現(xiàn)代化學(xué)與能源

現(xiàn)代化學(xué)與能源第一頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三一、我們所面臨的能源狀況目前全世界使用的能源90%取自化石燃料，即煤炭、石油和天然氣，它們經(jīng)歷了上億年的時間才得以生成，因此是不可在生能源。從探明的儲量分析，現(xiàn)在地球上的煤炭、石油和天然氣的總儲量分別為：石油：1萬億桶天然氣：120萬億立方米煤炭：1萬億噸第二頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三按照全世界對化石燃料的消耗速度計算，這些能源可供人類使用的時間大約還有：儲量有限的化石燃料第三頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三我國一次能源消費總量從1978年的5.3億噸標準煤，上升到2002年的14.3億噸標煤。在2004年，我國石油消費量達3億噸，其中進口1億噸，估計到2020年，我國石油消費量要達4.5億噸，其中進口量要達2.7億噸，到2050年，我國石油消費量要達6億噸，其中進口量要達4億噸，相當于目前美國的石油進口量。第四頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三大慶油田從1960年至2002年累計生產(chǎn)原油17多億噸。27年穩(wěn)產(chǎn)在5000萬噸/年以上。1997年最高產(chǎn)量為5600萬噸/年2002年為5013萬噸/年2003年計劃產(chǎn)量4830萬噸/年進入遞減開采期。

——化工報2003-1-18-1第五頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三據(jù)美國石油業(yè)協(xié)會估計，在2050年之前，世界經(jīng)濟的發(fā)展將越來越多地依賴煤炭。其后在2250到2500年之間，煤炭也將消耗殆盡，礦物燃料供應(yīng)枯竭。一些工業(yè)發(fā)達國家的天然氣也將在2020年被用完；而發(fā)展中國家在2060年也將會發(fā)生天然氣短缺。第六頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三太陽能即太陽輻射能，它是太陽內(nèi)部連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過程產(chǎn)生的能量。二、能源之母——太陽能第七頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三太陽光譜圖第八頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三地球軌道上的平均太陽輻射強度為1367kw/m2。地球赤道的周長為40000km，從而可計算出，地球獲得的能量可達172,500TW。也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當于500萬噸煤。第九頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三目前人類所能夠使用的能源形式第十頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三美國《科學(xué)美國人》雜志在1971年7月刊刊登的“地球的能量資源”一文中提供了如下數(shù)據(jù)，到達地球的太陽輻射能的主要幾條去路：1直接反射52000×109kJ/s2以熱能形式離開地球81000×109kJ/s3水循環(huán)40000×109kJ/s4大氣循環(huán)370×109kJ/s5光合作用40×109kJ/s第十一頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三太陽能能量流向示意圖第十二頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三（一）對太陽能的間接利用（1）通過光合作用的形式利用太陽能第十三頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三太陽能的間接利用煤炭——當代工業(yè)的糧食石油——當代工業(yè)的血液天然氣——最清潔的化學(xué)能源可燃冰——未來的新能源生物質(zhì)能——前景廣闊的綠色能源第十四頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三煤炭的結(jié)構(gòu)第十五頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三煤炭液化煤炭液化是指以煤炭為原料，通過化學(xué)加工過程，生產(chǎn)油品和石油化工產(chǎn)品。煤炭直接液化:煤炭間接液化:煤炭煤粉油煤漿加氫裂化液體油品煤炭、氧氣、水蒸氣H2和CO的混合氣體第十六頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三石油的形成石油是遠古時代沉積在海底湖泊中的動植物的遺體，在海洋條件作用下經(jīng)過千百萬年的漫長轉(zhuǎn)化過程而生成。水中生物的遺骸下沉而埋沒于地下第十七頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三因地熱或地壓等作用變成石油石油大多集中在沙巖之類孔隙較多的巖石層中第十八頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三汽油性能的表征——辛烷值辛烷值是汽油抗暴性能的間接量度提高汽油辛烷值的方法：1.提高異辛烷的含量—鉑錸重整2.加少量的四乙基鉛[Pb(C2H5)2]第十九頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三無鉛汽油與無鉛抗爆劑目前，取代四乙基鉛的物質(zhì)主要有：芳香烴類、甲基叔丁基醚[MTBE，CH3O(CH3)3]、三乙基丁醚、三戊基甲醚、羰基錳（MMT）、醇類等，其中以MTBE用量最大。無鉛汽油不等于無害汽油第二十頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三（二）太陽輻射能的直接利用與其他能源相比，太陽能具有獨特的優(yōu)點：（1）它沒有一般煤炭、石油等礦物燃料產(chǎn)生的有害氣體和廢渣，因而不污染環(huán)境，被稱作“干凈能源”。（2）到處都可以得到太陽能，使用方便、安全。（3）成本低廉，可以再生。第二十一頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三1、對太陽能直接利用的形式（1）對可見光的利用主要的利用途徑是光電轉(zhuǎn)換，即把太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能。這是人們目前對太陽能利用的主要方式之一。太陽能電池就屬于這種轉(zhuǎn)換方式。傳統(tǒng)的太陽能電池利用太陽光中高達九成以上的可見光。第二十二頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三太陽能電池太陽能電池主要以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，利用光照產(chǎn)生電子空穴對，在PN結(jié)上可以產(chǎn)生光電流、光電壓的現(xiàn)象（光伏效應(yīng)），實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。硅是最合適最理想的太陽能電池材料。第二十三頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三推進艙軌道艙附加艙通訊艙太陽能電池第二十四頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三太陽能電池按照所用材料的不同：硅太陽能電池(單晶硅、多晶硅、非晶硅）（光電轉(zhuǎn)化效率高，成本高，制備工藝復(fù)雜！）以無機鹽如砷化鎵、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的電池（鎘：劇毒。銦、硒：稀有元素）功能高分子材料制備的大陽能電池（處于研發(fā)初期、轉(zhuǎn)化效率低、使用壽命短）染料敏化納米晶體太陽能電池（正在研發(fā)）第二十五頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三無機太陽能電池半導(dǎo)體中可以利用各種勢壘如pn結(jié)、肖特基勢壘、異質(zhì)結(jié)等形成光伏效應(yīng)。當太陽能電池受到陽光照射時，光與半導(dǎo)體相互作用可以產(chǎn)生光生載流子，所產(chǎn)生的電子-空穴對靠半導(dǎo)體內(nèi)形成的勢壘分開到兩極，正負電荷分別被上下電極收集。由電荷聚集所形成的電流通過金屬導(dǎo)線流向電負載。工作原理第二十六頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三染料敏化納米晶體太陽能電池

目前，DSSCs的光電轉(zhuǎn)化效率已能穩(wěn)定在10％以上，壽命能達15～20年，且其制造成本僅為硅太陽能電池的1/5～1/10.

1991年※，Gr?tzelM.于《Nature》上發(fā)表了關(guān)于染料敏化納米晶體太陽能電池（DyeSensitizedSolarCells，簡稱DSSCs）的文章以較低的成本得到了>7%的光電轉(zhuǎn)化效率，為利用太陽能提供了一條新的途徑.

1997年，該電池的光電轉(zhuǎn)換效率達到了10%~11%，短路電流達到18mA/cm2,開路電壓達到720mV；

1998年，采用固體有機空穴傳輸材料替代液體電解質(zhì)的全固態(tài)Gratzel電池研制成功，其單色光電轉(zhuǎn)換效率達到33%，從而引起了全世界的關(guān)注。第二十七頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三染料敏化太陽能電池的優(yōu)點制成透明的產(chǎn)品，應(yīng)用范圍廣在各種光照條件下使用；光的利用效率高；對光陰影不敏感；可在很寬溫度范圍內(nèi)正常工作……第二十八頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)

染料敏化納米晶體太陽能電池（DSSCs)主要包括鍍有透明導(dǎo)電膜的玻璃基底、染料敏化劑、多孔納米晶薄膜、對電極以及電解質(zhì)等幾部分。第二十九頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三葉綠體的結(jié)構(gòu)納米晶半導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相當于葉綠體的內(nèi)囊體，起著支撐敏化劑染料分子、增加吸收太陽光的面積和傳遞電子的作用。敏化劑染料分子相當于葉綠體中的葉綠素，起著吸收太陽光光子的作用。染料敏化太陽能電池和植物的光合作用第三十頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三染料敏化太陽能電池的工作原理圖第三十一頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三由于TiO2的禁帶寬度較大(32eV)，可見光不能將其直接激發(fā)；在其表面吸附一層染料敏化劑后，染料分子可以吸收太陽光而產(chǎn)生電子躍遷。由于染料的激發(fā)態(tài)能級高于TiO2的導(dǎo)帶，所以電子可以快速注入TiO2；電子在導(dǎo)帶基底上富集，通過外電路流向?qū)﹄姌O。染料分子輸出電子后成為氧化態(tài)，它們隨后被電解質(zhì)中的I-還原而得以再生，而氧化態(tài)的電解質(zhì)(I3-)在Pt對電極上得到電子被還原，從而完成一個光電化學(xué)反應(yīng)循環(huán)。第三十二頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三光電陽極:Dye+hν→Dye*(染料激發(fā))Dye*→Dye++ｅ-(TiO2)(產(chǎn)生光電流)Dye++1.5Ｉ－→Dye+0.5I3-(染料還原)陽極發(fā)生的凈反應(yīng)為:1.5I－+ｈν→0.5I3-+ｅ-(TiO2)對電極:0.5I3-+ｅ-(Pt)→1.5I－(電解質(zhì)還原)整個電池的反應(yīng)結(jié)果為:ｅ-(Pt)+ｈν→ｅ-(TiO2)(光電流)

第三十三頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三樣機第三十四頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三太陽能電池的發(fā)展方向材料與器件結(jié)構(gòu)的研究與開發(fā)各種太陽能電池材料研究雜質(zhì)與缺陷的轉(zhuǎn)換效率及穩(wěn)定性影響使用薄膜技術(shù)和剝離技術(shù)。大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)的開發(fā)跟蹤與聚光儲電及并網(wǎng)發(fā)電結(jié)合并網(wǎng)發(fā)電已占50%以建成多個兆瓦級的電站，~100MW規(guī)模VS太陽能熱發(fā)電站與建筑物結(jié)合架設(shè)太陽電池組件日本：1994-2000年2萬套屋頂光伏系統(tǒng)185MW；七萬屋頂計劃280M美國：1997~2010年百萬屋頂計劃3025MW發(fā)電成本6美分集成在建筑材料上曲線形屋頂瓦、垂直幕墻、窗用玻璃第三十五頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三太陽能發(fā)電站

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽電池陣列、貯能蓄電池、防反充二極管、充電控制器及逆變器、測量設(shè)備等組成。太陽能發(fā)電站一旦建成，不需要運行投資即能運用,但初期投資較高。

加利福尼亞一家太陽能發(fā)電站中的太陽能反射裝置第三十六頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三（2）對紅外線的利用主要的利用途徑是光熱轉(zhuǎn)換，即把太陽能直接轉(zhuǎn)變成熱能。第三十七頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三太陽能熱利用可分為：低溫熱利用、中溫熱利用和高溫熱利用。低溫熱利用：地膜、塑料大棚以及干燥器、蒸餾、供暖、太陽能熱水系統(tǒng)中溫熱利用：空調(diào)制冷、制鹽以及其它工業(yè)用熱高溫熱利用：聚焦形太陽灶、焊接機和高溫爐第三十八頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三（3）對紫外線的利用紫外線具有殺菌功效。波長為300nm的紫外光的光子所具有的能量約為399kJ/mol，它比細菌的蛋白質(zhì)分子中重要的化學(xué)鍵C-C（347kJ/mol）、C-N（305kJ/mol）和C-S（259kJ/mol）鍵的鍵能大，因此紫外光的能量足以使這些化學(xué)鍵斷裂，從而破壞細菌的蛋白質(zhì)分子，達到殺菌的目的。第三十九頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三（一）核裂變能使一個重原子核分裂成為兩個或兩個以上中等質(zhì)量原子核的過程，稱為核裂變。核裂變是取得核能的重要途徑之一。只有一些質(zhì)量非常大的原子核，像鈾、釷等才能發(fā)生核裂變。原子核在發(fā)生核裂變時，釋放出巨大的能量，1克235U完全發(fā)生核裂變后放出的能量相當于燃燒2.5噸煤所產(chǎn)生的能量。三、魔鬼與天使——核能第四十頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三要大規(guī)模地和平利用裂變能必須滿足兩個條件:第一，重核裂變要形成鏈式反應(yīng)；第二，鏈式反應(yīng)必須是可控的。實現(xiàn)可控鏈式反應(yīng)的裝置稱為反應(yīng)堆。第四十一頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三鏈式反應(yīng)中子鈾-235核分裂逃逸第四十二頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三第四十三頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三人們將核反應(yīng)堆形象地比喻為核電站的“鍋爐”，在這種“鍋爐”里燒的是鈾、钚等核燃料。在核電站“鍋爐”這個家庭中，有一個特殊成員——快中子增殖反應(yīng)堆，簡稱“快堆”，現(xiàn)在已成為核反應(yīng)中的佼佼者。在一般鍋爐里的燃料如煤、燃油等都是越燒越少，而“快堆”的“燃料”卻越燒越多，成了魔爐?！翱於选薄魈斓暮穗娬尽板仩t”第四十四頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三在“快堆”中用的核燃料是239Pu(钚bù)。1個每吸收1個快中子發(fā)生裂變反應(yīng)會放出2.45個快中子，除去1個用于鏈式裂變反應(yīng)后，剩下的1.45個快中子會被裝在反應(yīng)區(qū)周圍的238U（大量存在）吸收，產(chǎn)生1.45個新的核燃料原子239Pu

。“快堆”為什么會有增殖燃料的本領(lǐng)呢？第四十五頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三就是說在核鍋爐中一邊“燒”掉，又一邊使238U轉(zhuǎn)為成新的，而且新產(chǎn)生的比“燒”掉的還多。這就使“快堆”的燃料越燒越多?！翱於选痹鲋澈巳剂习砚欃Y源的利用率大大提高了，因為它正好解決了熱中子核反應(yīng)堆產(chǎn)生的大量238U廢料堆積問題。第四十六頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三一座快堆核電站，在5～15年的時間內(nèi)可使燃料數(shù)量翻一番，通過建造快堆核電站，既能用238U發(fā)電，又能增殖燃料，因此“快堆”被人們稱為“明天的核電站鍋爐”。中國快堆在建設(shè)中第四十七頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三1、放射性廢料的危害核廢料是指含有α、β和γ輻射的不穩(wěn)定元素并伴隨有熱產(chǎn)生的無用材料，核廢料進入環(huán)境后會造成水、大氣、土壤的污染，并通過各種途徑進入人體，當放射性輻射超過一定水平，就能殺死生物體的細胞，妨礙正常細胞分裂和再生，引起細胞內(nèi)遺傳信息的突變。核裂變能的利用帶來的問題第四十八頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三研究表明，孕婦在懷孕初期腹部受過X光照射，她們生下的孩子與母親不受X光照射的孩子相比，死于白血病的概率要大50%。受放射性污染的人在數(shù)年或數(shù)十年后，可能出現(xiàn)癌癥、白內(nèi)障、失明、生長遲緩、生育力降低等遠期效應(yīng)，還可能出現(xiàn)胎兒畸形、流產(chǎn)、死產(chǎn)等遺傳效應(yīng)。

第四十九頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三2、放射性核廢料的處理與核能相關(guān)的一個最困難的問題就是在開采、燃料生產(chǎn)以及反應(yīng)堆的運行過程中產(chǎn)生的核廢料的處理，如何處理這些廢料可能將是最終核能使用的最大障礙。目前，核廢料的處理有“天葬”、“水葬”和“火葬”三種方法。切爾諾貝利核電站第五十頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三所謂“天葬”是指：把核廢料先固化成玻璃塊，裝到特制的合金棺中，在棺材外面裝上隔熱外套，然后用航天飛機把它帶入預(yù)定的軌道，機械手隨即把它推入太空，再點燃助推火箭將它送入3000千米的軌道上，讓核廢料遠遠離開人類生活的地球。第五十一頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三“火葬”是美國能源部研制的一種處理核廢料的先進方法?；鹪崆?，先在地下挖一個深坑，把放射性物質(zhì)放入坑內(nèi)，用特制的蓋子把坑頂蓋好。將空氣凈化器上的一根導(dǎo)管從蓋子上插入坑內(nèi)，坑內(nèi)裝４個碳電極，電極接通后，就會產(chǎn)生一股強大的電流，使坑內(nèi)的泥土溫度上升到幾百度。第五十二頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三在這樣的高溫下，泥土開始溶化，使核廢料均勻地分布在漿狀的泥石溶液里。當溶化的泥石漿冷卻后，與核廢料一起形成了一種類似天然巖石的堅硬物質(zhì)，其硬度比天然花崗石和大理石更高，滲透性更低，而且體積也縮小了好幾倍。最后用泥土把坑封死，一切放射性物質(zhì)均被圍困在里面，不會外泄。第五十三頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三“水葬”就是將深海作為核廢料的墓場。將核廢料裝入密封的合金棺，再用混凝土密封在海底下面。第五十四頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三（二）核聚變太陽的中心發(fā)生核聚變，放出巨大能量。在太陽內(nèi)部，這個天然的核聚變過程以及發(fā)生了了好幾十億年了。第五十五頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三核聚變的引發(fā)和平利用聚變能實驗非常困難，因為核力是一種短程力，只有當它們之間的距離接近到大約萬分之一毫米時，核力能才起作用，使兩個原子核聚合在一起，放出巨大的能量。第五十六頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三所有的原子核都帶正電，兩個帶正電的原子核互相接近時，它們之間的庫侖斥越來越大。所以實現(xiàn)聚變反應(yīng)的條件是反應(yīng)中的原子核必須具有很高的能量來克服靜電斥力，使兩核之間的距離進入核力力程。據(jù)測算這樣的能量將使氘核的溫度達到5.6×108k。第五十七頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三氘原子被加熱到上億度的時候，電子就會脫離原子核的束縛，成為一團熾熱的氣體——等離子氣體。

如何容納這么熱的等離子體強大的磁場可以牢牢地束縛住熾熱的等離子體。磁場！？第五十八頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三科學(xué)家建造了一個如同面包圈形狀的空腔，空腔內(nèi)是真空，其外是產(chǎn)生磁場的線圈。這個古怪的烤爐同時有一個古怪的名字：托卡馬克(tokamak).溫度高達近億度的等離子體就被舒服在這個空腔內(nèi)部，不會接觸到容器壁，不會出亂子。第五十九頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三電池的分類：電池按照其使用性質(zhì)的不同可以分為干電池、蓄電池、儲備電池和燃料電池等幾大類。四、化學(xué)電池——實用的能源第六十頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三原電池鋅錳干電池：負極是鋅做的圓筒，正極是一根探棒，周圍被二氧化錳、碳粉和氯化銨的混合劑包圍。第六十一頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三干電池發(fā)電時反應(yīng)如下：負極：Zn-2e-=Zn2+正極：2NH4++MnO2+2e-=2NH3+MnO+H2O電池反應(yīng):Zn+2NH4Cl+MnO2=ZnCl2+2NH3+

MnO+H2O

使用過程中，負極鋅筒逐漸消耗以致穿漏，正極處的MnO2的活性逐漸衰減，最后干電池不再供電而失效。第六十二頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三蓄電池

蓄電池又稱二次電池，可以通過充電使活性物質(zhì)再生。蓄電池的兩極均以鉛板為骨架，正極鉛板上是二氧化鉛，負極鉛板上是海綿狀鉛。內(nèi)部構(gòu)造外部構(gòu)造第六十三頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三蓄電池放電時發(fā)生下列反應(yīng)：負極(Pb):Pb+SO42--2e-=PbSO4正極(PbO2):PbO2+4H++SO42-+2e-=PbSO4+2H2O總反應(yīng):Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O電池充電時發(fā)生與上述反應(yīng)相反的反應(yīng)電動自行車第六十四頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三鋰電池

鋰電池分為一次電池和二次電池兩類，照相機等耗電量較低的電子產(chǎn)品中主要使用不可充電的一次鋰電池，而攝像機、數(shù)碼相機、手機及筆記本電腦等耗電量較大的電子產(chǎn)品中則使用可充放電的二次鋰電池。鋰電池自行車第六十五頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三目前，商業(yè)化鋰離子二次電池的正極材料主要是LiCoO2，負極材料主要為C，充電時發(fā)生如下反應(yīng)：

正極反應(yīng)：LiCoO2＝Li1-xCoO2+xLi++xe-

負極反應(yīng)：C+xLi++xe-＝CLix

電池總反應(yīng)：LiCoO2+C＝Li1-xCoO2+CLix

放電時發(fā)生上述反應(yīng)的逆反應(yīng)。第六十六頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三鎳氫電池（高壓鎳氫電池）正極：Ni電極NiO（OH）+H2O+e-=Ni(OH)2+OH-負極：氫電極1/2H2+OH-=H2O+e-總反應(yīng)：1/2H2+NiO(OH)=Ni(OH)2電解質(zhì)：KOH電池內(nèi)氫氣的壓力：0.3-4MPa第六十七頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三燃料電池燃料電池(FuelCell，F(xiàn)C)是一種把儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效、環(huán)境友好地按電化學(xué)原理轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，也是一種新型的無污染、無噪音、大規(guī)模、大功率和高效率的汽車動力。作為一種最接近于實用化的環(huán)保型新能源，燃料電池已經(jīng)受到了人們的廣泛關(guān)注。第六十八頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三燃料電池的原理

氫氧燃料電池工作時向負極供給燃料（氫），向正極供給氧化劑（空氣或氧氣）。氫在負極解離成H+和電子，H+進入電解液中，而電子則沿外部電路移向正極，用電的負載就接在外部電路中。在正極上，氧與電解液中的氫離子獲得經(jīng)外電路抵達正極上的電子而形成水。第六十九頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三氫氧燃料電池原理圖第七十頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三燃料電池的種類燃料電池按照電解質(zhì)類型分為五種：堿性燃料電池(AFC)磷酸型燃料電池（PAFC）熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC)固體氧化物型燃料電池(SOFC)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)第七十一頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三燃料電池類型堿性燃料電池（AFC）磷酸型燃料電池（PAFC）質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)固體氧化物燃料電池(SOFC)電解質(zhì)KOHH3PO4全氟磺酸膜（含水的質(zhì)子交換膜）（Li，K）CO3氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯YSZ陽極Pt電極，氫燃料Pt電極，氫燃料Pt電極，氫燃料Ni催化劑，氫燃料NiZrO2催化劑，甲烷、氫燃料陰極Ag電極，氧作氧化劑Pt電極，氧作氧化劑Pt電極，氧作氧化劑NiO催化劑，氧燃料NaCrO4等催化劑，氧作氧化劑工作溫度/℃50～200100～20050~90650～700600～1000導(dǎo)電離子OH-H+H+CO32-O2-技術(shù)發(fā)展狀態(tài)技術(shù)成熟技術(shù)成熟高度發(fā)展，接近成熟研發(fā)階段研發(fā)階段發(fā)電效率/%50～5540~5045～5050～6045～60第七十二頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三燃料電池的優(yōu)點(1)能量轉(zhuǎn)換效率高(節(jié)省燃料資源)。

(2)污染小、噪聲低。

(3)高度的可靠性第七十三頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三氫能源氫能經(jīng)濟的背景大氣中二氧化碳逐年增加，地球不斷變暖，生態(tài)環(huán)境惡化，自然災(zāi)害頻發(fā)，造成的損失逐年增加。化石能源儲量有限，消耗加快。能源結(jié)構(gòu)單一，過渡依賴化石能源。經(jīng)濟增長、環(huán)境保護和社會發(fā)展的壓力。氫：儲量大，分布廣，清潔無污染第七十四頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三氫能社會構(gòu)想再生能源制氫CO2處理加氫站燃料電池工廠天然氣制氫電廠終端用戶第七十五頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三氫氣作為能源遇到的兩個問題

氫氣的制備氫氣的儲存第七十六頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三（一）氫氣的制備（１）熱化學(xué)工藝制氫熱化學(xué)工藝主要是將碳水化合物(煤、石油、天然氣、生物質(zhì)等)輸入高溫化學(xué)反應(yīng)器，生成由H2、CO、CO2和CH4

等組成的合成氣體，然后進行重整和水氣置換反應(yīng)來提高氫的產(chǎn)量，最后將氫氣分離提純得到可以用做交通燃料的氫氣。第七十七頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三甲烷重整制氫:CH4+H2O=3H2+CO

這個反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，需要外部輸入熱量，反應(yīng)溫度大約700℃～850℃，反應(yīng)壓力為3×105Pa～2.5×105Pa。第七十八頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三反應(yīng)產(chǎn)物合成氣被輸入到下一級水氣置換反應(yīng)器，經(jīng)過水氣置換反應(yīng)，將CO轉(zhuǎn)化為H2，提高了氫的產(chǎn)量。CO+H2O=H2+CO2

重整制氫的能量轉(zhuǎn)換效率可以達到75%～80%，經(jīng)濟有效，如果將余熱回收利用，效率可達85%以上第七十九頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三部分氧化制氫是將碳氫化合物部分氧化生成CO和氫的工藝。2CH4+O2=4H2+2CO加入催化劑，系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率會大大提高。反應(yīng)產(chǎn)物合成氣也和重整制氫一樣，需要進行水氣置換反應(yīng)，以提高H2的產(chǎn)量。最后再經(jīng)過分離提純，得到可以用于交通工具的燃料。由于這個生產(chǎn)過程中也有CO2的排放，所以也是通向環(huán)保制氫的過渡。

第八十頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三利用煤和生物質(zhì)等氣化制氫是將這些物質(zhì)在高溫下裂解成合成氣后進行水氣轉(zhuǎn)換等過程，提高氫的成分，最后經(jīng)過凈化處理得到燃料氫。其中煤的氣化制氫是目前廣泛使用的制氫技術(shù)。第八十一頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三（2）電解水制氫工藝該反應(yīng)只要對電解槽通入直流電即可進行，操作簡單，效率較高，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了多種電解槽，如堿性電解槽、質(zhì)子交換膜電解槽和固體氧化物電解槽等。第八十二頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三用太陽能電池產(chǎn)生的電能電解水是制氫的一條具有十分誘人前景的途徑。人工光合作用的研究為太陽能制氫提供了另外一條途徑。光合作用的核心是由太陽光驅(qū)動將水分子裂解為氧氣、氫離子和電子。植物通過還原碳元素的形式將太陽能固定下來，能否不要將太陽能固定在碳元素中得到利用呢？人工光合作用將使這種想法成為可能，它完全拋棄了植物載體，只利用光合作用的原理，通過光裂解水分子，直接提取氫氣。第八十三頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三拆開水分子所需要的能量足以摧毀任何生物分子，然而植物每天都在進行著這個反應(yīng)而沒有任何不良后果。？第八十四頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三秘密存在于催化核心的結(jié)構(gòu)中。植物進行光合作用離不開葉綠素，而葉綠素中對光合作用起關(guān)鍵作用的就是催化核心。催化核心是由4個錳離子、1個鈣離子、4個氧原子和至少2個水分子組成的，其中3個錳離子、1個鈣離子和4個氧組成一個扭曲立方體，