电化学技术在新能源中的利用

本文由heshuquan_0奉献ppt文档可能在A 端扫瞄体验不佳。建议您优先选择TXT或下载源文件到本机查看。电化学技术在能源研发中的应用陆天虹中国科学院长春应用化学争论所南京师范大学化学与环境科学学院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进展而不停地进展奋斗.在这一过程中,能源始终扮演着重要的角色.从世界经济进展的历史和现状来看,能源问题已成为社会经济进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进展和人民生活水平的重要标志,能源问题对社会经济进展起着打算性的作用.能源的种类2.能源的种类大自然赐予人类的能源是多种多样 的,一般可分为常规能源和能源 两大类.常规能源包括煤炭,石油,自然气和水能,而能源有生物质能,核能,风能,地热能,海洋能,太阳能和氢能等.其中煤炭,石油,自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.化石能源的问题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进展的重要物质根底,是国民经济进展的命脉,但目前主要使用的化石能源的储量不多.据2023年世界探,,204,4060年,中国的状况更为严峻,2023年统计,中国煤,石油和自然气的储采比只有82,1546年.,.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19785.3亿吨标准煤,202314.3亿吨.据估量,2023,2023和20503,4.56亿吨,1,2.74亿吨.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进展,而且对国家的安全也格外不利.化石燃料造成严峻环境污染和气候特别化石燃料造成严峻环境污染和气候特别化石燃料的使用引起的环境污染，C02会造成温室效应，使全球气候变暖.有关,CO2,10年内将产生不行逆转的变化.我国的环境污染问题更是日趋严峻,目前,我国C02排放量占世14%在美国之后位居其次,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,觉察在世界上十个环境污染最严峻的城市中,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.21世纪世界能源进展趋势世纪世界能源进展趋势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,削减能源的铺张.目前节能技术水平已是一个国家能源利用状况的综合性指标,也是一个国家总体科学技术水平的重要标志.很多争论报告指出,依靠节能可以将能源需求量降低2530%.,,2倍,兴旺5-10倍,因此更应重视节能技术,我国应当充分重视化石能源的高效利用.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推测,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争论所的争论报告认为, 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,风能等能源将占世界能源的50%左右.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.主要进展的技术是干净煤技术,煤液化和汽化技术.(4)化石能源的开发将得到强化化石能源的开发将得到强化近年来觉察,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.据估量,世界甲烷水合物的储量可能超过石油,自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头.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,20世纪末,全世界运行的核电站有436座,总发电3.5亿千瓦.这些电站主要分布在美,法,日,英,31个国家,近年来,由于担忧核电站运转的安全性,核废料对环境的影响和核技术集中对世界安全性的影响,核能的进展在兴旺国家已有下降趋势,但在亚洲地区仍有强劲的增加趋势,我国预备在今后几年内423.4亿,21,21,30%左右.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峻的环境污染和气候特别,人们对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.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4.5因此规.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根本成熟,但生..20231300.(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.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取的,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,,无害化,资源化.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,大面积收集本钱高,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,,.三.太阳能的利用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 量的极小局部,约1/22亿,但地球每年接收的太阳能至少有6X1017千瓦小时,相当于74万吨标准煤的能量.其中被植物吸取的仅占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.太阳能利用的概况太阳能利用的概况近年来,太阳能的利用进展很快,据1997年的数据,全球太阳能发电量已达800兆瓦.2023年,日本已有7万个住宅用上太阳能电池,美国和欧盟打算在2023年前安装100万套太阳能电池.特别是把太阳能电池与屋300套1亿千瓦.但可供给清洁能源,而且美观耐用,寿命可达25年.太阳能的热利用进展更快.特别在我国,60多亿元,.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,目前我国生产太阳能电池的力量已达几百兆瓦,但由于价格高,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,没有到达有用化的阶段,应当抓紧这方面的争论和进展.四.氢能的利用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,.对氢能利用的重视2023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.2023年在华盛顿召开15个国家和地区参与的“国际氢能经济合作伙伴“会议.冰岛打算用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进展.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%.氢将取代自然气,油和煤而成为将来世界的主要能源,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进展氢能经济也开头重视,参与了2023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.2023和2023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,主要争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.并要组织人员进展软课题争论.3.(1),是影响走进氢能时代的很关键的问题.要降低其价格,必需形成氢的制备,储存和运输的.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.(a):目前,96%,,.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4.2-6,32%.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:该法还处在基础争论阶段,离商业化还.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本钱,现在由于储运技术不过关,因此铺张了很多氢.很多工业过程,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..:,1%,.(b):便,(c)吸附储氢:,,2%.3%,,1%.(e):.燃料电池还没有商品化用氢作燃料的燃料电池的消灭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峻,各国对燃料电池的争论格外重视.美国《时代周刊》把燃料电池列为21世纪十大高科技之首,燃料电池已被认为是21世纪极具应用前景的一种型能源系统.虽然燃料电池有很迷人的优点,而且燃料电池的进展已有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,.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)氢的泄漏会转变气候.氢不行避开泄漏,泄漏15%.,(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担忧全性,手机等的火花就会使泄漏的氢发生爆炸.(d)冰岛能做的,其他国家不肯定能做,冰岛的氢都是电解水制得的因70%.氢的清洁生产要用风能和太阳能.据估量,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120亿美元用于氢能的争论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争论经费大于氢燃料的争论经费.美国推行“安康婚姻“的预算就有150亿美390(7)目前内燃50美元,800美元.,300美元.另外全部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特别.(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.燃料电池定义燃料电池是一种不经燃烧直接以电化学反响的方式将燃料的化学能转变成电能的装置,只要连续供给燃料,燃料电池就能连续发电.3.原理阳极反响:H2=2H2e阴极反响:1/2O22H2eH2O:H21/2O2H2O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:CO2敏感，不宜地面使用磷酸燃料电池(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.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:CO敏感,价格高,800美元/千瓦,50美元/千瓦.氢源问题.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.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::NiO,氧化剂：氧电解液:熔融碳酸盐(NaCO3-LiCO3):600oC用途:发电站优点:反响温度高，不需贵金属催化剂.CO的燃料气.寿命长.能量转换率高,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.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：.可用各种燃料气.抗中毒力量强.能量转换率最高,80%以上.问题:高温下,密封困难,放大困难.价格高.PEMFC进呈现状进呈现状(1)PEMF的重视世界各国对的重视近十年来，近十年来，PEMFC技术的争论开发受到技术的争论开发受到很多国家的政府和跨国大公司的极大重视,很多国家的政府和跨国大公司的极大重视，已消灭很多PEMF(电动车样车.电动车样车.已消灭很多电动车样车我国打算,年奥运会期间,我国打算,2023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2023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座加氢将投入运行,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(a)，汽PEMFC勺最终的价格到达$50-100/kW时，才能有竞争力量，由于现在内燃机的价格为$50/kW左右,PEMF啲价格在$800/kW左右.在现在技术的基础上,即使PEMFC50万台,其价格也要在$300/kW.PEMFC价格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格高而引起的.另外运行成本也远高于燃油汽车.(b)燃料问题燃料问题目前的PEMF&般用高压氢作燃料，但高压氢作燃料有担忧全,载量低,加油站改装要巨大费用等问题.现在进展了超高压氢技术.研制甲醇,汽油和自然气裂解的随车制氢技术.但目前车载自然气重整制氢技术离实用还有相当的距离.美国能源部根本放弃该路线.用储氢材料制备储氢装置还没有过储氢容量太低.关,储氢容量太低.现在很多生产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.