爆、无毒、不易燃，类似柴油特性，不属于危险品，常压下，在 -39 ℃ ~390 ℃，其为液态，简单易用、运输便捷。相比较而言，这使得其操作灵活性，安装在工业场所以及商业和公共燃料加注点更加容易，甚至可将该类设备布置在居民区附近乃至居民区内。中国地质大学（武汉）可持续能源实验室利用不饱和芳香化合物催化加氢的方法，成功攻克了氢能在常温常压下难以贮存和释放这一技术瓶颈，实现了氢能液态常温常压运输。该方案克服了传统高压运输高成本、高风险的弊病，所储氢在温和条件下加催化剂释放后即可使用。储氢材料的技术性能指标超过了美国能源部颁布的车用储氢材料标准。实验室研究显示，储氢分子熔点可低至 -20 ℃，能在 150 ℃左右实现高效催化加氢，并在常温常压下进行储存和运输；催化脱氢温度低于 200 ℃，脱氢过程产生氢的纯度可高达 99.99% ，并且不产生 CO 、 NH3 等其他气体；储氢材料循环寿命高、可逆性强（ 2000 次）；质量储氢容量 5.5wt% ，体积容量 50kg(H2)/m3 。所用催化剂无需再生即可重复使用， 5 年内无需更新。业界认为该技术处于国际领先水平，并有可能引发氢能利用革命。目前，该技术方案及相关材料、装备在江苏氢阳能源有限公司中试与转化。氢能储运环节是制约氢能发展的最主要技术瓶颈。虽然加压压缩储氢、液化储氢、化合物储氢与储氢合金等技术均取得了较大进步，但储氢密度、安全性和储氢成本之间的平衡关系尚未解决，离大规模商业化应用距离。; 个人分类: 技术评论|4165 次阅读|0 个评论

储氢材料的发展挑战及研究方向: 热度 1 sciencepress 2015-9-29 08:26; 氢不仅广泛存在于各种与人的生活密切相关的化合物中，如水、碳氢化合物等，也是大量使用的重要工业原料。但是氢能的规模利用必须解决氢的制取、储存与输运、氢能转换等关键技术。发展高性能的储氢材料是解决氢的储存与输运的重要途径。氢的温度压力相图纯氢通常以气态方式存在，即两个氢原子结合生成一个氢分子（H₂）。标准状态下H ₂ 的密度为0.0899 kg/m 3 。由图可见，氢气在一个标准大气压下需冷却到－252.9℃(20.3 K)的低温下才能转变成液态，液氢的密度是70.8 kg/m 3 。而得到固态氢则需更－262℃的苛刻条件。储氢材料的研究和应用已走过半个世纪的历程，过去近50年的研究发展不仅使储氢材料的种类不断增加、性能不断提高，也使储氢材料得到越来越广泛的应用，产生了越来越广泛的社会影响和经济作用。其应用领域已涉及可充电电池、混合动力汽车、燃料电池、热泵、氢分离、核能等技术领域。目前储氢材料主要朝两个方向发展一是满足车载动力要求的储氢材料，即能够实现用氢取代传统的汽油等燃料的工作要求。我国目前的汽车保有量已超过1.2亿辆，各类机动车超过2亿辆。2011年机动车的氮氧化物排放量超过600万吨，占全国氮氧化物排放的四分之一。排放颗粒物62.1万吨，机动车排放污染已成为我国空气污染的重要来源，采用燃料电池对减少汽车污染排放作用巨大。如果按每辆汽车的氢燃料箱使用100 kg储氢材料，储氢材料需求将达数百万吨，这将形成巨大的产业。二是应用于智能电网系统中的储能和分布式发电，即通过电解制氢将电网用电低谷的剩余电能储存起来，在用电高峰并网使用，或是与太阳能、风能等配合，形成分布式能源供应系统。大规模使用智能能源网技术，对于节能减排意义重大。这种技术如果大规模使用，对储氢材料的需求不言而喻。 ▊ 利用氢能是未来的低碳社会和经济发展中的一个重要能源解决方案，储氢材料的发展前景十分广阔。部分氢化物的储氢性能给出了部分固态储氢材料的储氢容量和工作温度范围。一般而言，无论是采用哪种储氢方式，储氢装置应满足以下基本要求：① 储氢密度大（包括储氢质量密度和储氢体积密度）；② 满足使用要求的吸/放氢压力和温度；③ 良好的动力学特性，能较迅速并可控地吸氢、脱氢，满足使用装置的功率输出特性要求；④ 寿命长，在吸/放氢的反复循环中保持稳定的性能；⑤经济环保，在成本上与现有的能源装置相比具有经济竞争力。同时，在全过程中是环境友好的。然而，储氢材料发展面临的挑战也十分巨大。氢能要真正走向大规模的应用，储氢材料就必须满足前述应用要求。 ▊ 从储氢材料的研究历程可以看出，尽管近年来储氢材料在新体系创制、纳米调控、催化修饰、多相复合等方面的基础理论研究取得了巨大进展，但距真正大规模应用的要求还有很大的差距。具体体现在以下几个方面：首先，在性能上，目前已发展的储氢材料在性能上还不能完全满足应用系统的要求。由于热力学或动力学、或二者兼有的限制，储氢容量高的材料体系通常不能在适宜于实际应用的工作条件下吸氢和放氢。而能够在适宜条件工作的储氢材料，其储氢密度一般偏低，达不到储能密度的要求，这一点对于车载储氢特别重要。这里应该强调指出的是，不应片面追求储氢材料的高储氢容量，而是应该根据应用的具体要求，综合考虑储氢容量、工作条件、经济性等因素。轻质高压储氢罐的结构设计第三代高压氢气瓶采用铝合金做内胆，用碳纤维缠绕内胆以保证强度，第四代高压氢气瓶甚至采用了塑料内胆，以进一步减轻气瓶质量。其二，从经济性考虑，高容量储氢材料应该具有市场竞争力的价格，但目前开发出的许多高容量储氢材料体系的材料成本高昂或是材料合成的成本高昂，大规模使用显然还不现实。必须发展廉价的材料体系和材料合成方法。其三，从材料来源看，一旦大规模应用，储氢材料的用量将数以百万吨乃至亿吨计，因此，必须发展资源丰富且易于开采的材料体系。其四，目前仍有许多储氢材料的制备和再生涉及复杂的化学过程，从环境保护看，应使储氢材料在生产、使用和再生的全周期是环保无污染的，只有这样才是真正符合发展氢能的基本要求。其五，从储氢材料的工程应用看，储氢材料需装填在箱体中，组装成氢燃料箱，因此，储氢材料的物理状态参数，如传热传质、膨胀以及储氢燃料箱设计，对储氢系统能量密度和工作特性等至关重要。而对于许多新的储氢材料体系，这方面的积累很少。因此，储氢材料与系统集成的工程技术也是需要解决的重要挑战。世界各国特别是发达国家正积极开展工作，解决上述挑战，稳步推动氢能应用的发展。主要的研究努力可归结为以下几个方面：第一、金属与氢的键合作用的理论计算和氢化物的结构分析。由于新型高容量储氢材料的成分、结构较为复杂，在长期积累的半经验准则和大量的实验探索的基础上，十分需要发展金属与氢的键合作用和氢化物结构的理论计算方法，提高用理论指导新型高容量储氢材料设计的能力。第二、探索新氢化物体系并揭示其储氢机理，这样可能会导致发现新的储氢材料，从而更好地满足氢能应用的要求。金属有机框架（ MOFs）的结构示意图 MOFs 材料主要是以含羧基有机阴离子配体为主，或与含氮杂环有机中性配体共同使用，它们大多具有高的孔隙率和良好的化学稳定性，其孔结构易于控制，且比表面积大。基于这样的结构特点，MOFs有广泛的应用前景，如用于气体的吸附与分离、催化剂、磁性材料和光学材料等。另外，MOFs作为一种超低密度多孔材料，在存储甲烷和氢等燃料气方面有很大的潜力。第三、发展低维和纳米结构储氢材料并深入认识其储氢机理、纳米尺寸效应，使材料具有更高的性能。组织结构的纳米化能改变储氢材料吸/放氢反应的热力学和动力学性质已成为共识。研究组织结构的纳米化对储氢材料的热力学和动力学影响的规律和理论有重要意义。同时，如何保证低维纳米材料在吸/放氢过程中的结构稳定性也十分关键。第四、多相多尺度结构储氢材料及其反应机理。在多组元相构成的体系中，利用第二相对基体相储氢反应的催化作用，或是通过不同相之间的协同作用，对改变材料的储氢性能十分有效。因此，研究多相多尺度体系中组元相在储氢反应中的相互作用和机理将为探索高性能多相储氢材料提供重要的理论基础。第五、非可逆可控制氢储氢材料和氢源系统。非可逆储氢系统具备典型的氢“制储运”一体化特征，在车载氢源和便携式氢源等领域显示出良好的应用前景，开展节能和环境友好的可控制氢氢化物再生技术基础研究也具有十分重要的意义。最后，随着各种新型高容量储氢材料的出现和为提高储氢性能而大量采用的低维化与纳米化处理，在储氢系统集成中材料低堆密度与系统高储氢密度要求之间的矛盾更加突出，针对轻质储氢材料特性的储氢系统开展传热传质和系统设计研究，对于储氢材料的应用意义十分重要。本文由刘四旦摘编自朱敏主编的《先进储氢材料导论》一书。 ISBN 978-7--3-44905-4 《先进储氢材料导论》主要内容包括镁基合金储氢材料、配位氢化物储氢材料、金属-N-H体系储氢材料、氨硼烷及其衍生物储氢材料、金属有机框架（MOFs）与共价有机框架（COFs）储氢材料等高容量储氢材料，储氢材料的制备与表征，储氢材料的应用，既全面深入论述储氢材料特别是新发展的储氢材料的基础理论，也注重材料制备、表征与应用。本书全面系统地阐述了先进储氢材料科学技术发展中的新技术、新成果、新产品和新理论，且全面提供了各种储氢材料的主要物理和化学性能，具有很强的先进性、科学性和参考价值。用您的手指点亮科学! 欢迎您评论、推荐、分享朋友圈，您的鼓励是我们前进的动力！点击文末作者、书名及封面可直接购买本书。; 个人分类: 出版动态|15392 次阅读|2 个评论

金属有机骨架(MOFs)：储氢新材料: 热度 3 zhpd55 2012-9-21 11:19; 据《科学日报》（ ScienceDaily ） 2012 年 9 月 20 日报道，瑞典尤密欧大学（ Ume University ）的博士研究生 Serhiy Luzan 研究出一些新型的储氢材料。虽然氢可以作为一种理想的新型燃料电池汽车的动力燃料 , 但如何存储氢却是一个问题。 Serhiy Luzan 博士在他的博士论文中，对自己的研究成果进行了总结，他还表明 , 具有有趣属性的新材料可以通过氢和碳纳米结构材料反应合成。论文将在 2012 年 9 月 28 日在瑞典尤密欧大学（ Ume University ）公开。以氢气作为燃料的新型汽车引擎，产生的废气只有水，不会有其他污染物，而且效率是比普通内燃机的三到四倍。只是一个“小”问题阻碍了燃氢动力交通工具的发展，那就是没有好的方法来存储足够量的氢 , 因为氢是一种密度很低的气体物质。 Serhiy Luzan 在他的博士论文的第一部分中 , 奉献给读者就是研究令人兴奋的氢储新型材料——金属有机骨架 (MOFs) 类物质。这类物质由 Zn 基和Co基金属簇通过有机基团连接在一起 , 形成多孔型 MOFs 。 1 g MOF 具有的贮氢表面积超过一个足球场的面积 ! 每年有几十种新型 MOF 材料被合成 , 它们有希望成为下一代的储氢材料。在论文的第二部分， Luzan 描述了他由氢与富勒烯和碳纳米管反应制备的储氢材料。 Luzan 研究了富勒烯 C 60 和氢气在高温和加压下反应 , 使用金属催化剂和不用添加金属催化剂来合成含氢化合物，反应结果形成了氢化富勒烯（ C 60 H x ）。但是，长期与氢接触会导致富勒烯结构发生变化甚至彻底崩溃。这一结果表明 , 富勒烯可以被逐步分解成更小的分子 , 而这些小分子可以通过氢原子使其稳定存在，这是一种以前难以实现的结构。 Serhihy Luzan 说：“通过这种方法 , 我们应该能够使用富勒烯作为一种相对廉价的用于创建新分子的原材料 , 希望将保留原来碳纳米材料的有趣属性。” 氢化石墨烯或者石墨烷 (graphane) 预计将是一种理想的新型碳基电子材料 , 但氢化石墨烯很难通过石墨烯和氢之间的直接反应来合成。首先，氢化碳纳米管更容易得到 , 然后把它们沿着管轴切割成所谓的纳米丝带，氢以共价键的方式结合在纳米丝带的表面上。 Luzan 的实验表明 , 如果使用适当的催化剂，单壁碳纳米管和氢之间的反应是可能的，而且他已经观察到一些纳米管被转换为石墨烯或石墨烷纳米带。更多详细内容请浏览： Ume University 网站的相关报道。关于MOF导电体的报道请浏览： http://blog.sciencenet.cn/blog-212210-601261.html; 个人分类: 新科技|8751 次阅读|5 个评论

储氢材料LaNi5的晶体结构: yaoronggui 2010-6-2 06:55; 昨天竞赛小组在讨论LaNi5的晶体结构时学生不太清楚八面体和四面体分别怎么构成的，所以在此列出来以供参考。 LaNi 5 合金为CaZn 5 (CaCu 5 )型晶体结构，六方点阵，M=1，空间群为P6/mmm，原子坐标为 La(la)　　　　(0,0,0) Ni1(2c)　　　 Ni2(3g)　　　其晶体结构如下图所示： a=511pm ， c =397pm ，晶胞中含 1 个 LaNi 5 （大球为 La, 小球为 Ni ），晶胞体积 90 10 -24 cm 3 ．晶体结构如左下图，由两种结构不同的层 ( 右下图 ) 交替堆积而成 : 晶胞中有 6 个变形四面体空隙（每个空隙由 2La+2Ni 组成） , 3 个变形八面体空隙（ 8*1/4+2*1/2=3. 每个空隙由 2La+4Ni 组成） . 若全填上 H 原子，为 LaNi 5 H 9 ．通常填 6 个 H 较稳定，所以 , 可能只填在较大的变形四面体中，组成为 LaNi 5 H 6 . 参考资料： 1、 http://courseware.lzu.edu.cn/upload/jghx04/wangzhan/ch8_1.html 2、 http://elec.wanfangdata.com.cn/qikan/periodical.articles/xyjsclygc/xyjs2000/0001/000107.htm; 个人分类: 高中化学竞赛|19317 次阅读|1 个评论

镁基能源材料及制备: zxq70810 2009-6-27 11:23; 镁是一种非常有趣的金属元素，它的比重轻，只有铝的三分之二、铁的四分之一、铜的五分之一，因此镁合金在汽车、国防、电子工业中有着非常广阔的应用前景。但是，镁的电极电位低（-2.37eV)，因此非常容易氧化腐蚀，严重制约镁的应用，这也是为什么镁作为结构金属应用要远远少于铝的最重要原因。当上帝为你关上一扇窗的时候，他一定为你打开另一扇窗。低的电极电位作为结构材料来说是一大缺点，而作为功能材料来说却可能是优点。由于镁的电极电位低的优点（这里是优点），它可以作为电池的负极材料，提供比较高的输出电压和电流，在新能源发展日新月异的今天，镁作为电池电极材料得到了前所未有的重视。如镁海水电池、镁空气电池，甚至最新发明的镁离子二次电池（锂离子电池的最强有力竞争者）。有趣的是，镁还有一个非常大的优点，即：镁在所有的金属储氢材料中，具有最大的储氢能力，它的储氢能力最大可以达到7.6%，大大高于稀土系、钛系等金属储氢材料的储氢能力。众所周知，氢能是一种非常清洁、廉价和反复利用的未来能源，极有可能成为未来石油能源的重要替代能源之一。氢能源汽车也是新能源汽车发展的重要方向之一，但我们不能想像每辆汽车后面带着一个高压的氢气包作为燃料，那将危险。其实，氢气的储存和携带一直是阻碍氢能源发展的瓶颈之一，好在我们还有镁。100公斤镁的理论储氢量可达7.6%，其完全燃耗所发出的热值可以供一辆小汽车行驶1000公里，而且没有任何污染。由于镁在储氢反应过程中伴随着热能、化学能、机械能等能量的相互转换关系，因此镁作为储氢材料的应用领域十分宽广。当然，镁可以作为储氢材料，被加工成氢燃料电池的油箱，发挥安全可靠的储氢作用。可以作为镍氢电池的负极，比传统镍氢电池高得多的能量；可以作为氢分离材料，提供高纯度的氢气；可以作为能源转换材料，在制冷领域获得应用；此外作为传感器材料和催化材料等等。; 个人分类: 未分类|5479 次阅读|2 个评论

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