電化學(xué)技術(shù)在新能源研發(fā)中的具體應(yīng)用

1、電化學(xué)技術(shù)在新能源研發(fā)中的具體應(yīng)用 一.能源的概況1.能源的重要性 自古以來，人類就為改善生存條件和促進社會經(jīng)濟的發(fā)展而不停地進行奮斗。在這一過程中，能源一直扮演著重要的角色。從世界經(jīng)濟發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀來看，能源問題已成為社會經(jīng)濟發(fā)展中一個具有戰(zhàn)略意義的問題，能源的消耗水平已成為衡量一個國家國民經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的重要標志，能源問題對社會經(jīng)濟發(fā)展起著決定性的作用。 2.能源的種類 大自然賦予人類的能源是多種多樣的，一般可分為常規(guī)能源和新能源兩大類。常規(guī)能源包括煤炭、石油、天然氣和水能，而新能源有生物質(zhì)能、核能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽?、太陽能和氫能等。其中煤炭、石油、天然氣被成為化石能源，水?/p>

2、、生物質(zhì)能、風(fēng)能、太陽能和氫能等是可再生能源。3.化石能源的問題 (1)化石能源的短缺 能源是人類賴以生存和社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是國民經(jīng)濟發(fā)展的命脈，但目前主要使用的化石能源的儲量不多。據(jù)2002年世界探明的化石能源的儲量和使用量統(tǒng)計，世界上煤、石油和天然氣的儲采比分別為204、40和60年，中國的情況更為嚴峻，據(jù)2002年統(tǒng)計，中國煤、石油和天然氣的儲采比只有82、15和46年。這表明在人類歷史的長河中，只有很短的一段時間能使用化石能源。 隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)高速增長，對能源的需求也持續(xù)攀升。我國一次能源消費總量從1978年的億噸標準煤，上升到2002年的億噸。據(jù)估計，我國在2004、20

3、20和2050年的石油消費量達3、和6億噸，其中進口量分別為1、和4億噸。4億噸的進口量相當于目前美國的石油進口量，這不但會制約我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，而且對國家的安全也十分不利。 (2)化石燃料造成嚴重環(huán)境污染和氣候異常 化石燃料的使用引起的環(huán)境污染,排放的CO2會造成溫室效應(yīng)，使全球氣候變暖。有關(guān)機構(gòu)已向聯(lián)合國發(fā)出警告，如再不對CO2的排放采取嚴厲措施，在10年內(nèi)，世界的氣候?qū)a(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的變化。我國的環(huán)境污染問題更是日趨嚴重，目前，我國CO2排放量占世界總排放量的14，在美國之后位居第二，估計到2025年，將位居第一。在本世紀初聯(lián)合國關(guān)于環(huán)境污染的調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)在世界上十個環(huán)境污染最嚴重的城

4、市中，七個在中國。它們是太原、北京、烏魯木齊、蘭州、重慶、濟南和石家莊。 4. 21世紀世界能源發(fā)展趨勢(1)節(jié)能技術(shù)將備受重視節(jié)能就是提高能源利用率，減少能源的浪費。目前節(jié)能技術(shù)水平已是一個國家能源利用情況的綜合性指標，也是一個國家總體科學(xué)技術(shù)水平的重要標志。許多研究報告指出，依靠節(jié)能可以將能源需求量降低25-30%。 我國在能源利用方面的效率很低，我國的能耗很高，是世界平均水平的2倍，發(fā)達國家的5-10倍，因此更應(yīng)重視節(jié)能技術(shù)，我國應(yīng)該充分重視化石能源的高效利用。 (2)世界能源系統(tǒng)將發(fā)生重大變革 據(jù)預(yù)測，20世紀形成的以化石燃料為主的世界能源系統(tǒng)將在21世紀轉(zhuǎn)換成以可再生能源為主的新的世

5、界能源系統(tǒng)。在20世紀末，化石燃料的使用量占了世界一次能源用量的89.5%。據(jù)世界能源委員會(WEC)和國際應(yīng)用分析系統(tǒng)研究所的研究報告認為，在20世紀上半葉，化石燃料仍將是世界一次能源的主體，但到21世紀下半葉，太陽能、生物質(zhì)能、風(fēng)能等新能源將占世界能源的50%左右。 (3)煤炭將作為過渡能源而受到重視由于石油和天然氣的儲量較少，而煤炭儲量相對較多，因此煤炭將作為一種過渡能源而在21世紀上半葉受到重視。主要發(fā)展的技術(shù)是潔凈煤技術(shù)、煤液化和汽化技術(shù)。(4)新化石能源的開發(fā)將得到強化近年來發(fā)現(xiàn)，在海洋300米深處有甲烷水合物存在。目前，甲烷水合物的開發(fā)已經(jīng)受到特別的關(guān)注。據(jù)估計，世界甲烷水合物的

6、儲量可能超過石油、天然氣和煤炭儲量的總和。因此，甲烷水合物作為儲量巨大的未開發(fā)能源開始受到世界各國的高度重視。 (5)核能的利用將進一步得到重視據(jù)國際原子能機構(gòu)統(tǒng)計，在20世紀末，全世界運行的核電站有436座，總發(fā)電量為億千瓦。這些電站主要分布在美、法、日、英、俄等31個國家，近年來，由于擔(dān)心核電站運轉(zhuǎn)的安全性、核廢料對環(huán)境的影響和核技術(shù)擴散對世界安全性的影響，核能的發(fā)展在發(fā)達國家已有下降趨勢，但在亞洲地區(qū)仍有強勁的增加趨勢，我國準備在今后幾年內(nèi)建造4座核電站。受控核聚變是一直受人們關(guān)心的技術(shù)，因為在海水中大約有億萬噸氘，如受控核聚變技術(shù)在21世紀能得到應(yīng)用，在21世紀末，核能可望占世界一次能

7、源的30%左右。 (6)可再生能源的開發(fā)將越來越受到重視 鑒于化石燃料的短缺及化石燃料的使用引起嚴重的環(huán)境污染和氣候異常，人們對新能源的開發(fā)越來越重視。其中水力能、地?zé)崮?、海洋能和風(fēng)能的可利用資源有限，因此，太陽能、生物質(zhì)能和氫能的利用將倍受關(guān)注。 二生物質(zhì)能的利用 1生物質(zhì)能的優(yōu)點(1)生物質(zhì)來源豐富 地球上每年生長的生物質(zhì)總量約1400-1800億噸，相當于目前世界總能耗的10倍，我國的生物質(zhì)能也極為豐富，可作為能源開發(fā)的生物質(zhì)能總量可達億噸標準煤。加上生物質(zhì)能可再生。因此，生物質(zhì)能的高效、規(guī)模化利用可有效緩解世界能源供需矛盾。 (2)生物質(zhì)能可多途徑利用(a)直接燃燒。其熱能和蒸汽可發(fā)電

8、，技術(shù)成熟，但效率低。(b)生物轉(zhuǎn)化。包括制沼氣和水解發(fā)酵制取醇類。生物質(zhì)制甲醇和乙醇技術(shù)基本成熟，但生產(chǎn)成本較高。生物質(zhì)制沼氣技術(shù)相當成熟。2002年全國已建1300多萬個沼氣池。(c)光熱轉(zhuǎn)化。通過氣化、裂解、光催化等技術(shù)，獲得氣、液體燃料來發(fā)電。(d)生物柴油。從油料植物提取植物油，經(jīng)甲酯化得生物柴油。它有含氧高、含硫低、分解性能好、燃燒效率高等優(yōu)點。 (3)生物質(zhì)能利用的環(huán)境污染少 由于生物質(zhì)利用過程中釋放的CO2是其生長過程通過光合作用從環(huán)境吸收的，所以生物質(zhì)能的利用過程不排放額外的CO2，而對環(huán)境污染少。 生物質(zhì)能的利用還能降低污染。如可利用生物質(zhì)熱解汽化技術(shù)處理生活垃圾等，可得到

9、以甲烷為主的燃氣，實現(xiàn)垃圾的減量化、無害化、資源化。 2.生物質(zhì)能利用的問題 生物質(zhì)能利用的缺點主要是生物質(zhì)分布廣、大面積收集成本高，經(jīng)濟的收集半徑在50公里以內(nèi)，只適合建立小型、分散的生物質(zhì)能利用系統(tǒng)。而小型轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率低，不提高生物質(zhì)能的利用效率就不能獲得好的經(jīng)濟效益，這是生物質(zhì)能至今未能實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵問題之一。因此，如何在小型、分散體系實現(xiàn)能量的高效、清潔及規(guī)模化利用是迫切需要解決的問題。 三太陽能的利用 1.太陽能的優(yōu)點 (1)太陽能來源豐富太陽能來源豐富是眾所周知的，這似乎是一種用之不絕、取之不盡的能源。太陽內(nèi)部不停地進行熱核反應(yīng)，釋放出巨大的能量，輻射到地球上的能量只占起輻

10、射總能量的極小部分，約1/22億，但地球每年接收的太陽能至少有61017千瓦小時，相當于74萬噸標準煤的能量。其中被植物吸收的僅占0.015%?？梢?，開發(fā)太陽能利用的潛力很大。 (2)太陽能的使用沒有污染問題這也是眾所周知的，太陽能的使用基本上沒有污染問題。(3)太陽能可多途徑利用(a)太陽能的熱利用。如太陽能熱水器、太陽灶、太陽能蓄熱池發(fā)電等。(b)太陽能發(fā)電。如太陽能電池和光電池。(c)光催化和光電催化制氫。主要用這兩種技術(shù)從水或生物質(zhì)中制得氫氣。 2.太陽能利用的概況近年來，太陽能的利用發(fā)展很快，據(jù)1997年的數(shù)據(jù)，全球太陽能發(fā)電量已達800兆瓦。到2000年，日本已有7萬個住宅用上太陽

11、能電池，美國和歐盟計劃在2010年前安裝100萬套太陽能電池。特別是把太陽能電池與屋頂瓦結(jié)合成光電發(fā)電系統(tǒng)，目前歐洲已有300套，年發(fā)電量為1億千瓦。這種系統(tǒng)不但可供應(yīng)清潔能源，而且美觀耐用，壽命可達25年。太陽能的熱利用發(fā)展更快。特別在我國，太陽能熱水器的年產(chǎn)值已達60多億元，居世界首位。 3.太陽能利用的問題開發(fā)太陽能利用的主要問題是如何提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率，其次是降低成本，這對我國特別重要，目前我國生產(chǎn)太陽能電池的能力已達幾百兆瓦，但由于價格高，基本上都銷往國外。第三，一些技術(shù)，如光催化和光電催化制氫技術(shù)還沒成熟，沒有達到實用化的階段，應(yīng)該抓緊這方面的研究和發(fā)展。四.氫能的利用1.氫能的

12、優(yōu)點(1)氫是自然界儲量最豐富的元素。(2)氫是除核燃料外發(fā)熱量最大的燃料。(3)氫燃燒生成水，是世界上最清潔的燃料。(4)燃燒性能好，可燃范圍大，燃燒速度快。(5)氫可用多種方法大規(guī)模生產(chǎn)。(6)氫的利用形式多，可通過燃燒發(fā)電，通過燃料電池發(fā)電等。2.對氫能利用的重視2002年加拿大舉辦了以“氫行星”為主題的第14屆世界氫能源大會。 2003年在華盛頓召開15個國家和地區(qū)參加的“國際氫能經(jīng)濟合作伙伴”會議。冰島計劃用40年時間將冰島建成“氫社會”。布什將投資120億美元來促進氫能源的發(fā)展。過去5年，工業(yè)化國家在氫能開發(fā)領(lǐng)域的投入年均遞增。氫將取代天然氣、油和煤而成為未來世界的主要能源，進入氫

13、能時代已成為近年來的熱門話題，21世紀將是氫能世紀。我國對發(fā)展氫能經(jīng)濟也開始重視，參加了2003年在華盛頓召開的有15國家參加的“國際氫能經(jīng)濟合作伙伴”會議。2004和2005舉辦了兩次關(guān)于氫能經(jīng)濟的中美雙邊會議。今年一月，中國科學(xué)院院士局召開了關(guān)于“石油替代能源”的研討會，主要討論石油資源可持續(xù)性分析、石油的替代能源、氫能燃料和我國的石油替代能源。并要組織人員進行軟課題研究。3.氫能的問題 (1)氫的價格 氫的制備、儲存和運輸中的價格問題，是影響走進氫能時代的很關(guān)鍵的問題。要降低其價格，必須形成氫的制備、儲存和運輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)。(2)廉價清潔的制氫技術(shù)問題 目前制氫效率很低,氫的制取要消耗大量的能

14、量，因此尋求大規(guī)模的廉價清潔的制氫技術(shù)是各國科學(xué)家共同關(guān)心的問題。 (a) 化石燃料制氫：目前，96氫從化石燃料制備，技術(shù)成熟，但要造成環(huán)境污染。 (b)電解水制氫：技術(shù)成熟，但耗能多、價格高。一般每生產(chǎn)1立方米的氫氣，需要消耗度的電能，其能量轉(zhuǎn)化率不到32。 (c)生物質(zhì)制氫：有可再生、產(chǎn)量大、可儲存、碳循環(huán)等優(yōu)點，從中長期看是最有前途的制氫方式。目前生物質(zhì)制氫效率低。 (d)生物制氫：國內(nèi)外在選育高效產(chǎn)氫菌株工作進展不快，制氫效率低。 (e)風(fēng)能制氫：用風(fēng)能發(fā)電來電解水產(chǎn)生氫，技術(shù)上沒有問題，降低成本和風(fēng)能發(fā)電量少是主要的問題。 (f)太陽能制氫：該法還處在基礎(chǔ)研究階段，離商業(yè)化還有較遠的

15、距離。(3)氫的儲運問題 氫的儲運技術(shù)主要解決儲運的安全性和成本，現(xiàn)在由于儲運技術(shù)不過關(guān)，因此浪費了許多氫。許多工業(yè)過程，如煉油、煉焦、氯堿、合成氨、合成甲醇及煤氣制造等多有大量的副產(chǎn)品氫氣，只是由于儲運技術(shù)的問題而不能被利用。我國每年放空和燒掉的氫氣至少在1010標立方米以上。因此解決氫的儲運問題也是走進氫能時代的一個很關(guān)鍵的問題。目前氫的儲運還有很大問題。 (a)高壓儲氫：儲氫量少，只有1左右，還有不安全的問題。(b) 液氫儲氫：很不方便，儲氫設(shè)備大，蒸發(fā)損失大。(c)吸附儲氫：這是目前的研究熱點，但儲氫容量還較低，一般不超過2。鎂合金儲氫在3，但儲放不可逆。熱門一時的納米碳管儲氫也已沒有

16、了希望，最終的儲氫量也只有1左右。(e)化合物儲氫：放氫不容易。(4)燃料電池還沒有商品化 用氫作燃料的燃料電池的出現(xiàn)是促進氫能利用的重要原因。近年來，由于化石燃料資源短缺和環(huán)境污染日趨嚴重，各國對燃料電池的研究十分重視。美國時代周刊把燃料電池列為21世紀十大高新科技之首，燃料電池已被認為是21世紀極具應(yīng)用前景的一種新型能源系統(tǒng)。雖然燃料電池有很誘人的優(yōu)點，而且燃料電池的發(fā)展已有100多年的歷史，但至今還沒有一種燃料電池已經(jīng)真正商品化，因此，燃料電池何時才能商品化是一個與氫能利用密切相關(guān)的問題。 4.反對氫能的意見 (a)氫以化合物形式存在，制氫要消耗能源。它不是一種能源，而是能源的流通手段。

17、 (b)氫的泄漏會改變氣候。氫不可避免泄漏，泄漏量可達15。泄漏的氫會在大氣形成水霧，它會象二氧化碳一樣，使天氣變暖。(c)現(xiàn)在一般用高壓氫作燃料電池燃料，氫的泄漏會產(chǎn)生很大的不安全性，手機等的火花就會使泄漏的氫發(fā)生爆炸。(d)冰島能做的，其他國家不一定能做，冰島的氫都是電解水制得的，因該國70的電是由地?zé)岷退娬井a(chǎn)生的。(5) 氫的清潔生產(chǎn)要用風(fēng)能和太陽能。據(jù)估計，如用風(fēng)能發(fā)電制氫，當風(fēng)能發(fā)電量達到美國6的用電量，風(fēng)能發(fā)電機要占的面積要有半個加州那么大。(6) 布什承諾投資120億美元用于氫能的研究是一個微不足道的投資。美國去年用于核能和礦物質(zhì)燃料方面的研究經(jīng)費大于氫燃料的研究經(jīng)費。美國推行

18、“健康婚姻”的預(yù)算就有150億美元。美國用于伊拉克戰(zhàn)爭的經(jīng)費每月390億美元。(7) 氫燃料電池價格昂貴。目前內(nèi)燃機成本為每千瓦50美元，而氫燃料電池為800美元。估計大量使用后，也要300美元。另外所有的加油站改成加氫站也要花費大量的資金。五燃料電池加速氫能利用 1燃料電池的優(yōu)點(1)燃料電池是一種高效清潔的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，可降低環(huán)境污染和氣候異常。(2)燃料電池能高效利用生物質(zhì)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的氣、液物質(zhì)和氫作燃料，因此，能促進氫能的利用。(3)燃料電池的發(fā)電效率不受體系規(guī)模限制，小型燃料電池同樣能夠?qū)崿F(xiàn)高效發(fā)電，適合于生物質(zhì)分散性的特點。 2.燃料電池定義 燃料電池是一種不經(jīng)燃燒直接以電化學(xué)反應(yīng)的

19、方式將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的裝置，只要連續(xù)供應(yīng)燃料，燃料電池就能連續(xù)發(fā)電。3. 原理 陽極反應(yīng)：H2 = 2H+ + 2e 陰極反應(yīng)：1/2O2 + 2H+ + 2e = H2O 總的反應(yīng)：H2 1/2O2 = H2O4.燃料電池分類(1)堿性燃料電池(AFC)陽 極：催化劑：Pt，燃 料：氫陰 極：催化劑：Ag，氧化劑：氧電 解 液：30KOH隔 膜：石棉膜工作溫度：6080oC用 途：航天器和潛艇的動力源優(yōu) 點：比能量和比功率高缺 點：對CO2敏感，不宜地面使用(2)磷酸燃料電池(PAFC)陽 極：催化劑：Pt，燃 料：氫陰 極：催化劑：Pt，氧化劑：氧電 解 液：98磷酸工作溫度：20

20、0oC用 途：家庭住宅能源和汽車動力源優(yōu) 點：穩(wěn)定性好，已有商品生產(chǎn)缺 點：用貴金屬作催化劑，價格高。(3)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)陽 極：催化劑：Pt，燃 料：氫陰 極：催化劑：Pt，氧化劑：氧電 解 液：含水的質(zhì)子交換膜工作溫度：6080oC用 途：汽車和潛艇等的動力源優(yōu) 點：比能量和比功率高，壽命長， 應(yīng)用范圍廣缺 點：對CO敏感，價格高，800美元/千 瓦，而內(nèi)燃機50美元/千瓦. 氫源 問題。(4)直接甲醇燃料電池(DMFC)陽 極：催化劑：Pt合金，燃 料：氫陰 極：催化劑：Pt， 氧化劑：氧電 解 液：含硫酸的質(zhì)子交換膜工作溫度：6080oC用 途：可移動的小型電子儀器設(shè)

21、備動力源優(yōu) 點：比能量高，體積小問 題：Pt對甲醇氧化電催化效率低， 易被甲醇氧化中間產(chǎn)物毒化， 甲醇會透過質(zhì)子交換膜。(5)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)陽 極：催化劑：Ni，燃 料：氫陰 極：催化劑：NiO,氧化劑：氧電 解 液：熔融碳酸鹽（NaCO3-LiCO3）工作溫度：600oC用 途：發(fā)電站優(yōu) 點：反應(yīng)溫度高，不需貴金屬催化劑。 可用含CO的燃料氣。壽命長。 能量轉(zhuǎn)換率高，可達80。問 題：高溫下，電解液會腐蝕電極材料。壽命 2萬小時，商業(yè)上要4萬小時。(6)固體氧化物燃料電池(SOFC)陽 極：催化劑：NiZrO2，燃 料：甲烷，氫陰 極：催化劑：NaCrO4等,氧化劑：氧電 解

22、 液：ZrO2，CeO2等工作溫度：900oC用 途：發(fā)電站優(yōu) 點：不需貴金屬催化劑。壽命長。可用各 種燃料氣?？怪卸灸芰姟Ｄ芰哭D(zhuǎn)換 率最高，可達80以上。問 題：高溫下，密封困難，放大困難。 價格高。發(fā)展現(xiàn)狀(1)世界各國對PEMFC的重視近十年來，PEMFC技術(shù)的研究開發(fā)受到許多國家的政府和跨國大公司的極大重視，已出現(xiàn)許多PEMFC電動車樣車。我國計劃，到2008年奧運會期間，將有我國生產(chǎn)的燃料電池電動車會小批量、示范性地行駛在街頭。到2010年世博會期間，20輛燃料電池公交車、300輛燃料電池出租車、1000輛電動汽車以及一批燃料電池場地車和郵政車都將投入運行，屆時，上海將建成5座加氫

23、站來滿足這些車輛對氫燃料的需求。 (2)PEMFC商業(yè)化的問題(a)價格問題 美國能源部認為，汽車用PEMFC的最終的價格達到$50-100/kW時，才能有競爭能力，因為現(xiàn)在內(nèi)燃機的價格為$50/kW左右，而現(xiàn)在PEMFC的價格在$800/kW左右。在現(xiàn)在技術(shù)的基礎(chǔ)上，即使PEMFC的產(chǎn)量為每年50萬臺，其價格也要在$300/kW。 PEMFC價格高的主要是由于高的電池殼體的加工費和離子交換膜膜價格高而引起的。另外運行成本也遠高于燃油汽車。(b)燃料問題目前的PEMFC一般用高壓氫作燃料,但高壓氫作燃料有不安全、載量低、加油站改裝要巨大費用等問題?，F(xiàn)在發(fā)展了超高壓氫技術(shù)。研制甲醇、汽油和天然氣裂解的隨車制氫技術(shù)。但目前車載天然氣重整制氫技術(shù)離實用還有相當?shù)木嚯x。美國能源部基本放棄該路線。用儲氫材料制備儲氫裝置還沒有過關(guān)，儲氫容量太低?，F(xiàn)在許多生產(chǎn)過程都能產(chǎn)生氫副產(chǎn)品，由于沒有好的儲氫技術(shù)而放空燒掉。合金儲氫是應(yīng)重點發(fā)展的技