氢燃料电池

近年来，由于传统能源消耗量的迅速增加以及环境污染问题的日趋严重，许多国家大规模地开展了新能源的研究工作，其中氢能作为重要的二次能源，引起了人们广泛的关注。

氢是一种清洁能源，燃烧时不产生污染环境的烟尘和SO2，其燃烧生成物是水，不破坏地球的物质循环。人们对氢能技术的开发寄予了很大的期望。氢能系统的开发主要包括氢气的制备、贮存、运输和应用等几个方面。其中氢的储存及输送是其中的关键之一。

早在上世纪60年代，由于石油危机，人们提出了用储氢合金作为二次能源的设想。最

初的研究发现:Mg具有储氢性能，储氢重量达7.6%。19年美国布鲁克-海文国家实验室Reilly和Wisqull合成了Mg2Ni合金，这就是历史上最早的储氢合金，储氢量3.6wt%，但常压下250℃才能析出氢。对于实际应用，释放氢的温度仍显过高。

1968年荷兰菲利浦实验室Zijlstra和Wester-drop在研究永磁材料SmCo5时意外发现了稀土贮氢合金。SmCo5合金表面用酸洗过后磁性减弱，查其原因发现吸入大量的氢。用气体氢进一步验证时发现，在氢压2MPa时吸氢，氢压降低时又释放出来。进一步的研究发现，在稀土储氢合金中，LaNi5具有特别理想的贮氢性能。

1970年，Reilly等人发现了金属钒能够在室温下贮存大量的氢气，但是只有一半的氢气能够释放出来，而且吸氢动力学性能较差，活化比较困难。而后对钒的二元合金、三元合金进行广泛深入的研究。

八十年代，发现用富铈混合稀土（Mm）或富镧混合稀土(Ml)取代LaNi5中的La，用Co、 Mn、 Al部分取代LaNi5中的Ni，制成的贮氢合金具有优异的电化学性能，使镍氢电池得到了迅猛发展。

九十年代后期，开发V-Ti-Cr合金，当Ti/Cr=5/8时，V35Ti25Cr40合金具有2.5wt%的可逆吸氢量，热处理后，合金的可逆吸氢量进一步增加到2.6wt%。

目前针对燃料电池的需要，世界各国正在对各种新的贮氢材料进行全方位的研发。

除了氢气的储存以外，贮氢材料还可广泛应用于以下领域：

(1) 氢气的回收、提纯

利用贮氢材料可逆吸/释氢特性，使其吸收含氢混合气体中的氢气，加热使其释放即可进行氢气的回收、分离、净化（纯度为99.999%以上）。

(2) 氢化物热泵

利用两种不同贮氢材料吸/释氢时所产生的热量差可制备出金属氢化物热泵，它具有无运动部件、无磨损、无噪声、不破坏大气臭氧层的优点。

(3) 加氢、脱氢反应的催化剂

利用贮氢材料可有效地催化加氢、脱氢反应。如采用LaNi4.8Cu0.2合金作为油酸硬化的催化剂，可以在90℃、0.5MPa的条件下硬化油酸，其效率是常规方法的15~20倍。

(4) 贮氢电池的负极材料

贮氢电池具有比能量高、不污染环境、无记忆效应、循环寿命长、与镍镉电池有互换性等优点，可广泛应用于电动汽车、电动摩托车、电动工具、数字处理机、通讯、夜视器、

摄像装置等。

(5) 氢气吸收剂和氢浓度传感器

贮氢材料能够在很低的氢分压下选择性地吸收氢气形成金属氢化物，可用于除去少量的氢。还可利用其吸氢时电阻的变化检测氢气的浓度，制成便携式氢浓度探测器。

(6) 致动器

利用贮氢材料吸/放氢时所产生的压力差可制成机械手的致动器、缓慢的升降装置等，具有重量轻、体积小、

无噪音、结构简单、可操作等优点

1.2.4储氢合金在镍氢电池中应用的发展概况

金属氢化物-镍（Ni-MH）电池是利用金属氢化物电替代镉-镍电池的镉电极而发展起来的一种高功率新型碱性电池。近年来，由于计算机、通讯设备、家电、音像设备等对小型化高容量二次电池的需求迅速增长，传统的镉-镍电池在比容量等方面已不能适应新的要求，并且镉会造成严重的环境污染问题。与镉-镍电池相比，Ni-MH电池有很显著的优点：（1）有较高的比容量，可达同型号的镉-镍电池的1.5~2.0倍；（2）无镉的公害；（3）无记忆效应；（4）耐过充及过放性较好等。

Ni-MH电池是利用储氢材料的电化学吸附氢特性和电催化活性原理制成的。正极采用镍化合物，负极采用储氢合金M，正负极板都浸在氢氧化钾电解液中构成电池。充电时，负极上不断析出氢气并被储氢合金吸收生成金属氢化物，即氢化物电极阴极储氢。逆反应

是放电过程，氢化物释出的氢又在同一电极（氢化物电极）上进行阴极氧化，电子沿导线移向正极。从正负极的反应来看，发生在两个电极上的反应均属固相转变机制，不涉及任何可溶性金属离子的中间产物，从而使电池的正、负电极都有很高的结构稳定性。在电池的工作过程中没有电解质组元（如OH-及H2O）的额外的生成，同时也不存在净的消耗。故可将电池的充放电过程看作只是氢原子（或质子）从一个电极转移到另一个电极的往复过程。

氢化物-镍电池的设计采用负极容量过剩的配置方式，当过充电时正极上生成氧（2OH-→H2O+1/2O2+2e-）；负极上消耗氧(2MH+1/2O2→2M+2e-+ H2O)。过放电时正极上生成氢(2H2O+2e-→H 2+2 e-)，负极上消耗氢(H2+2OH-→2H2O+2e-)。这样可抑制池内压的上升，使氢化物-镍电池具有良好的耐过充、过放电性能。

储氢合金电极材料是决定Ni-MH电池的性能的关键材料。对其性能的主要要求是高电化学容量、长寿命、易活化等。目前主要采用稀土-镍系AB5型和锆系AB2合金作储氢合金电极。稀土-镍系合金的综合性能好，但其电极容量已接近其理论值的水平。锆系AB2合金电极的稳定性好、容量约高于稀土-镍系30%，但难活化、成本高。因此、随着更高能量密度的锂离子电池的发展，NI-MH电池面临新的挑战，必须发展更高性能的储氢合金电极材料。