電化學(xué)技術(shù)在新能源中的利用

本文由heshuquan_0奉獻(xiàn)ppt文檔可能在A 端掃瞄體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT或下載源文件到本機查看。電化學(xué)技術(shù)在能源研發(fā)中的應(yīng)用陸天虹中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)爭論所南京師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院1.能源的重要性1.能源的重要性自古以來,人類就為改善生存條件和促進(jìn)社會經(jīng)濟的進(jìn)展而不停地進(jìn)展奮斗.在這一過程中,能源始終扮演著重要的角色.從世界經(jīng)濟進(jìn)展的歷史和現(xiàn)狀來看,能源問題已成為社會經(jīng)濟進(jìn)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)濟進(jìn)展和人民生活水平的重要標(biāo)志,能源問題對社會經(jīng)濟進(jìn)展起著打算性的作用.能源的種類2.能源的種類大自然賜予人類的能源是多種多樣 的,一般可分為常規(guī)能源和能源 兩大類.常規(guī)能源包括煤炭,石油,自然氣和水能,而能源有生物質(zhì)能,核能,風(fēng)能,地?zé)崮?海洋能,太陽能和氫能等.其中煤炭,石油,自然氣被成為化石能源,水能,生物質(zhì)能,風(fēng)能,太陽能和氫能等是可再生能源.化石能源的問題化石能源的短缺化石能源的短缺能源是人類賴以生存和社會進(jìn)展的重要物質(zhì)根底,是國民經(jīng)濟進(jìn)展的命脈,但目前主要使用的化石能源的儲量不多.據(jù)2023年世界探,,204,4060年,中國的狀況更為嚴(yán)峻,2023年統(tǒng)計,中國煤,石油和自然氣的儲采比只有82,1546年.,.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19785.3億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,202314.3億噸.據(jù)估量,2023,2023和20503,4.56億噸,1,2.74億噸.4億噸的進(jìn)口量相當(dāng)于目前美國的石油進(jìn)口量,這不但會制約我國經(jīng)濟的可持續(xù)進(jìn)展,而且對國家的安全也格外不利.化石燃料造成嚴(yán)峻環(huán)境污染和氣候特別化石燃料造成嚴(yán)峻環(huán)境污染和氣候特別化石燃料的使用引起的環(huán)境污染，C02會造成溫室效應(yīng)，使全球氣候變暖.有關(guān),CO2,10年內(nèi)將產(chǎn)生不行逆轉(zhuǎn)的變化.我國的環(huán)境污染問題更是日趨嚴(yán)峻,目前,我國C02排放量占世14%在美國之后位居其次,2025年，將位居第一.在本世紀(jì)初聯(lián)合國關(guān)于環(huán)境污染的調(diào)查中,覺察在世界上十個環(huán)境污染最嚴(yán)峻的城市中,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.21世紀(jì)世界能源進(jìn)展趨勢世紀(jì)世界能源進(jìn)展趨勢節(jié)能技術(shù)將備受重視節(jié)能技術(shù)將備受重視節(jié)能就是提高能源利用率,削減能源的鋪張.目前節(jié)能技術(shù)水平已是一個國家能源利用狀況的綜合性指標(biāo),也是一個國家總體科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志.很多爭論報告指出,依靠節(jié)能可以將能源需求量降低2530%.,,2倍,興旺5-10倍,因此更應(yīng)重視節(jié)能技術(shù),我國應(yīng)當(dāng)充分重視化石能源的高效利用.世界能源系統(tǒng)將發(fā)生重大變革世界能源系統(tǒng)將發(fā)生重大變革據(jù)推測,20世紀(jì)形成的以化石燃料為主的世界能源系統(tǒng)將在21世紀(jì)轉(zhuǎn)換成以可再生能源為主的的世界能源系統(tǒng).在20世紀(jì)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)爭論所的爭論報告認(rèn)為, 在20世紀(jì)上半葉,化石燃料仍將是世界一次能源的主體,但到21世紀(jì)下半葉,太陽能,生物質(zhì)能,風(fēng)能等能源將占世界能源的50%左右.煤炭將作為過渡能源而受到重視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(jì)上半葉受到重視.主要進(jìn)展的技術(shù)是干凈煤技術(shù),煤液化和汽化技術(shù).(4)化石能源的開發(fā)將得到強化化石能源的開發(fā)將得到強化近年來覺察,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)估量,世界甲烷水合物的儲量可能超過石油,自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)能源開頭.核能的利用將進(jìn)一步得到重視核能的利用將進(jìn)一步得到重視據(jù)國際原子能機構(gòu)統(tǒng)計,20世紀(jì)末,全世界運行的核電站有436座,總發(fā)電3.5億千瓦.這些電站主要分布在美,法,日,英,31個國家,近年來,由于擔(dān)憂核電站運轉(zhuǎn)的安全性,核廢料對環(huán)境的影響和核技術(shù)集中對世界安全性的影響,核能的進(jìn)展在興旺國家已有下降趨勢,但在亞洲地區(qū)仍有強勁的增加趨勢,我國預(yù)備在今后幾年內(nèi)423.4億,21,21,30%左右.可再生能源的開發(fā)將越來越受到重視可再生能源的開發(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(yán)峻的環(huán)境污染和氣候特別,人們對能源的開發(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.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14001800億噸,相當(dāng)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4.5因此規(guī).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,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)根本成熟,但生..20231300.(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).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)境吸取的,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,,無害化,資源化.生物質(zhì)能利用的問題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,大面積收集本錢高,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,,.三.太陽能的利用太陽能的優(yōu)點太陽能的優(yōu)點(1)太陽能來源豐富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(jìn)展熱核反響,釋放出巨大的能量,輻射到地球上的能量只占起輻射總能 量的極小局部,約1/22億,但地球每年接收的太陽能至少有6X1017千瓦小時,相當(dāng)于74萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤的能量.其中被植物吸取的僅占0.015%.可見,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,太陽能的使用根本上沒有污染問題.(3)太陽能可多途徑利用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.太陽能利用的概況太陽能利用的概況近年來,太陽能的利用進(jìn)展很快,據(jù)1997年的數(shù)據(jù),全球太陽能發(fā)電量已達(dá)800兆瓦.2023年,日本已有7萬個住宅用上太陽能電池,美國和歐盟打算在2023年前安裝100萬套太陽能電池.特別是把太陽能電池與屋300套1億千瓦.但可供給清潔能源,而且美觀耐用,壽命可達(dá)25年.太陽能的熱利用進(jìn)展更快.特別在我國,60多億元,.太陽能利用的問題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,其次是降低本錢,這對我國特別重要,目前我國生產(chǎn)太陽能電池的力量已達(dá)幾百兆瓦,但由于價格高,根本上都銷往國外.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,沒有到達(dá)有用化的階段,應(yīng)當(dāng)抓緊這方面的爭論和進(jìn)展.四.氫能的利用氫能的優(yōu)點氫能的優(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),.對氫能利用的重視2023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.2023年在華盛頓召開15個國家和地區(qū)參與的“國際氫能經(jīng)濟合作伙伴“會議.冰島打算用40年時間將冰島建成“氫社會“.布什將投資120億美元來促進(jìn)氫能源的進(jìn)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20.5%.氫將取代自然氣,油和煤而成為將來世界的主要能源,進(jìn)入氫能時代已成為近年來的熱門話題,21世紀(jì)將是氫能世紀(jì).布什舉著使用氫燃料的照相機我國對進(jìn)展氫能經(jīng)濟也開頭重視,參與了2023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.2023和2023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,主要爭論石油資源可持續(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(jìn)展軟課題爭論.3.(1),是影響走進(jìn)氫能時代的很關(guān)鍵的問題.要降低其價格,必需形成氫的制備,儲存和運輸?shù)?廉價清潔的制氫技術(shù)問題(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.(a):目前,96%,,.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4.2-6,32%.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(jìn)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,降低本錢和風(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)爭論階段,離商業(yè)化還.氫的儲運問題(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本錢,現(xiàn)在由于儲運技術(shù)不過關(guān),因此鋪張了很多氫.很多工業(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(biāo)立方米以上.因此解決氫的儲運問題也是走..:,1%,.(b):便,(c)吸附儲氫:,,2%.3%,,1%.(e):.燃料電池還沒有商品化用氫作燃料的燃料電池的消滅是促進(jìn)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(yán)峻,各國對燃料電池的爭論格外重視.美國《時代周刊》把燃料電池列為21世紀(jì)十大高科技之首,燃料電池已被認(rèn)為是21世紀(jì)極具應(yīng)用前景的一種型能源系統(tǒng).雖然燃料電池有很迷人的優(yōu)點,而且燃料電池的進(jìn)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,.反對氫能的意見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.(b)氫的泄漏會轉(zhuǎn)變氣候.氫不行避開泄漏,泄漏15%.,(c)現(xiàn)在一般用高壓氫作燃料電池燃料,氫的泄漏會產(chǎn)生很大的擔(dān)憂全性,手機等的火花就會使泄漏的氫發(fā)生爆炸.(d)冰島能做的,其他國家不肯定能做,冰島的氫都是電解水制得的因70%.氫的清潔生產(chǎn)要用風(fēng)能和太陽能.據(jù)估量,如用風(fēng)能發(fā)電制氫,當(dāng)風(fēng)能發(fā)電量到達(dá)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爭論是一個微缺乏道的投資.美國去年用于核能和礦物質(zhì)燃料方面的爭論經(jīng)費大于氫燃料的爭論經(jīng)費.美國推行“安康婚姻“的預(yù)算就有150億美390(7)目前內(nèi)燃50美元,800美元.,300美元.另外全部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)境污染和氣候特別.(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(jìn)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.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)反響的方式將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的裝置,只要連續(xù)供給燃料,燃料電池就能連續(xù)發(fā)電.3.原理陽極反響:H2=2H2e陰極反響:1/2O22H2eH2O:H21/2O2H2O燃料電池分類堿性燃料電池(AFC)(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:30%KOH隔膜:石棉膜工作溫度:60-80oC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:CO2敏感，不宜地面使用磷酸燃料電池(PAFC)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:200oC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.質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)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:60-80oC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:CO敏感,價格高,800美元/千瓦,50美元/千瓦.氫源問題.直接甲醇燃料電池(DMFC)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:60-80oC用途:可移動的小型電子儀器設(shè)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.熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)陽極:催化劑:Ni,燃料::NiO,氧化劑：氧電解液:熔融碳酸鹽(NaCO3-LiCO3):600oC用途:發(fā)電站優(yōu)點:反響溫度高，不需貴金屬催化劑.CO的燃料氣.壽命長.能量轉(zhuǎn)換率高,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.固體氧化物燃料電池(SOFC)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：氧電解液:ZrO2,CeO2等工作溫度:900oC用途:發(fā)電站優(yōu)點：.可用各種燃料氣.抗中毒力量強.能量轉(zhuǎn)換率最高,80%以上.問題:高溫下,密封困難,放大困難.價格高.PEMFC進(jìn)呈現(xiàn)狀進(jìn)呈現(xiàn)狀(1)PEMF的重視世界各國對的重視近十年來，近十年來，PEMFC技術(shù)的爭論開發(fā)受到技術(shù)的爭論開發(fā)受到很多國家的政府和跨國大公司的極大重視,很多國家的政府和跨國大公司的極大重視，已消滅很多PEMF(電動車樣車.電動車樣車.已消滅很多電動車樣車我國打算,年奧運會期間,我國打算,2023年奧運會期間,將有我年奧運會期間國生產(chǎn)的燃料電池電動車會小批量,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.性地行駛在街頭.年世博會期間,輛燃料電池公交到2023年世博會期間,20輛燃料電池公交年世博會期間輛燃料電池出租車,車,300輛燃料電池出租車,1000輛電動輛燃料電池出租車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座加氫將投入運行,屆時,上海將建成座加氫站來滿足這些車輛對氫燃料的需求對氫燃料的需求.站來滿足這些車輛對氫燃料的需求.(2)PEMFC(a)，汽PEMFC勺最終的價格到達(dá)$50-100/kW時，才能有競爭力量，由于現(xiàn)在內(nèi)燃機的價格為$50/kW左右,PEMF啲價格在$800/kW左右.在現(xiàn)在技術(shù)的基礎(chǔ)上,即使PEMFC50萬臺,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(yuǎn)高于燃油汽車.(b)燃料問題燃料問題目前的PEMF&般用高壓氫作燃料，但高壓氫作燃料有擔(dān)憂全,載量低,加油站改裝要巨大費用等問題.現(xiàn)在進(jìn)展了超高壓氫技術(shù).研制甲醇,汽油和自然氣裂解的隨車制氫技術(shù).但目前車載自然氣重整制氫技術(shù)離實用還有相當(dāng)?shù)木嚯x.美國能源部根本放棄該路線.用儲氫材料制備儲氫裝置還沒有過儲氫容量太低.關(guān),儲氫容量太低.現(xiàn)在很多生產(chǎn)過程都能產(chǎn)生氫副產(chǎn)品,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.