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石油、煤和天然气等是地球上经过千百万年演变后积累的化石燃料,是一种非再生的能源,其储量有限。随着我国经济的快速发展,能源的消耗速度也迅速提高。目前我国石油进口依存度已超过50%,能源安全成为了国家重大问题。同时,自从工业革命以来,传统的化石燃料已经对环境造成了严重的污染。
近年来全球的温室效应愈来愈明显,大量温室气体排放,其中一半以上来自含碳化石燃料燃烧后所释放的二氧化碳。因此,开发和研究新能源已是当今世界上刻不容缓的一件大事。
氢是一种清洁的新能源。氢和氧燃烧时生成清洁无污染的水,不会产生COx、SOx和NOx等有害物质。用氢作能源,可大大减轻对环境的污染,更有利于人类健康、保持了自然界的生态平衡。氢在能量转化中形成水-氢一水自然循环,而且由于海水占地球表面近71%,氢及其同位素的资源并不匮乏。所以,氢能是一种可以再生的永久性清洁能源,符合人类长远发展的需要。
在氢能的利用过程中,其关键技术是解决廉价的制氢技术和安全、方便、大容量贮存氢的技术。20世纪50年代,人们就已经发现了金属及金属间化合物的吸氢现象,但作为氢能源储存的贮氢材料的研究并未引起人们的重视,一方面由于这些材料贮氢量较少,另一方面由于金属吸氢会出现脆性,降低材料的强度,因此人们研究的重点是如何避免材料的吸氢。
60年代末,由于LaNi5等贮氢合金的发现,使得贮氢材料的研究开发得到了迅猛的发展。表中列出了某些贮氢材料的贮氢密度、贮氢能力和能量密度。由于氢可以跟许多金属或合金相结合,其中某些金属或合金吸氢后形成金属氢化物,其单位体积内的含氢量甚至可高于液氢的密度。
以金属氢化物形式贮存氢,具有贮氢密度大、安全、不需要复杂容器就可以长时间贮存以及可获得高纯度氢等优点,被认为是一种经济、有效的贮氢方法。
在氢能量储存方面,由于体积能量密度和安全性等方面的优势,稀土贮氢合金作为固定式氢燃料贮存载体是可选择的方案之一;但就燃料电池车或氢内燃机车对车载贮氢系统的要求看,稀土贮氢合金的质量贮氢密度低(LaNi5合金贮氢约1.5%),贮氢系统过重,难以满足车载贮氢系统要求。
美国能源部(DOE)提出的2010年和2015车载贮氢系统的质量贮氢密度要求分别不低于6%和9%,而相对于贮氢材料的质量贮氢密度要求更高。
稀土贮氢合金除了在固定式贮氢等方面的应用具有优势之外,目前在镍氢电池上的应用取得了巨大成功。利用稀土贮氢合金的电化学吸放氢特性研制成功的镍-稀土金属氢化物(Ni-MH)二次电池是迅速发展起来的一种高能绿色二次电池,它以稀土贮氢合金充当活性物质的稀土氢化物电极作为负极,以氢氧化镍电极作为正极。与传统的Ni-Cd二次电池比较,Ni-MH电池具有如下优点:
(1)能量密度高;
(2)可快速充放电;
(3)几乎无记忆效应;
(4)耐过充和过放电能力高;
(5)环境污染小。
此外Ni-MH电池与Ni-Cd电池的工作电压相同(1.2V),在使用过程中有良好的互换性。因此,作为一种新型的高容量绿色电池,Ni-MH电池正在许多领域得到广泛使用。特别需要指出的是,针对环境污染及节约能源,发展电动汽车是国际国内采取的主要措施之一,其中采用稀土贮氢合金作为负极材料的镍氢电池在混合动力车及电动车等领域的应用受到高度关注和发展。
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