Dyhmdf电化学技术在新能源中的利用

1、.：.；秋风清，秋月明,落叶聚还散,寒鸦栖复惊。HYPERLINK tm51/童梦无忧网 试管婴儿论坛HYPERLINK tm51/tm51 本文由heshuquan_0奉献 ppt文档能够在WAP端阅读体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 电化学技术在新能源 研发中的运用 陆天虹 中国科学院长春运用化学研讨所 南京师范大学化学与环境科学学院 一.能源的概略 1.能源的重要性 1.能源的重要性 自古以来,人类就为改善生存条件和促进 社会经济的开展而不停地进展斗争.在这 一过程中,能源不断扮演着重要的角色. 从世界经济开展的历史和现状来看,能源 问题已成为社会经济开展中一个具

2、有战略 意义的问题,能源的耗费程度已成为衡量 一个国家国民经济开展和人民生活程度的 重要标志,能源问题对社会经济开展起着 决议性的作用. 2.能源的种类 2.能源的种类 大自然赋予人类的能源是多种多样 的,普通可分为常规能源和新能源 两大类.常规能源包括煤炭,石油, 天然气和水能,而新能源有生物质 能,核能,风能,地热能,海洋能, 太阳能和氢能等.其中煤炭,石油, 天然气被成为化石能源,水能,生 物质能,风能,太阳能和氢能等是 可再生能源. 3.化石能源的问题 (1)化石能源的短缺 化石能源的短缺 能源是人类赖以生存和社会开展的重要 物质根底,是国民经济开展的命脉,但 目前主要运用的化石能源的

3、储量不多. 据2002年世界探明的化石能源的储量和 运用量统计,世界上煤,石油和天然气 的储采比分别为204,40和60年,中国的 情况更为严峻,据2002年统计,中国煤, 石油和天然气的储采比只需82,15和46 年.这阐明在人类历史的长河中,只需 很短的一段时间能运用化石能源. 随着我国经济的继续高速增长,对能源 的需求也继续攀升.我国一次能源消费 总量从1978年的5.3亿吨规范煤,上升 到2002年的14.3亿吨.据估计,我国在 2004,2020和2050年的石油消费量达3, 4.5和6亿吨,其中进口量分别为1,2.7 和4亿吨.4亿吨的进口量相当于目前美 国的石油进口量,这不但会制

4、约我国经 济的可继续开展,而且对国家的平安也 非常不利. (2)化石燃料呵斥严重环境污染和气候异常 化石燃料呵斥严重环境污染和气候异常 化石燃料的运用引起的环境污染,排放的 CO2会呵斥温室效应,使全球气候变暖.有 关机构已向结合国发出警告,如再不对CO2 的排放采取严峻措施,在10年内,世界的 气候将产生不可逆转的变化.我国的环境 污染问题更是日趋严重,目前,我国CO2排 放量占世界总排放量的14%,在美国之后 位居第二,估计到2025年,将位居第一. 在本世纪初结合国关于环境污染的调查中, 发如今世界上十个环境污染最严重的城市 中,七个在中国.它们是太原,北京,乌 鲁木齐,兰州,重庆,济南

5、和石家庄. 4. 21世纪世界能源开展趋势 世纪世界能源开展趋势 (1)节能技术将备受注重 节能技术将备受注重 节能就是提高能源利用率,减少能源的浪费. 目前节能技术程度已是一个国家能源利用 情况的综合性目的,也是一个国家总体科 学技术程度的重要标志.许多研讨报告指 出,依托节能可以将能源需求量降低2530%. 我国在能源利用方面的效率很低,我国的 能耗很高,是世界平均程度的2倍,兴隆国 家的5-10倍,因此更应注重节能技术,我国 应该充分注重化石能源的高效利用. (2)世界能源系统将发生艰苦变革 世界能源系统将发生艰苦变革 据预测,20世纪构成的以化石燃料为主 的世界能源系统将在21世纪转换

6、成以可 再生能源为主的新的世界能源系统.在 20世纪末,化石燃料的运用量占了世界 一次能源用量的89.5%.据世界能源委员 会(WEC)和国际运用分析系统研讨所的 研讨报告以为,在20世纪上半叶,化石 燃料仍将是世界一次能源的主体,但到 21世纪下半叶,太阳能,生物质能,风 能等新能源将占世界能源的50%左右. (3)煤炭将作为过渡能源而遭到注重 煤炭将作为过渡能源而遭到注重 由于石油和天然气的储量较少,而煤炭储量 相对较多,因此煤炭将作为一种过渡能源 而在21世纪上半叶遭到注重.主要开展的 技术是干净煤技术,煤液化和汽化技术. (4)新化石能源的开发将得到强化 新化石能源的开发将得到强化 近

7、年来发现,在海洋300米深处有甲烷水合 物存在.目前,甲烷水合物的开发曾经受 到特别的关注.据估计,世界甲烷水合物 的储量能够超越石油,天然气和煤炭储量 的总和.因此,甲烷水合物作为储量宏大 的未开发能源开场遭到世界各国的高度重 视. (5)核能的利用将进一步得到注重 核能的利用将进一步得到注重 据国际原子能机构统计,在20世纪末,全世界 运转的核电站有436座,总发电量为3.5亿千瓦. 这些电站主要分布在美,法,日,英,俄等31 个国家,近年来,由于担忧核电站运转的平安 性,核废料对环境的影响和核技术分散对世界 平安性的影响,核能的开展在兴隆国家已有下 降趋势,但在亚洲地域仍有强劲的添加趋势

8、, 我国预备在今后几年内建造4座核电站. 受控核聚变是不断受人们关怀的技术,由于在 海水中大约有23.4亿万吨氘,如受控核聚变技术 在21世纪能得到运用,在21世纪末,核能可望 占世界一次能源的30%左右. (6)可再生能源的开发将越来越遭到注重 可再生能源的开发将越来越遭到注重 鉴于化石燃料的短缺及化石燃料的使 用引起严重的环境污染和气候异常, 人们对新能源的开发越来越注重.其 中水力能,地热能,海洋能和风能的 可利用资源有限,因此,太阳能,生 物质能和氢能的利用将倍受关注. 二.生物质能的利用 1.生物质能的优点 . (1)生物质来源丰富 地球上每年生长的生物质总量约14001800亿吨,

9、相当于目前世界总能耗的10 倍,我国的生物质能也极为丰富,可作 为能源开发的生物质能总量可达4.5亿吨 规范煤.加上生物质能可再生.因此, 生物质能的高效,规模化利用可有效缓 解世界能源供需矛盾. (2)生物质能可多途径利用 (a)直接熄灭.其热能和蒸汽可发电,技术 成熟,但效率低. (b)生物转化.包括制沼气和水解发酵制取 醇类.生物质制甲醇和乙醇技术根本成熟, 但消费本钱较高.生物质制沼气技术相当 成熟.2002年全国已建1300多万个沼气池. (c)光热转化.经过气化,裂解,光催化等 技术,获得气,液体燃料来发电. (d)生物柴油.从油料植物提取植物油,经 甲酯化得生物柴油.它有含氧高,

10、含硫低, 分解性能好,熄灭效率高等优点. (3)生物质能利用的环境污染少 由于生物质利用过程中释放的CO2是 其生长过程经过光协作用从环境吸收 的,所以生物质能的利用过程不排放 额外的CO2,而对环境污染少. 生物质能的利用还能降低污染.如可 利用生物质热解汽化技术处置生活垃 圾等,可得到以甲烷为主的燃气,实 现渣滓的减量化,无害化,资源化. 2.生物质能利用的问题 2.生物质能利用的问题 生物质能利用的缺陷主要是生物质分布 广,大面积搜集本钱高,经济的搜集半 径在50公里以内,只适宜建立小型,分 散的生物质能利用系统.而小型转换系 统的效率低,不提高生物质能的利用效 率就不能获得好的经济效益

11、,这是生物 质能至今未能实现规模化运用的关键问 题之一.因此,如何在小型,分散体系 实现能量的高效,清洁及规模化利用是 迫切需求处理的问题. 三.太阳能的利用 1.太阳能的优点 太阳能的优点 (1)太阳能来源丰富 太阳能来源丰富 太阳能来源丰富是众所周知的,这似乎是 一种用之不绝,取之不尽的能源.太阳内 部不停地进展热核反响,释放出宏大的能 量,辐射到地球上的能量只占起辐射总能 量的极小部分,约1/22亿,但地球每年接 收的太阳能至少有61017千瓦小时,相当 于74万吨规范煤的能量.其中被植物吸收 的仅占0.015%.可见,开发太阳能利用的 潜力很大. (2)太阳能的运用没有污染问题 太阳能

12、的运用没有污染问题 这也是众所周知的,太阳能的运用 根本上没有污染问题. (3)太阳能可多途径利用 太阳能可多途径利用 (a)太阳能的热利用.如太阳能热水器, 太阳灶,太阳能蓄热池发电等. (b)太阳能发电.如太阳能电池和光电 池. (c)光催化和光电催化制氢.主要用这 两种技术从水或生物质中制得氢气. 2.太阳能利用的概略 太阳能利用的概略 近年来,太阳能的利用开展很快,据1997 年的数据,全球太阳能发电量已达800兆瓦. 到2000年,日本已有7万个住宅用上太阳能 电池,美国和欧盟方案在2021年前安装100 万套太阳能电池.特别是把太阳能电池与 屋顶瓦结合成光电发电系统,目前欧洲已 有

13、300套,年发电量为1亿千瓦.这种系统 不但可供应清洁能源,而且美观耐用,寿 命可达25年. 太阳能的热利用开展更快. 特别在我国,太阳能热水器的年产值已达 60多亿元,居世界首位. 3.太阳能利用的问题 太阳能利用的问题 开发太阳能利用的主要问题是如何 提高太阳能的转换效率,其次是降 低本钱,这对我国特别重要,目前 我国消费太阳能电池的才干已达几 百兆瓦,但由于价钱高,根本上都 销往国外.第三,一些技术,如光 催化和光电催化制氢技术还没成熟, 没有到达适用化的阶段,应该抓紧 这方面的研讨和开展. 四.氢能的利用 1.氢能的优点 氢能的优点 (1)氢是自然界储量最丰富的元素. (2)氢是除核燃

14、料外发热量最大的燃料. (3)氢熄灭生成水,是世界上最清洁的燃料. (4)熄灭性能好,可燃范围大,熄灭速度快. (5)氢可用多种方法大规模消费. (6)氢的利用方式多,可经过熄灭发电,通 过燃料电池发电等. 2.对氢能利用的注重 2002年加拿大举行了以氢行星为主题 的第14届世界氢能源大会. 2003年在华盛顿召开15个国家和地域参与 的国际氢能经济协作同伴会议. 冰岛方案用40年时间将冰岛建成氢社 会. 布什将投资120亿美圆来促进氢能源的开展. 过去5年,工业化国家在氢能开发领域的投 入年均递增20.5%. 氢将取代天然气,油和煤而成为未来世界 的主要能源,进入氢能时代已成为近年来 的抢

15、手话题,21世纪将是氢能世纪. 布什举着运用氢燃料的照相机 我国对开展氢能经济也开场注重,参与 了2003年在华盛顿召开的有15国家参与 的国际氢能经济协作同伴会议. 2004和2005举行了两次关于氢能经济的 中美双边会议.今年一月,中国科学院 院士局召开了关于石油替代能源的 研讨会,主要讨论石油资源可继续性分 析,石油的替代能源,氢能燃料和我国 的石油替代能源.并要组织人员进展软 课题研讨. 3.氢能的问题 3.氢能的问题 (1)氢的价钱 氢的制备,储存和运输中的价钱 问题,是影响走进氢能时代的很关 键的问题.要降低其价钱,必需形 成氢的制备,储存和运输的网络. (2)廉价清洁的制氢技术问

16、题 (2)廉价清洁的制氢技术问题 目前制氢效率很低,氢的制取要耗费大量 的能量,因此寻求大规模的廉价清洁的 制氢技术是各国科学家共同关怀的问题. (a) 化石燃料制氢:目前,96%氢从化石 燃料制备,技术成熟,但要呵斥环境污 染. (b)电解水制氢:技术成熟,但耗能多, 价钱高.普通每消费1立方米的氢气,需 要耗费4.2-6度的电能,其能量转化率不 到32%. (c)生物质制氢:有可再生,产量大,可 储存,碳循环等优点,从中长期看是最 有出路的制氢方式.目前生物质制氢效 率低. (d)生物制氢:国内外在选育高效产氢菌 株任务进展不快,制氢效率低. (e)风能制氢:用风能发电来电解水产生 氢,技

17、术上没有问题,降低本钱和风能 发电量少是主要的问题. (f)太阳能制氢:该法还处在根底研讨阶 段,离商业化还有较远的间隔 . (3)氢的储运问题 (3)氢的储运问题 氢的储运技术主要处理储运的平安性和 本钱,如今由于储运技术不过关,因此 浪费了许多氢.许多工业过程,如炼油, 炼焦,氯碱,合成氨,合成甲醇及煤气 制造等多有大量的副产品氢气,只是由 于储运技术的问题而不能被利用.我国 每年放空和烧掉的氢气至少在1010标立方 米以上.因此处理氢的储运问题也是走 进氢能时代的一个很关键的问题.目前 氢的储运还有很大问题. (a)高压储氢:储氢量少,只需1%左右, 还有不平安的问题. (b) 液氢储氢

18、:很不方便,储氢设备大, 蒸发损失大. (c)吸附储氢:这是目前的研讨热点,但 储氢容量还较低,普通不超越2%.镁合 金储氢在3%,但储放不可逆.抢手一时 的纳米碳管储氢也已没有了希望,最终 的储氢量也只需1%左右. (e)化合物储氢:放氢不容易. (4)燃料电池还没有商品化 用氢作燃料的燃料电池的出现是促进氢 能利用的重要缘由.近年来,由于化石 燃料资源短缺和环境污染日趋严重,各 国对燃料电池的研讨非常注重.美国 把燃料电池列为21世纪十 大高新科技之首,燃料电池已被以为是21世纪极具运用前景的一种新型能源系 统.虽然燃料电池有很诱人的优点,而 且燃料电池的开展已有100多年的历史, 但至今

19、还没有一种燃料电池曾经真正商 品化,因此,燃料电池何时才干商品化 是一个与氢能利用亲密相关的问题. 4.反对氢能的意见 4.反对氢能的意见 (a)氢以化合物方式存在,制氢要耗费能源. 它不是一种能源,而是能源的流通手段. (b)氢的走漏会改动气候.氢不可防止走漏, 走漏量可达15%.走漏的氢会在大气构成 水雾,它会象二氧化碳一样,使天气变暖. (c)如今普通用高压氢作燃料电池燃料,氢的 走漏会产生很大的不平安性,手机等的火 花就会使走漏的氢发生爆炸. (d)冰岛能做的,其他国家不一定能做,冰岛 的氢都是电解水制得的,因该国70%的电 是由地热和水电站产生的. (5) 氢的清洁消费要用风能和太阳

20、能.据估计,如 用风能发电制氢,当风能发电量到达美国6%的 用电量,风能发电机要占的面积要有半个加州 那么大. (6) 布什承诺投资120亿美圆用于氢能的研讨是一 个微缺乏道的投资.美国去年用于核能和矿物 质燃料方面的研讨经费大于氢燃料的研讨经费. 美国推行安康婚姻的预算就有150亿美圆. 美国用于伊拉克战争的经费每月390亿美圆. (7) 氢燃料电池价钱昂贵.目前内燃机本钱为每千 瓦50美圆,而氢燃料电池为800美圆.估计大量 运用后,也要300美圆.另外一切的加油站改成 加氢站也要破费大量的资金. 五.燃料电池加速氢能利用 1.燃料电池的优点 . (1)燃料电池是一种高效清洁的能量转换系

21、统,可降低环境污染和气候异常. (2)燃料电池能高效利用生物质转化产生的 气,液物质和氢作燃料,因此,能促进 氢能的利用. (3)燃料电池的发电效率不受体系规模限制, 小型燃料电池同样可以实现高效发电, 适宜于生物质分散性的特点. 2.燃料电池定义 燃料电池是一种不经熄灭直接以电 化学反响的方式将燃料的化学能转 变成电能的安装,只需延续供应燃 料,燃料电池就能延续发电. 3. 原理 阳极反响:H2 = 2H+ + 2e 阴极反响:1/2O2 + 2H+ + 2e = H2O 总的反响:H2 + 1/2O2 = H2O 4.燃料电池分类 碱性燃料电池(AFC) (1)碱性燃料电池(AFC) 阳

22、极:催化剂:Pt,燃 料:氢 阴 极:催化剂:Ag,氧化剂:氧 电 解 液:30%KOH 隔 膜:石棉膜 任务温度:60-80oC 用 途:航天器和潜艇的动力源 优 点:比能量和比功率高 缺 点:对CO2敏感,不宜地面运用 (2)磷酸燃料电池(PAFC) 磷酸燃料电池(PAFC) 阳 极:催化剂:Pt,燃 料:氢 阴 极:催化剂:Pt,氧化剂:氧 电 解 液:98%磷酸 任务温度:200oC 用 途:家庭住宅能源和汽车动力源 优 点:稳定性好,已有商品消费 缺 点:用贵金属作催化剂,价钱高. (3)质子交换膜燃料电池(PEMFC) 质子交换膜燃料电池(PEMFC) 阳 极:催化剂:Pt,燃 料

23、:氢 阴 极:催化剂:Pt,氧化剂:氧 电 解 液:含水的质子交换膜 任务温度:60-80oC 用 途:汽车和潜艇等的动力源 优 点:比能量和比功率高,寿命长, 运用范围广 缺 点:对CO敏感,价钱高,800美圆/千 瓦,而内燃机50美圆/千瓦. 氢源 问题. (4)直接甲醇燃料电池(DMFC) 直接甲醇燃料电池(DMFC) 阳 极:催化剂:Pt合金,燃 料:氢 阴 极:催化剂:Pt, 氧化剂:氧 电 解 液:含硫酸的质子交换膜 任务温度:60-80oC 用 途:可挪动的小型电子仪器设备动力源 优 点:比能量高,体积小 问 题:Pt对甲醇氧化电催化效率低, 易被甲醇氧化中间产物毒化, 甲醇会透

24、过质子交换膜. (5)熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) 熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) 阳 极:催化剂:Ni,燃 料:氢 阴 极:催化剂:NiO,氧化剂:氧 电 解 液:熔融碳酸盐(NaCO3-LiCO3) 任务温度:600oC 用 途:发电站 优 点:反响温度高,不需贵金属催化剂. 可用含CO的燃料气.寿命长. 能量转换率高,可达80%. 问 题:高温下,电解液会腐蚀电极资料.寿命 2万小时,商业上要4万小时. (6)固体氧化物燃料电池(SOFC) 固体氧化物燃料电池(SOFC) 阳 极:催化剂:NiZrO2,燃 料:甲烷,氢 阴 极:催化剂:NaCrO4等,氧化剂:氧 电 解 液:ZrO2,

25、CeO2等 任务温度:900oC 用 途:发电站 优 点:不需贵金属催化剂.寿命长.可用各 种燃料气.抗中毒才干强.能量转换 率最高,可达80%以上. 问 题:高温下,密封困难,放大困难. 价钱高. 5.PEMFC开展现状 开展现状 (1)世界各国对 世界各国对PEMFC的注重 世界各国对 的注重 近十年来, 近十年来 , PEMFC技术的研讨开发遭到 技术的研讨开发遭到 许多国家的政府和跨国大公司的极大注重, 许多国家的政府和跨国大公司的极大注重, 已出现许多PEMFC电动车样车. 电动车样车. 已出现许多 电动车样车 我国方案, 年奥运会期间, 我国方案,到2021年奥运会期间,将有我 年

26、奥运会期间 国消费的燃料电池电动车会小批量, 国消费的燃料电池电动车会小批量,示范 性地行驶在街头. 性地行驶在街头. 年世博会期间, 辆燃料电池公交 到2021年世博会期间,20辆燃料电池公交 年世博会期间 辆燃料电池出租车, 车,300辆燃料电池出租车,1000辆电动 辆燃料电池出租车 辆电动 汽车以及一批燃料电池场地车和邮政车都 将投入运转,届时,上海将建成5座加氢 将投入运转,届时,上海将建成 座加氢 站来满足这些车辆对氢燃料的需求 对氢燃料的需求. 站来满足这些车辆对氢燃料的需求. (2)PEMFC商业化的问题 商业化的问题 (a)价钱问题 价钱问题 美国能源部以为,汽车用PEMFC

27、的最终 的价钱到达$50-100/kW时,才干有竞争 才干,由于如今内燃机的价钱为$50/kW 左右,而如今PEMFC的价钱在$800/kW 左右.在如今技术的根底上,即使 PEMFC的产量为每年50万台,其价钱也 要在$300/kW. PEMFC价钱高的主要是 由于高的电池壳体的加工费和离子交换 膜膜价钱高而引起的.另外运转本钱也 远高于燃油汽车. (b)燃料问题 燃料问题 目前的PEMFC普通用高压氢作燃料,但 高压氢作燃料有不平安,载量低,加油 站改装要宏大费用等问题.如今开展了 超高压氢技术. 研制甲醇,汽油和天然气裂解的随车制 氢技术.但目前车载天然气重整制氢技 术离适用还有相当的间隔 .美国能源部 根本放弃该道路. 用储氢资料制备储氢安装还没有过 储氢容量太低. 关 , 储氢容量太低 . 如今许多消费 过程都能产生氢副产品, 过程都能产生氢副产品 , 由于没有 好的储氢技术而放空烧掉. 好的储氢技术而放空烧掉 . 合金储 氢是应重点开展的技术, 氢是应重点开展的技术 , 由于这类 储氢方法比较平安, 可逆性好, 储氢方法比较平安 , 可逆性好 , 如 其储氢容量能提高到4 以上, 其储氢容量能提高到4%以上,就能 得到运用.