《化工原理》实施教学大纲和电化学技术在新能源中的利用

安徽理工大学《化工原理》课程实施教学大纲PAGEPAGE1《化工原理》实施教学大纲前言《化工原理》课程是研究化工生产过程中常用物理单元操作理论及典型设备的课程。是化工类专业的一门重要的技术基础课程，在化工行业素有“万金油”之美称。通过学习本课程可使学生对相关化工单元操作的有关基本理论及典型设备有较为全面的掌握，培养学生的工程观念。为保证本课程的教学，现根据工科化工类专业的特点及培养目标，本着理论够用为度、强化实践技能培养的原则，特制定本教学大纲，望各位任课老师参照执行。一、本课程的性质与任务本课程是化工类专业继高等数学、物理化学、工程力学、化工制图等课程的后续课程，是化工类专业的一门极为重要的技术基础课程。可起到基础课程与专业课程间的桥梁作用，也就是我们通常所说的“平台课程”。本课程是研究化工单元操作的课程；是直接服务于化工生产第一线的课程。该课程强调工程观念、经济观念、定量运算化工过程及设备的工艺尺寸；强调实际技能的训练，强调理论与实践相结合、提高分析问题、解决问题的能力。培养学生对单元操作设备的操作与调控能力、标准设备的选型设计能力、生产运营管理能力、系统优化及新产品开发能力。由于单元操作是在特定的机器或设备内进行的，且设备在技术上的先进程度，对这些单元操作能否有效进行的影响极大。研究相关单元操作的基本原理和规律，熟悉实现这些操作的设备结构、工作原理、操作方法、主要性能和有关技术问题，并掌握一定的运算能力、选型及设计能力，以便于学生在工程实践中能运用这些知识去分析和解决实际问题，使各项操作在最优化条件下进行，并创造较好的经济效益，这是我们学习本课程的目的与任务。二、教学基本要求通过本课程的教学，学生应达到下列基本要求：1、熟悉常见单元操作设备的构造、工作原理；2、掌握常见单元操作设备的操作、安装及调试方法；3、具备常见单元操作的工艺计算能力；4、了解、掌握常见单元操作设备的选型设计方法；5、了解、掌握过程强化及节能的基本原理和基本方法；6、具备单元操作流程的规划、管理能力；7、具备综合所学知识进行单元操作系统技改的能力。三、教学内容的设置原则为体现工科学校的教学特点，强化对学生的应用技能培养，实施目标教学，使学生毕业后能迅速适应工作岗位的要求，在教学内容安排上一是要充分贯彻“三实精神”（即实践、实际、实用），本着理论够用为度的原则，力求深入浅出，加大应用知识比重；二是要力求从我国的国情出发，着重介绍当前化工生产过程中常用单元操作设备，并注意新知识点的契入，介绍国内外单元操作的先进技术及设备。四、教学内容（160学时）绪论（讲授4学时）本课程的起源与发展；本课程的性质与任务；基本概念（1）稳定系统与不稳定系统（系统分类、稳定系统的特性—连续性、质量守恒、能量守恒）（2）过程平衡与过程速率（3）经验关联式（实验关联方法、对数坐标系、特征数与因次）第一章流体力学（24学时）流体的基本物性（讲授4学时）1、流体的密度、质量体积与比重（定义、换算关系、计算方法）2、流体的静压强（定义、特性、计量与测量方法）3、流量与流速（体积流量与质量流量、体积流速与质量流速、换算关系）4、流体的粘度（牛顿粘性定律、粘度及粘度计算）第二节流体静力学（讲授4学时）1、流体静力学基本方程式（静力学方程的推导、讨论）2、静力学基本方程式的应用（1）系统压强差或表压强的测量—液柱压差计（液柱压差计的特点与适用范围、正U形管压差计、倒U形管压差计、双液柱微差计、单管压差计及斜管压差计）（2）液位的测量（近程测量、远程测量）（3）液封高度的计算（液封的作用与分类、液封计算）第三节柏努利方程式及其应用（讲授4学时）1、稳定流动系统中的能量类型2、柏努利方程及其讨论（方程式的推导、讨论）3、柏努利方程的应用（1）计算截面与基准面的选择原则（2）应用示例（高位槽供液系统及计算、确定流体输送设备的有效功率、确定送液系统的气体压强、系统流量的测量）第四节管流过程（讲授2学时）1、流体阻力的表现及形成原因2、流体的流动型态及判定（流动型态划分、雷诺数与流动型态判定）3、流动边界层概念（定义、形成与发展、分离）第五节管网基础（讲授2学时）1、管网的分类2、管网的基本构成（管材、管件与阀门）3、流速与管规格选择4、管网运行第六节管流系统的阻力损失计算（讲授4学时）1、直管阻力损失计算（计算通式的推导、摩擦因数及其确定）2、局部阻力损失计算（当量长度法、阻力系数法）3、系统阻力损失计算第七节管路计算（讲授2学时）1、简单管路计算（解决问题的类型、试差法、系统流量估算、配管计算）2、复杂管路计算原则（并联管路、分支管路）第八节流量测量（讲授2学时）1、测速管（构造与装配、测量基本原理）2、孔板流量计（构造与装配、测量基本原理、选用与校核）3、文氏流量计（构造与装配、测量原理）4、转子流量计（构造与装配、测量原理、校核方法）第二章流体输送（14学时）第一节离心泵（讲授8学时）1、离心泵的构造与工作原理（1）离心泵的主要构造与工作原理（泵体、叶轮、工作原理）（2）离心泵的配套构造（轴封装置、平衡装置）2、离心泵的性能（1）离心泵的主要性能（2）离心泵的特性曲线（特性曲线及其讨论、应用）3、离心泵的吸上高度（1）离心泵的吸上高度（2）极限吸上高度与气蚀现象（3）离心泵吸上高度的确定方法（允许气蚀余量法）4、离心泵的型号与选用5、离心泵的操作与调节（1）离心泵的操作步骤（2）离心泵的工作点及调节（工作点的确定、调节方法）（3）离心泵的串、并联操作（串联、并联、组合操作选择）第二节其它生产用泵（讲授2学时）1、往复泵（1）往复泵的构造与工作原理（主要构造、工作原理、空气室）（2）往复泵的性能（3）正位移系统的流量调节方法（4）比例泵（构造、工作原理）2、旋液泵（构造、工作原理、性能）3、轴流泵（构造、工作原理、性能）4、混流泵（构造、工作原理、性能、型号与选用）5、各类生产用泵的性能比较第三节气体输送设备（讲授4学时）1、离心式通风机、鼓风机、压缩机（构造、性能及选用）2、萝次鼓风机（构造与工作原理、性能及选用）3、液环压缩机（构造、工作原理及选用）4、往复式压缩机（构造、工作原理、分类、配套设置、性能、多级压缩及流程）5、气体输送设备的性能比较第三章非均相系统的分离（16学时）第一节重力沉降（讲授4学时）1、自由沉降与自由沉降速度（1）自由沉降（2）自由沉降速度（3）阻力系数2、重力沉降设备及计算（1）基本要求（分离效率、生产能力、停留时间）（2）降尘室（降尘气道、浅层沉淀原理、多层隔板式降尘室）（3）沉淀池（平流式、辐射流式、斜板式沉淀池）第二节离心沉降（讲授4学时）1、离心沉降与离心沉降速度（1）离心沉降（2）离心沉降速度与分离因数2、离心沉降设备及计算（1）旋风分离器（构造与操作原理、分离性能、型号与选用）（2）旋流澄清器（构造、操作原理、分离性能及适用范围）（3）离心机（构造、分类、操作原理、性能及适用范围）过滤（讲授6学时）1、基本概念（过滤的定义、基本原理、分类及相关名词术语）2、过滤速率与过滤速率方程3、恒压过滤（恒压过滤方程、恒压过滤计算）4、过滤设备（1）袋滤器（构造、工作原理及流程）（2）转鼓真空过滤机（构造、工作原理及流程、工艺计算）（3）快滤池（构造、工作原理及流程）第四节其它气体净化设备（讲授2学时）1、惯性分离（构造、工作原理及流程）2、电除尘器（构造、工作原理及流程）3、文氏除尘器（构造、工作原理及流程）4、泡沫除尘器（构造、工作原理及流程）5、洗气塔（构造、工作原理及流程）6、非均相物系分离方案的选择第四章传热（26学时）第一节概述（讲授2学时）1、传热学研究解决的问题2、传热的基本方式3、工业换热设备的类型4、传热名词第二节传热基本方程式（讲授1学时）1、传热速率2、传热推动力3、传热壁面积4、传热基本方程式第三节传热速率与热负荷（讲授3学时）1、热负荷的定义2、热负荷与传热速率间的关系3、热负荷计算方法（1）焓差法（2）显热法（3）潜热法（4）二步法第四节传热平均温度差（讲授2学时）1、恒温传热2、变温传热（1）传热壁两侧流体的相对运动（2）并、逆流过程的平均温度差计算（3）错、折流过程的平均温度差计算第四节一维稳定热传导（讲授4学时）1、传导的定义、基本原理及分类2、傅立叶定律3、傅立叶定律的应用（1）平壁导热计算（2）空心圆柱体导热计算（3）空心球体导热计算第五节对流传热（讲授4学时）1、间壁式换热机理2、牛顿冷却定律3、对流传热系数及其影响因素4、无相变传热过程的对流传热膜系数计算。第六节传热系数与传热壁面积（讲授2学时）1、传热系数K计算公式的推导2、K计算公式的简化及传热面积计算第七节传热计算示例（讲授2学时）第八节换热器（讲授6学时）1、换热器简介（1）夹套式（2）蛇管式（3）套管式（4）列管式（5）螺旋板式（6）波纹板式（7）板翅式2、换热器的性能比较3、非标准列管式换热器的工艺设计方法4、标准列管式换热器的选型设计方法第五章蒸发（10学时）第一节概述（讲授2学时）1、蒸发的定义、基本原理及分类2、蒸发专用名词3、典型蒸发流程简介第二节单效蒸发（讲授6学时）1、单效蒸发器的物料衡算与热量衡算2、单效蒸发器的沸点升高与Δtm计算3、管内沸腾过程的α计算4、单效蒸发器的传热面积计算5、单效蒸发器的选型设计第三节多效蒸发（讲授2学时）1、多效蒸发流程2、蒸发系统的热效率与节能第六章蒸馏与精馏技术（24学时）第一节概述（讲授4学时）1、基本概念（定义、基本原理及分类）2、二元溶液的气液相平衡（1）溶液的分类（2）理想溶液的气液相平衡（3）非理想溶液的气液相平衡3、蒸馏方式（简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏原理及流程）第二节二元板式连续精馏塔的物料衡算（讲授4学时）1、恒摩尔流假设2、全塔物料衡算—产品流量的确定3、精馏段的物料衡算与精馏段操作线方程4、提馏段的物料衡算与提馏段操作线方程5、加料板的物料衡算—两段气液相流量的确定6、精、提馏段操作线的交点轨迹方程7、操作线的画法第三节二元板式连续精馏塔的塔板数（讲授4学时）1、理论塔板数（1）理论塔板的概念（2）理论塔板数的确定（逐板计算法、图解法）2、实际塔板数（1）板效率（单板效率、塔效率）（2）实际塔板数的确定第四节操作回流比（讲授2学时）1、操作回流比对精馏操作的影响2、全回流与最少理论塔板数3、最小回流比及其确定4、适宜操作回流比的确定5、进料状态对精馏操作的影响第五节特殊精馏（讲授2学时）1、水蒸汽精馏（基本原理、流程）2、恒沸精馏（基本原理、典型流程）3、萃取精馏（基本原理、典型流程）第六节多元精馏（讲授2学时）1、多元精馏的特点2、多元精馏系统的气液相平衡3、多元精馏系统的简化计算方法第七节板式塔（讲授6学时）1、板式塔简介（1）板式塔的主要构造（2）塔板结构与性能（3）溢流方式（4）板式塔的非正常操作现象（5）板式塔的总体设计要求2、浮阀塔的工艺设计（1）初估塔径（2）溢流装置设计（3）浮阀数与塔板布置（4）性能校核—负荷性能图（5）操作弹性及调整第七章气体吸收（16学时）第一节概述（讲授2学时）1、基本概念（吸收的定义、基本原理、分类、流程）2、填料类型与特性（类型、特性、装填方式）3、吸收系统的气液相平衡（1）溶解度曲线（溶解度曲线及讨论、亨利定律与亨利系数）（2）吸收推动力及过程判定第二节吸收机理与吸收速率方程（讲授2学时）1、扩散方式2、双膜理论模型3、吸收速率与吸收速率方程第三节吸收系数（讲授2学时）1、吸收总系数与分系数间的关系（界面浓度的确定、总系数与分系数间的定量关系、膜控制过程）2、吸收分系数（分系数间的换算关系、分系数经验公式及适用范围）第四节单组分填料吸收塔的工艺设计（讲授8学时）1、溶剂的选择与用量确定（1）溶剂的选择原则（2）填料吸收塔的物料衡算（吸收能力计算、吸收操作线方程）（3）操作液气比的影响及其确定（4）溶剂用量与出口浓度的确定2、填料塔塔径的确定（1）填料的选用原则（2）操作空塔气速的确定－埃克特通用关联图（3）塔径的确定与校核（包括压力降与润湿率校核）3、填料层高度的计算（1）填料层高度计算通式的推导（2）传质单元的概念（3）对数平均推动力法（4）解吸因子法（5）图解积分法4、附件设计（液体分布器、再分布器、捕沫器、填料支承）第五节其它吸收与解吸（讲授2学时）1、高浓度气体吸收（特点、简化计算方法）2、多组分吸收（特点、计算方法简介）3、化学吸收（特点、控制因素）4、解吸与解吸流程（原理、流程、工艺计算方法）第八章其它分离技术（14学时）第一节萃取分离技术（讲授4学时）1、基本概念（定义、基本原理与流程、相关名词术语）2、萃取平衡——三角相图的应用（1）三元溶液组成的图示（2）萃取系统的杠杆规则（3）萃取系统的溶解度曲线（4）萃取计算3、工业萃取设备（1）混合澄清器（2）萃取塔（喷洒塔、填料萃取塔、筛板萃取塔、脉冲筛板塔、往复筛板塔、转盘萃取塔）（3）离心萃取器4、超临界气体萃取（1）超临界气体萃取基础（2）典型流程及应用第二节膜分离技术（讲授6学时）1、膜分离概念与分类2、膜分离设备类型3、膜分离指标参数及影响4、膜分离过程简介（1）电渗析（原理、典型流程及应用）（2）反渗透（原理、典型流程及应用）（3）微滤（原理、典型流程及应用）（4）超滤（原理、典型流程及应用）（5）纳滤（原理、典型流程及应用）（6）气体膜分离（原理、典型流程及应用）（7）液膜分离（原理、典型流程及应用）第三节吸附分离技术（讲授2学时）1、基本概念（吸附原理、吸附剂）2、吸附平衡与吸附速率3、吸附设备（固定床、移动床、变压吸附）4、吸附分离技术的应用第四节离子交换技术（讲授2学时）1、离子交换剂2、离子交换平衡3、离子交换设备4、离子交换技术的应用第九章固体干燥（12学时）第一节概述（讲授4学时）1、去湿与干燥的分类2、干燥机理与流程3、湿空气的性质4、湿度图及其应用第二节空气干燥器的物料衡算（讲授2学时）1、空气干燥器的物料衡算方程2、干燥产品流量的确定3、水分蒸发量4、干空气的消耗量及风机工作流量第三节空气干燥器的热量衡算（讲授2学时）1、空气干燥器的热量衡算方程2、空气干燥器的热效率3、空气出口状态的确定第四节恒定干燥条件下的干燥时间计算（讲授2学时）1、物料水分的性质2、恒定干燥条件下的干燥速率曲线3、恒定干燥条件下的干燥时间计算第五节空气干燥器简介（讲授2学时）1、盘架式干燥器2、带式干燥器3、滚筒干燥器4、气流干燥器5、转筒干燥器（转窑）6、沸腾床干燥器7、喷雾干燥器8、升华干燥五、学时分配表教学内容学时数绪论4第一章流体力学24第二章流体输送14第三章非均相系统的分离16第四章传热26第五章蒸发10第六章蒸馏与精馏技术24第七章气体吸收16第八章其它分离技术14第九章固体干燥12合计160六、几点说明1、本大纲是根据我校的办学条件并结合工科化工类专业的专业特色制定的。2、本课程的工程性、实践性和相关知识的综合性较强，教学方法应注重培养学生的工程实践能力，重视学生智力的开发和能力的培养并贯串整个教学过程始终。3、在教学过程初期应安排学生到有关厂家进行认识实习并根据教学要求配套开设相关实验课程；在课程结束前，应安排1～2周的课程设计，以加强实践能力培养，使理论教学与实践教学有机地结合起来。4、教师在进行课程教学的同时，要引导学生自觉学习选学教学内容。

电化学技术在新能源中的利用一.能源的概况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发展而不停地进行奋斗.在这一过程中,能源一直扮演着重要的角色.从世界经济发展的历史和现状来看,能源问题已成为社会经济发展中一个具有战略意义的问题,能源的消耗水平已成为衡量一个国家国民经济发展和人民生活水平的重要标志,能源问题对社会经济发展起着决定性的作用.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,一般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发展的重要物质基础,是国民经济发展的命脉,但目前主要使用的化石能源的储量不多.据2002年世界探明的化石能源的储量和使用量统计,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有82,15和46年.这表明在人类历史的长河中,只有很短的一段时间能使用化石能源.随着我国经济的持续高速增长,对能源的需求也持续攀升.我国一次能源消费总量从1978年的5.3亿吨标准煤,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,这不但会制约我国经济的可持续发展,而且对国家的安全也十分不利.(2)化石燃料造成严重环境污染和气候异常化石燃料造成严重环境污染和气候异常化石燃料的使用引起的环境污染,排放的CO2会造成温室效应,使全球气候变暖.有关机构已向联合国发出警告,如再不对CO2的排放采取严厉措施,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.在本世纪初联合国关于环境污染的调查中,发现在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,济南和石家庄.4.21世纪世界能源发展趋势世纪世界能源发展趋势(1)节能技术将备受重视节能技术将备受重视节能就是提高能源利用率,减少能源的浪费.目前节能技术水平已是一个国家能源利用情况的综合性指标,也是一个国家总体科学技术水平的重要标志.许多研究报告指出,依靠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,是世界平均水平的2倍,发达国家的5-10倍,因此更应重视节能技术,我国应该充分重视化石能源的高效利用.(2)世界能源系统将发生重大变革世界能源系统将发生重大变革据预测,20世纪形成的以化石燃料为主的世界能源系统将在21世纪转换成以可再生能源为主的新的世界能源系统.在20世纪末,化石燃料的使用量占了世界一次能源用量的89.5%.据世界能源委员会(WEC)和国际应用分析系统研究所的研究报告认为,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受到重视煤炭将作为过渡能源而受到重视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世纪上半叶受到重视.主要发展的技术是洁净煤技术,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,甲烷水合物的开发已经受到特别的关注.据估计,世界甲烷水合物的储量可能超过石油,天然气和煤炭储量的总和.因此,甲烷水合物作为储量巨大的未开发能源开始受到世界各国的高度重视.(5)核能的利用将进一步得到重视核能的利用将进一步得到重视据国际原子能机构统计,在20世纪末,全世界运行的核电站有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,由于担心核电站运转的安全性,核废料对环境的影响和核技术扩散对世界安全性的影响,核能的发展在发达国家已有下降趋势,但在亚洲地区仍有强劲的增加趋势,我国准备在今后几年内建造4座核电站.受控核聚变是一直受人们关心的技术,因为在海水中大约有23.4亿万吨氘,如受控核聚变技术在21世纪能得到应用,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受到重视可再生能源的开发将越来越受到重视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重视.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,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4.5亿吨标准煤.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)直接燃烧.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基本成熟,但生产成本较高.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.通过气化,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,含硫低,分解性能好,燃烧效率高等优点.(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是其生长过程通过光合作用从环境吸收的,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理生活垃圾等,可得到以甲烷为主的燃气,实现垃圾的减量化,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点主要是生物质分布广,大面积收集成本高,经济的收集半径在50公里以内,只适合建立小型,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,这是生物质能至今未能实现规模化应用的关键问题之一.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要解决的问题.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.太阳内部不停地进行热核反应,释放出巨大的能量,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6×1017千瓦小时,相当于74万吨标准煤的能量.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)太阳能的使用没有污染问题太阳能的使用没有污染问题这也是众所周知的,太阳能的使用基本上没有污染问题.(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.太阳能利用的概况太阳能利用的概况近年来,太阳能的利用发展很快,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,美国和欧盟计划在2010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.太阳能的热利用发展更快.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,其次是降低成本,这对我国特别重要,目前我国生产太阳能电池的能力已达几百兆瓦,但由于价格高,基本上都销往国外.第三,一些技术,如光催化和光电催化制氢技术还没成熟,没有达到实用化的阶段,应该抓紧这方面的研究和发展.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)氢是除核燃料外发热量最大的燃料.(3)氢燃烧生成水,是世界上最清洁的燃料.(4)燃烧性能好,可燃范围大,燃烧速度快.(5)氢可用多种方法大规模生产.(6)氢的利用形式多,可通过燃烧发电,通过燃料电池发电等.2.对氢能利用的重视2002年加拿大举办了以"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个国家和地区参加的"国际氢能经济合作伙伴"会议.冰岛计划用40年时间将冰岛建成"氢社会".布什将投资120亿美元来促进氢能源的发展.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热门话题,21世纪将是氢能世纪.布什举着使用氢燃料的照相机我国对发展氢能经济也开始重视,参加了2003年在华盛顿召开的有15国家参加的"国际氢能经济合作伙伴"会议.2004和2005举办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持续性分析,石油的替代能源,氢能燃料和我国的石油替代能源.并要组织人员进行软课题研究.3.氢能的问题3.氢能的问题(1)氢的价格氢的制备,储存和运输中的价格问题,是影响走进氢能时代的很关键的问题.要降低其价格,必须形成氢的制备,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,氢的制取要消耗大量的能量,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心的问题.(a)化石燃料制氢:目前,96%氢从化石燃料制备,技术成熟,但要造成环境污染.(b)电解水制氢:技术成熟,但耗能多,价格高.一般每生产1立方米的氢气,需要消耗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,从中长期看是最有前途的制氢方式.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工作进展不快,制氢效率低.(e)风能制氢:用风能发电来电解水产生氢,技术上没有问题,降低成本和风能发电量少是主要的问题.(f)太阳能制氢:该法还处在基础研究阶段,离商业化还有较远的距离.(3)氢的储运问题(3)氢的储运问题氢的储运技术主要解决储运的安全性和成本,现在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.因此解决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,只有1%左右,还有不安全的问题.(b)液氢储氢:很不方便,储氢设备大,蒸发损失大.(c)吸附储氢:这是目前的研究热点,但储氢容量还较低,一般不超过2%.镁合金储氢在3%,但储放不可逆.热门一时的纳米碳管储氢也已没有了希望,最终的储氢量也只有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原因.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究十分重视.美国《时代周刊》把燃料电池列为21世纪十大高新科技之首,燃料电池已被认为是21世纪极具应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,而且燃料电池的发展已有100多年的历史,但至今还没有一种燃料电池已经真正商品化,因此,燃料电池何时才能商品化是一个与氢能利用密切相关的问题.4.反对氢能的意见4.反对氢能的意见(a)氢以化合物形式存在,制氢要消耗能源.它不是一种能源,而是能源的流通手段.(b)氢的泄漏会改变气候.氢不可避免泄漏,泄漏量可达15%.泄漏的氢会在大气形成水雾,它会象二氧化碳一样,使天气变暖.(c)现在一般用高压氢作燃料电池燃料,氢的泄漏会产生很大的不安全性,手机等的火花就会使泄漏的氢发生爆炸.(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)氢的清洁生产要用风能和太阳能.据估计,如用风能发电制氢,当风能发电量达到美国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120亿美元用于氢能的研究是一个微不足道的投资.美国去年用于核能和矿物质燃料方面的研究经费大于氢燃料的研究经费.美国推行"健康婚姻"的预算就有150亿美元.美国用于伊拉克战争的经费每月390亿美元.(7)氢燃料电池价格昂贵.目前内燃机成本为每千瓦50美元,而氢燃料电池为800美元.估计大量使用后,也要300美元.另外所有的加油站改成加氢站也要花费大量的资金.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,小型燃料电池同样能够实现高效发电,适合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燃烧直接以电化学反应的方式将燃料的化学能转变成电能的装置,只要连续供应燃料,燃料电池就能连续发电.3.原理阳极反应:H2=2H++2e阴极反应:1/2O2+2H++2e=H2O总的反应:H2+1/2O2=H2O4.燃料电池分类碱性燃料电池(AFC)(1)碱性燃料电池(AFC)阳极:催化剂:Pt,燃料:氢阴极:催化剂:Ag,氧化剂:氧电解液:30%KOH隔膜:石棉膜工作温度: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,不宜地面使用(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%磷酸工作温度:200oC用途:家庭住宅能源和汽车动力源优点:稳定性好,已有商品生产缺点:用贵金属作催化剂,价格高.(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:氢阴极:催化剂:Pt,氧化剂:氧电解液:含水的质子交换膜工作温度: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,应用范围广缺点:对CO敏感,价格高,800美元/千瓦,而内燃机50美元/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工作温度:60-80oC用途:可移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)工作温度:600oC用途:发电站优点:反应温度高,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,电解液会腐蚀电极材料.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,CeO2等工作温度: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.抗中毒能力强.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.价格高.5.PEMFC发展现状发展现状(1)世界各国对世界各国对PEMFC的重视世界各国对的重视近十年来,近十年来,PEMFC技术的研究开发受到技术的研究开发受到许多国家的政府和跨国大公司的极大重视,许多国家的政府和跨国大公司的极大重视,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计划,年奥运会期间,我国计划,到2008年奥运会期间,将有我年奥运会期间国生产的燃料电池电动车会小批量,国生产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2010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行,届时,上海将建成5座加氢将投