第06章未來能源和燃料工業(yè)用催化技術(shù)及應用

1、2022-3-281第六章 未來能源和燃料工業(yè)用催化技術(shù) 能源是社會經(jīng)濟和人民生活的物質(zhì)基礎，對于社會的經(jīng)能源是社會經(jīng)濟和人民生活的物質(zhì)基礎，對于社會的經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平提高極為重要。濟發(fā)展和人民生活水平提高極為重要。 世界世界進入工業(yè)化時代以來，能源消耗的主要構(gòu)成為煤炭、進入工業(yè)化時代以來，能源消耗的主要構(gòu)成為煤炭、石油和天然氣，都屬于化石能源，是不可再生能源，是不潔石油和天然氣，都屬于化石能源，是不可再生能源，是不潔凈能源，尤其是煤炭，燃燒會產(chǎn)生大量的煙塵、凈能源，尤其是煤炭，燃燒會產(chǎn)生大量的煙塵、SOx、COx和和NOx，造成大氣污染，破壞臭氧層，引起一系列大氣壞境，造成大氣污染，破

2、壞臭氧層，引起一系列大氣壞境問題，更重要的是危害人的身體健康。問題，更重要的是危害人的身體健康。 我國我國是世界上的能源消耗大國，其消耗量僅次于美國，是世界上的能源消耗大國，其消耗量僅次于美國，居世界第二。我國的能源結(jié)構(gòu)是富煤少氣缺油。居世界第二。我國的能源結(jié)構(gòu)是富煤少氣缺油。2022-3-282能源、能源載體和轉(zhuǎn)換路線 能源工業(yè)的建設和發(fā)展應該減少和逐步消除對石油及化能源工業(yè)的建設和發(fā)展應該減少和逐步消除對石油及化石能源的依賴，增加應用可持續(xù)發(fā)展供給、環(huán)境友好且可再石能源的依賴，增加應用可持續(xù)發(fā)展供給、環(huán)境友好且可再生的能源，如生物質(zhì)能、風能、太陽能等。生的能源，如生物質(zhì)能、風能、太陽能等。

3、 變更了能源則需要能源的載體及有利于電站和交通車輛變更了能源則需要能源的載體及有利于電站和交通車輛的能源運輸。石油加工產(chǎn)品具有較高的能量密度，較難取代。的能源運輸。石油加工產(chǎn)品具有較高的能量密度，較難取代。天然氣含氫較多，在化石能源中較之煤和石油對環(huán)境造成得天然氣含氫較多，在化石能源中較之煤和石油對環(huán)境造成得影響要小很多，屬于較清潔能源。但資源產(chǎn)地距離用戶較遠，影響要小很多，屬于較清潔能源。但資源產(chǎn)地距離用戶較遠，需長距離管網(wǎng)輸送，投資大，還要轉(zhuǎn)換成液態(tài)燃料利用。需長距離管網(wǎng)輸送，投資大，還要轉(zhuǎn)換成液態(tài)燃料利用。2022-3-283能源轉(zhuǎn)換 能源轉(zhuǎn)換是為了提高能源效率，降低乃至消除對環(huán)境的能源

4、轉(zhuǎn)換是為了提高能源效率，降低乃至消除對環(huán)境的沖擊。變更能源路線，催化技術(shù)將具有重要的作用。沖擊。變更能源路線，催化技術(shù)將具有重要的作用。 多種能源都可以轉(zhuǎn)換成熱能，但效率是最低的。多種能源都可以轉(zhuǎn)換成熱能，但效率是最低的。 對于電站和燃料電池動力裝置，均可輸出電能，能效較對于電站和燃料電池動力裝置，均可輸出電能，能效較高。高。 熱電站通過氣體透平的轉(zhuǎn)換，燃料電池通過電催化轉(zhuǎn)換，熱電站通過氣體透平的轉(zhuǎn)換，燃料電池通過電催化轉(zhuǎn)換，對能源有一定限制。對能源有一定限制。 機動車用能源通過內(nèi)燃機或燃料電池轉(zhuǎn)換，要促進內(nèi)燃機動車用能源通過內(nèi)燃機或燃料電池轉(zhuǎn)換，要促進內(nèi)燃機的效率。機的效率。 能源路線的轉(zhuǎn)換

5、要從能源的效率、環(huán)境沖擊和技術(shù)經(jīng)濟能源路線的轉(zhuǎn)換要從能源的效率、環(huán)境沖擊和技術(shù)經(jīng)濟等多方面綜合平衡分析。等多方面綜合平衡分析。2022-3-284環(huán)境對能源開發(fā)的制約 發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟要求經(jīng)濟活動按自然生態(tài)系統(tǒng)的模式組成發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟要求經(jīng)濟活動按自然生態(tài)系統(tǒng)的模式組成資資源產(chǎn)品資源再生源產(chǎn)品資源再生的物質(zhì)循環(huán)流動過程。根據(jù)環(huán)保的制約的物質(zhì)循環(huán)流動過程。根據(jù)環(huán)保的制約和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的要求，能源的發(fā)展必然要用清潔能源和和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的要求，能源的發(fā)展必然要用清潔能源和可再生能源替代煤炭、石油和天然氣這些化石能源?？稍偕茉刺娲禾俊⑹秃吞烊粴膺@些化石能源。2022-3-285資源對能源開發(fā)的制約

6、 根據(jù)美國能源機構(gòu)預測，全球已確知的石油儲量可供使根據(jù)美國能源機構(gòu)預測，全球已確知的石油儲量可供使用用42年左右，天然氣約年左右，天然氣約67年，煤炭約年，煤炭約200年。從資源的角度年。從資源的角度看，僅依靠以石油為主的化石資源存在生態(tài)上看，僅依靠以石油為主的化石資源存在生態(tài)上“斷炊斷炊”的風的風險。所以能源的變更迫在眉睫。險。所以能源的變更迫在眉睫。2022-3-286發(fā)展清潔能源 所謂清潔能源是指不污染環(huán)境的能源，也是指可再生的所謂清潔能源是指不污染環(huán)境的能源，也是指可再生的能源，包括太陽能、風能、生物質(zhì)能、地熱能以及潮汐能等。能源，包括太陽能、風能、生物質(zhì)能、地熱能以及潮汐能等。這些能

7、源消耗之后可以恢復補充，不產(chǎn)生生態(tài)環(huán)境的污染物，這些能源消耗之后可以恢復補充，不產(chǎn)生生態(tài)環(huán)境的污染物，被認為是未來理想能源的基礎。被認為是未來理想能源的基礎。 未來能源工業(yè)發(fā)展的事態(tài)還要看經(jīng)濟成本、環(huán)境和科技未來能源工業(yè)發(fā)展的事態(tài)還要看經(jīng)濟成本、環(huán)境和科技創(chuàng)新這三方面的共同促進。創(chuàng)新這三方面的共同促進。 清潔能源從廣義和現(xiàn)實可行的角度來說，低污染的天然清潔能源從廣義和現(xiàn)實可行的角度來說，低污染的天然氣、利用潔凈技術(shù)處理過的潔凈煤都屬于此類。特別是在我氣、利用潔凈技術(shù)處理過的潔凈煤都屬于此類。特別是在我國，以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)將會長期存在，大力發(fā)展天然氣國，以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)將會長期存在，大力

8、發(fā)展天然氣能源和潔凈煤技術(shù)具有重要意義。能源和潔凈煤技術(shù)具有重要意義。2022-3-287經(jīng)潔凈技術(shù)處理的清潔能源 石油加工的汽油和柴油是絕好的交通用液體燃料，由于石油加工的汽油和柴油是絕好的交通用液體燃料，由于環(huán)保的要求需要凈化處理，世界上許多國家在煉油工業(yè)加快環(huán)保的要求需要凈化處理，世界上許多國家在煉油工業(yè)加快了油品升級換代和生產(chǎn)清潔燃料工藝的研究開發(fā)。了油品升級換代和生產(chǎn)清潔燃料工藝的研究開發(fā)。 第一步是采用配方汽油，它首先是無鉛的。為了滿足環(huán)第一步是采用配方汽油，它首先是無鉛的。為了滿足環(huán)保要求對配方汽油中的芳烴、烯烴、氧化物含量、相對蒸汽保要求對配方汽油中的芳烴、烯烴、氧化物含量、相

9、對蒸汽壓、硫化物允許量等都有嚴格而明確的規(guī)定。這給傳統(tǒng)的煉壓、硫化物允許量等都有嚴格而明確的規(guī)定。這給傳統(tǒng)的煉油工藝帶來重大影響，對所需的催化劑性能及其操作條件提油工藝帶來重大影響，對所需的催化劑性能及其操作條件提出了新的要求。出了新的要求。 天然氣合成石油或液體燃料為生產(chǎn)清潔汽油柴油提供了天然氣合成石油或液體燃料為生產(chǎn)清潔汽油柴油提供了良好的前景。這種合成油品不含硫、氮、重金屬雜質(zhì)和芳烴，良好的前景。這種合成油品不含硫、氮、重金屬雜質(zhì)和芳烴，屬于清潔燃料，完全符合現(xiàn)代發(fā)動機的嚴格要求。其技術(shù)路屬于清潔燃料，完全符合現(xiàn)代發(fā)動機的嚴格要求。其技術(shù)路線是先將天然氣轉(zhuǎn)化成合成氣，再經(jīng)線是先將天然氣轉(zhuǎn)

10、化成合成氣，再經(jīng)F FT T合成變成油品或經(jīng)合成變成油品或經(jīng)改進的中間餾出物合成路線變成油品。改進的中間餾出物合成路線變成油品。2022-3-288天然氣能源 天然氣資源比石油豐富，分布廣。作為能源使用，價天然氣資源比石油豐富，分布廣。作為能源使用，價格低，燃燒排放污染物少，是較為現(xiàn)實的能源選擇。格低，燃燒排放污染物少，是較為現(xiàn)實的能源選擇。 壓縮天然氣（壓縮天然氣（CNG）作為汽車燃料很好，）作為汽車燃料很好，比較環(huán)保比較環(huán)保。與燃油車相比尾氣排放與燃油車相比尾氣排放NOx下降約下降約40，CO2下降約下降約25，CO下降約下降約80，碳氫化合物下降，碳氫化合物下降9。1m3天然氣約相當于天

11、然氣約相當于1.1L汽油。使用天然氣比汽油費用節(jié)省汽油。使用天然氣比汽油費用節(jié)省40，維修保養(yǎng)費，維修保養(yǎng)費節(jié)省節(jié)省50。CNG汽車的汽車的安全性能較傳統(tǒng)的燃油車要好安全性能較傳統(tǒng)的燃油車要好，因，因為天然氣比空氣輕，如泄漏能很快擴散，天然氣比汽油燃為天然氣比空氣輕，如泄漏能很快擴散，天然氣比汽油燃點高點高110，爆炸極限比汽油高，爆炸極限比汽油高4倍多。一個鋼瓶的氣量一倍多。一個鋼瓶的氣量一般為般為1016m3，不會在空氣中大量聚集，引起火災。其，不會在空氣中大量聚集，引起火災。其主要主要缺點是：需要笨重的燃料箱；修建公共燃料站的代價高昂；缺點是：需要笨重的燃料箱；修建公共燃料站的代價高昂；

12、行程短于汽油車。行程短于汽油車。2022-3-289天然氣能源 液化天然氣（液化天然氣（LNG）是與）是與CNG本質(zhì)上相同的能源，所不本質(zhì)上相同的能源，所不同的是同的是CNG采用加壓辦法使其體積縮小來儲存輸送，采用加壓辦法使其體積縮小來儲存輸送，LNG則則采用冷卻液化的方法使其變?yōu)橐后w進行儲存輸送。采用冷卻液化的方法使其變?yōu)橐后w進行儲存輸送。 目前世界上最大的出口基地是印尼，每年出口目前世界上最大的出口基地是印尼，每年出口2000萬噸，萬噸，中東的卡塔爾擁有世界最大的天然氣田，儲量高達中東的卡塔爾擁有世界最大的天然氣田，儲量高達6.79萬億萬億m3。 我國的天然氣能源工業(yè)起步較晚，到我國的天然

13、氣能源工業(yè)起步較晚，到20世紀末只占一次世紀末只占一次能源消耗的能源消耗的23，2010年天然氣能源達年天然氣能源達78。2022-3-2810天然氣轉(zhuǎn)化 天然氣轉(zhuǎn)化的第一步是制成合成氣，再通過催化技術(shù)天然氣轉(zhuǎn)化的第一步是制成合成氣，再通過催化技術(shù)轉(zhuǎn)化成甲醇或二甲醚，還可以進一步制成汽油、柴油等液轉(zhuǎn)化成甲醇或二甲醚，還可以進一步制成汽油、柴油等液體燃料。國際上天然氣甲醇裝置的規(guī)模體燃料。國際上天然氣甲醇裝置的規(guī)模20世紀末為世紀末為90100萬噸年，進入萬噸年，進入21世紀趨向更加超大型化。我國天然氣甲世紀趨向更加超大型化。我國天然氣甲醇裝置最大為醇裝置最大為10萬噸年，能耗高，與國際水平相差

14、較大。萬噸年，能耗高，與國際水平相差較大。2022-3-2811甲醇汽車 在環(huán)保指標方面，甲醇汽車明顯優(yōu)于汽油車，在環(huán)保指標方面，甲醇汽車明顯優(yōu)于汽油車，CO排放排放量降低量降低90，烴類排放量降低，烴類排放量降低70左右。但在甲醇燃料品左右。但在甲醇燃料品質(zhì)、燃料電噴系統(tǒng)的專用配件、甲醇汽車非常規(guī)排放物的質(zhì)、燃料電噴系統(tǒng)的專用配件、甲醇汽車非常規(guī)排放物的治理方面尚需進一步完善。治理方面尚需進一步完善。2022-3-2812二甲基醚車用燃料 二甲基醚可作為甲醇燃料的間接利用，這是目前世界上普二甲基醚可作為甲醇燃料的間接利用，這是目前世界上普遍看好的超潔凈車用燃料，各國都在大力發(fā)展它的生產(chǎn)和使遍

15、看好的超潔凈車用燃料，各國都在大力發(fā)展它的生產(chǎn)和使用技術(shù)，具有以下優(yōu)點：用技術(shù)，具有以下優(yōu)點： 可以由天然氣和煤制取，具有廣泛的可獲得性?？梢杂商烊粴夂兔褐迫。哂袕V泛的可獲得性。 超清潔。目前我國汽車尾氣排放基本實施歐超清潔。目前我國汽車尾氣排放基本實施歐標準，標準，DME多項排放指標遠低于歐多項排放指標遠低于歐標準，被譽為標準，被譽為“21世紀的綠色燃世紀的綠色燃料料”。 具有良好的替代性。作為民用燃料，具有良好的替代性。作為民用燃料，DME與與LPG在物理在物理性質(zhì)上極為相似，完全可利用現(xiàn)有的性質(zhì)上極為相似，完全可利用現(xiàn)有的LPG運輸分配與儲存設運輸分配與儲存設備；作為車用燃料，可以替代

16、柴油。而在我國成品油中，備；作為車用燃料，可以替代柴油。而在我國成品油中，LPG和柴油的缺口最大，因此和柴油的缺口最大，因此DME對于我國資源利用和環(huán)境對于我國資源利用和環(huán)境保護的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。保護的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。 DME的傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)是兩步法，即由合成氣合成甲醇，的傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)是兩步法，即由合成氣合成甲醇，再脫水制得再脫水制得DME，其成本高于甲醇。先進的一步法是由合成，其成本高于甲醇。先進的一步法是由合成氣直接轉(zhuǎn)化生成氣直接轉(zhuǎn)化生成DME，可大大降低成本。，可大大降低成本。2022-3-2813氫能與氫經(jīng)濟 傳統(tǒng)的電力生產(chǎn)采用熱化學方法，將化石燃料高溫燃燒獲傳統(tǒng)的電力生產(chǎn)采

17、用熱化學方法，將化石燃料高溫燃燒獲得熱能，再經(jīng)熱機轉(zhuǎn)換為電能，效率低且污染嚴重。得熱能，再經(jīng)熱機轉(zhuǎn)換為電能，效率低且污染嚴重。 有兩種解決辦法：一是不使用化石燃料，即使用不含碳的有兩種解決辦法：一是不使用化石燃料，即使用不含碳的燃料，如氫；二是改高溫燃燒為低溫燃燒，如燃料電池，特燃料，如氫；二是改高溫燃燒為低溫燃燒，如燃料電池，特別是低溫燃料電池（離子交換膜式燃料電池），氫是最佳燃別是低溫燃料電池（離子交換膜式燃料電池），氫是最佳燃料。料。 氫燃燒時變成氫燃燒時變成H2O，不污染環(huán)境，熱效率高；在電化學燃，不污染環(huán)境，熱效率高；在電化學燃燒時熱效率更高。氫的儲存運輸性能好，用途多樣化，既可燒時

18、熱效率更高。氫的儲存運輸性能好，用途多樣化，既可產(chǎn)電又可產(chǎn)熱，還可直接得到動力，被認為是產(chǎn)電又可產(chǎn)熱，還可直接得到動力，被認為是21世紀理想的世紀理想的能源。氫能與多類能源的轉(zhuǎn)換性能好，被稱為能源。氫能與多類能源的轉(zhuǎn)換性能好，被稱為 “能源貨能源貨幣幣” 。氫可作為多種能源的儲存介質(zhì)，用于儲能，使能源得。氫可作為多種能源的儲存介質(zhì)，用于儲能，使能源得到充分利用。到充分利用。2022-3-2814氫的生產(chǎn) 通過天然氣水蒸氣重整是獲得大量廉價氫的主要途徑。通過天然氣水蒸氣重整是獲得大量廉價氫的主要途徑。 重整氣要求氫含量高，對重整氣要求氫含量高，對CO的限制非常嚴格。因為燃的限制非常嚴格。因為燃料

19、電池電極多是鉑，很容易受料電池電極多是鉑，很容易受CO毒化，失去催化活性，一毒化，失去催化活性，一般要求般要求H2含量達含量達90以上，以上，CO含量不超過含量不超過2，故重整反，故重整反應系統(tǒng)的設計和控制要特別注意此點。應系統(tǒng)的設計和控制要特別注意此點。 日本學者研究成功了離子膜式電解水制氫，效率高達日本學者研究成功了離子膜式電解水制氫，效率高達95以上，使電制氫效率大大提高，使多種電能均可制成氫以上，使電制氫效率大大提高，使多種電能均可制成氫貯存或直接使用。大量生物質(zhì)均可制氫，工農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品也貯存或直接使用。大量生物質(zhì)均可制氫，工農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品也可制氫，尤其是生物質(zhì)制氫特別適合于發(fā)展中國家?？芍?/p>

20、氫，尤其是生物質(zhì)制氫特別適合于發(fā)展中國家。2022-3-2815貯氫、輸氫 貯氫、輸氫是發(fā)展氫能技術(shù)的關鍵之一，早期的高壓貯氫、輸氫是發(fā)展氫能技術(shù)的關鍵之一，早期的高壓貯氫或液化貯氫都是危險且成本高的方法。新近國際上發(fā)貯氫或液化貯氫都是危險且成本高的方法。新近國際上發(fā)展了貯氫材料，如高容量的金屬氫化物、納米級石墨纖維、展了貯氫材料，如高容量的金屬氫化物、納米級石墨纖維、特種活性炭、有機氫化物貯氫等，目前均有一定進展，使特種活性炭、有機氫化物貯氫等，目前均有一定進展，使低成本、高效、安全貯氫成為可能。低成本、高效、安全貯氫成為可能。2022-3-2816金屬氫化物貯氫 氫原子貯存在金屬晶格間隙，

21、以氫化物形態(tài)存在，極具安氫原子貯存在金屬晶格間隙，以氫化物形態(tài)存在，極具安全性與經(jīng)濟性。在冷卻或加壓時吸入氫氣，與金屬形成氫化全性與經(jīng)濟性。在冷卻或加壓時吸入氫氣，與金屬形成氫化物，此過程為放熱反應；當加熱或減壓時氫化物分解成金屬物，此過程為放熱反應；當加熱或減壓時氫化物分解成金屬和氫氣，此過程為吸熱反應，此類金屬和氫化物都是可再充和氫氣，此過程為吸熱反應，此類金屬和氫化物都是可再充氣式的。氣式的。 目前開發(fā)的制氫材料分為三類：鈦系（目前開發(fā)的制氫材料分為三類：鈦系（Ti-FeTi-Fe、Ti-MnTi-Mn）、）、鎂系（如鎂系（如Mg-NiMg-Ni）、稀土金屬系（如）、稀土金屬系（如La-

22、NiLa-Ni）等。）等。 金屬氫化物貯氫有三種方式：一是以氫氣貯存，易于輸送金屬氫化物貯氫有三種方式：一是以氫氣貯存，易于輸送和使用；二是以電化學能貯存，利用陰極金屬的電化學作用和使用；二是以電化學能貯存，利用陰極金屬的電化學作用使其成為金屬氫化物，逆過程即進行放電；三是以熱能形式使其成為金屬氫化物，逆過程即進行放電；三是以熱能形式貯存，太陽能或其他熱能均能供氫化物分解所需的焓值，釋貯存，太陽能或其他熱能均能供氫化物分解所需的焓值，釋放出的氫可用作壓縮氣體。放出的氫可用作壓縮氣體。2022-3-2817氫經(jīng)濟 許多國家將氫能的利用提上議事日程，優(yōu)先在財政上給許多國家將氫能的利用提上議事日程，

23、優(yōu)先在財政上給與高額支持，競爭極為激烈。我國政府非常重視氫能的發(fā)展。與高額支持，競爭極為激烈。我國政府非常重視氫能的發(fā)展。 20世紀世紀60年代我國就開展了太陽光分解水的研究。年代我國就開展了太陽光分解水的研究。 70年代開展了貯氫材料的研究，目前我國金屬氫化物制氫年代開展了貯氫材料的研究，目前我國金屬氫化物制氫材料已形成一個產(chǎn)業(yè)，可年產(chǎn)制氫材料材料已形成一個產(chǎn)業(yè)，可年產(chǎn)制氫材料200300t及及3050MWh的金屬氫化物鎳氫電池。最近幾年又制成金屬氫的金屬氫化物鎳氫電池。最近幾年又制成金屬氫化物鎳氫電池式電動汽車?；镦嚉潆姵厥诫妱悠?。 我國科學家研制開發(fā)的煤氣化技術(shù)已使氫的成本降至我國科

24、學家研制開發(fā)的煤氣化技術(shù)已使氫的成本降至0.30.5元元m3。 盡管如此，我國在氫能的研究和應用方面相比于發(fā)達國盡管如此，我國在氫能的研究和應用方面相比于發(fā)達國家仍有家仍有35年的差距。年的差距。2022-3-2818燃料電池 燃料電池（燃料電池（FC）是一種能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，是將燃料的化學）是一種能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，是將燃料的化學能連續(xù)不斷的直接轉(zhuǎn)換成電能的電化學裝置，又稱為電化學能連續(xù)不斷的直接轉(zhuǎn)換成電能的電化學裝置，又稱為電化學發(fā)電器。它是發(fā)電器。它是19世紀中期由英國的世紀中期由英國的R.Grove發(fā)明的，但一直發(fā)明的，但一直未得到實際應用，直到未得到實際應用，直到20世紀世紀60年代年代FC技

25、術(shù)才得以開發(fā)，最技術(shù)才得以開發(fā)，最近二三十年得到快速發(fā)展。近二三十年得到快速發(fā)展。 FC作為新型能源，作為除火力、水力、核能發(fā)電以外的作為新型能源，作為除火力、水力、核能發(fā)電以外的第四種發(fā)電方式為全世界重視。第四種發(fā)電方式為全世界重視。2022-3-2819燃料電池的工作原理 燃料極為負極，由對燃料的氧化過程有電催化作用的材燃料極為負極，由對燃料的氧化過程有電催化作用的材料組成，如貴金屬、石墨等，具有多孔結(jié)構(gòu)，以增加電極料組成，如貴金屬、石墨等，具有多孔結(jié)構(gòu)，以增加電極的比表面積。該電極表面發(fā)生燃料的氧化反應，生成正離的比表面積。該電極表面發(fā)生燃料的氧化反應，生成正離子，進入電池內(nèi)回路，并釋放

26、出電子進入外電路。子，進入電池內(nèi)回路，并釋放出電子進入外電路。 氧化劑極為正極，由對氧化劑的還原過程有電催化作用氧化劑極為正極，由對氧化劑的還原過程有電催化作用的材料組成，如的材料組成，如Pt、Al、石墨等，具有多孔結(jié)構(gòu)。該極表、石墨等，具有多孔結(jié)構(gòu)。該極表面氧化劑接受電子，發(fā)生還原反應，生成負離子，從電池面氧化劑接受電子，發(fā)生還原反應，生成負離子，從電池內(nèi)回路流向陽極，與燃料正離子反應，生成化合物。電解內(nèi)回路流向陽極，與燃料正離子反應，生成化合物。電解質(zhì)為離子導體，連接正負極，構(gòu)成電池內(nèi)回路。質(zhì)為離子導體，連接正負極，構(gòu)成電池內(nèi)回路。 燃料有直接型，如氫、肼；有間接型，如甲醇、乙醇等。燃料有

27、直接型，如氫、肼；有間接型，如甲醇、乙醇等。氧化劑有氧氣、空氣、過氧化氫等。氧化劑有氧氣、空氣、過氧化氫等。2022-3-2820電極反應 FCFC中的負極反應或是中的負極反應或是H H2 2直接氧化，或是甲醇氧化。間接直接氧化，或是甲醇氧化。間接氧化是通過一個重整步驟發(fā)生的。正極反應總是氧還原。在氧化是通過一個重整步驟發(fā)生的。正極反應總是氧還原。在絕大多數(shù)情況下，氧來自于空氣。對該反應已進行過眾多研絕大多數(shù)情況下，氧來自于空氣。對該反應已進行過眾多研究，但究，但O O2 2還原的完整機理仍未充分了解。還原的完整機理仍未充分了解。 若以天然氣、丙烷或醇作燃料時需要重整，經(jīng)凈化后可若以天然氣、丙

28、烷或醇作燃料時需要重整，經(jīng)凈化后可能有污染雜質(zhì)，如能有污染雜質(zhì)，如COCO等，它們會毒害催化劑，為此需加入催等，它們會毒害催化劑，為此需加入催化促進劑，最好的是化促進劑，最好的是Pt-RuPt-Ru合金負載于碳上。合金負載于碳上。2022-3-2821燃料電池的類型 FC常按電池所用的電解質(zhì)區(qū)分，唯一的例外是直接甲常按電池所用的電解質(zhì)區(qū)分，唯一的例外是直接甲醇燃料電池（醇燃料電池（DMFC），甲醇在），甲醇在FC中直接電化學氧化。中直接電化學氧化。另一種分類是根據(jù)電池的操作溫度區(qū)分，有低溫另一種分類是根據(jù)電池的操作溫度區(qū)分，有低溫FC和高和高溫溫FC。低溫。低溫FC包括堿性燃料電池（包括堿性燃

29、料電池（AFC）、質(zhì)子交換膜）、質(zhì)子交換膜燃料電池（燃料電池（PEMFC）和磷酸）和磷酸FC（PAFC）；高溫）；高溫FC有熔有熔融碳酸鹽燃料電池（融碳酸鹽燃料電池（MCFC）和固體氧化物燃料電池）和固體氧化物燃料電池（SOFC）。）。2022-3-2822燃料電池的應用前景 用于電力生產(chǎn)用于電力生產(chǎn) 大型火力發(fā)電站能效低于大型火力發(fā)電站能效低于40，采用汽，采用汽輪機組合循環(huán)能效可達輪機組合循環(huán)能效可達44，進一步改善也只有，進一步改善也只有55。兆瓦。兆瓦級級FC電站可大大提高電站能效，降低環(huán)保成本。電站可大大提高電站能效，降低環(huán)保成本。 電池汽車動力電池汽車動力 基本要求是：行駛功率基本

30、要求是：行駛功率1520kW，加速，加速或爬坡時或爬坡時5060kW，可持續(xù)行駛，可持續(xù)行駛400km，能在室溫下迅速啟，能在室溫下迅速啟動，價格不高于動，價格不高于100美元美元kW，工作壽命，工作壽命5年。年。 特種用途特種用途 空間開發(fā)利用是空間開發(fā)利用是FC應用最早、最成功的領應用最早、最成功的領域，航天飛行器均采用域，航天飛行器均采用AFC，天空實驗室、宇宙空間站采用，天空實驗室、宇宙空間站采用FC都取得了成功。軍用潛艇的動力裝置、水下深潛器、無都取得了成功。軍用潛艇的動力裝置、水下深潛器、無纜機器人等都已成功應用。纜機器人等都已成功應用。2022-3-2823煤的新作用 20世紀世

31、紀70年代末的兩次能源危機中，西方國家通過煤的年代末的兩次能源危機中，西方國家通過煤的氣化和甲烷化生產(chǎn)代用天然氣（氣化和甲烷化生產(chǎn)代用天然氣（SNG）應對局面，為煤的清）應對局面，為煤的清潔加工開發(fā)了一些成功的催化工藝，用于煤脫硫凈化處理。潔加工開發(fā)了一些成功的催化工藝，用于煤脫硫凈化處理。在油價持續(xù)攀升居高不下而資源匱乏的今天，再將在油價持續(xù)攀升居高不下而資源匱乏的今天，再將SNG推向推向大型化是無出路的。除南非那樣的特殊環(huán)境，煤直接轉(zhuǎn)換為大型化是無出路的。除南非那樣的特殊環(huán)境，煤直接轉(zhuǎn)換為液體燃料也不可取。但煤是比氣、油儲量多的能源，故未來液體燃料也不可取。但煤是比氣、油儲量多的能源，故未

32、來能源的出路和戰(zhàn)略，要估計煤的新作用。能源的出路和戰(zhàn)略，要估計煤的新作用。2022-3-2824中國的煤基醇、醚燃料路線 根據(jù)中國的國情，未來的能源戰(zhàn)略是滿足環(huán)保的要求，根據(jù)中國的國情，未來的能源戰(zhàn)略是滿足環(huán)保的要求，在煤炭清潔轉(zhuǎn)化的基礎上，大力發(fā)展煤基燃料。在煤炭清潔轉(zhuǎn)化的基礎上，大力發(fā)展煤基燃料。 第一步第一步 以脫硫、脫氮的煤氣化為核心，將動力循環(huán)和化工以脫硫、脫氮的煤氣化為核心，將動力循環(huán)和化工循環(huán)相耦合，發(fā)展發(fā)電和化學品（甲醇二甲醚）聯(lián)產(chǎn)技循環(huán)相耦合，發(fā)展發(fā)電和化學品（甲醇二甲醚）聯(lián)產(chǎn)技術(shù)。術(shù)。 第二步第二步 用煤制取的用煤制取的CH3OH/DME取代汽油、柴油，發(fā)展清取代汽油、柴油

33、，發(fā)展清潔價廉的交通用燃料。潔價廉的交通用燃料。DME是目前世界上普遍看好的未來是目前世界上普遍看好的未來超清潔燃料，具有較高的十六烷值，非常適用于壓燃式發(fā)超清潔燃料，具有較高的十六烷值，非常適用于壓燃式發(fā)動機，可以取代柴油作為車用燃料。動機，可以取代柴油作為車用燃料。 第三步第三步 由由CH3OH/DME經(jīng)重整制富氫（醇、醚氫），發(fā)展經(jīng)重整制富氫（醇、醚氫），發(fā)展 PEMFC 。 總之，從清潔煤出發(fā)，發(fā)展集成組合技術(shù)，采用多途徑總之，從清潔煤出發(fā)，發(fā)展集成組合技術(shù)，采用多途徑的代用能源路線，是中國未來煤基能源的發(fā)展思路。的代用能源路線，是中國未來煤基能源的發(fā)展思路。2022-3-2825美國

34、“Vision 21”化石能源計劃 美國能源部于美國能源部于2002年出臺了以煤為基礎的零排放化石能年出臺了以煤為基礎的零排放化石能源計劃。該計劃由政府牽頭，組成源計劃。該計劃由政府牽頭，組成“政府企業(yè)研究院政府企業(yè)研究院”協(xié)同運作的聯(lián)合機制，采用創(chuàng)新技術(shù)和多種能源的混合路協(xié)同運作的聯(lián)合機制，采用創(chuàng)新技術(shù)和多種能源的混合路線，包括化石能源、核能和可再生能源，但未來能源的主線，包括化石能源、核能和可再生能源，但未來能源的主體仍是煤炭。該計劃的集成技術(shù)包括：煤的氣化和體仍是煤炭。該計劃的集成技術(shù)包括：煤的氣化和FC提供提供發(fā)電，同時副產(chǎn)車用燃料和化工原料；特別強調(diào)未來能源發(fā)電，同時副產(chǎn)車用燃料和化

35、工原料；特別強調(diào)未來能源生產(chǎn)中化學和化學工程學的關鍵作用。生產(chǎn)中化學和化學工程學的關鍵作用。 “Vision 21”特別強調(diào)特別強調(diào)CO2的管理，因為會影響全球的大的管理，因為會影響全球的大氣環(huán)境變化。氣環(huán)境變化。 “Vision 21”工程組織包括工程組織包括60多個企業(yè)和大學，得到美國多個企業(yè)和大學，得到美國DOE的財政支持。整個工程的財政支持。整個工程2005年起步，年起步，2010年完成組件年完成組件裝置設計，裝置設計，2015年完成商業(yè)性裝置工廠設計。年完成商業(yè)性裝置工廠設計。2022-3-2826丹麥丹麥Topsoc的強制合成與的強制合成與IGCC組合能源方案組合能源方案 該方案是

36、煤基型能源開發(fā)計劃，可以作為歐洲模式。該方案是煤基型能源開發(fā)計劃，可以作為歐洲模式。IGCC代表聯(lián)合循環(huán)的動力裝置，是荷蘭代表聯(lián)合循環(huán)的動力裝置，是荷蘭Shell公司的煤氣化技公司的煤氣化技術(shù)，發(fā)電效率較傳統(tǒng)的要高，達術(shù)，發(fā)電效率較傳統(tǒng)的要高，達43。在。在IGCC裝置中，裝置中，H2和和甲醇（甲醇（DME和和F-T柴油）可以通過強制合成廉價的生產(chǎn)，作柴油）可以通過強制合成廉價的生產(chǎn)，作為為IGCC的副產(chǎn)物。的副產(chǎn)物。 此方案中，煤和其他重化石燃料（油砂、石油焦）在未來此方案中，煤和其他重化石燃料（油砂、石油焦）在未來能源供應中仍占重要地位，而合成燃料可以通過合成單元廉能源供應中仍占重要地位，

37、而合成燃料可以通過合成單元廉價獲得。價獲得。2022-3-2827生物質(zhì)能 生物質(zhì)能是自然能的一種，是地面或海面在太陽能的蓄積生物質(zhì)能是自然能的一種，是地面或海面在太陽能的蓄積過程中通過光合作用生成的。生物能是由植物體形成的，通過程中通過光合作用生成的。生物能是由植物體形成的，通過過 H2O和和CO2合成糖類或淀粉，以維持其各項生命活動。合成糖類或淀粉，以維持其各項生命活動。 動物依靠自身無法由無機物合成有機物，只能通過攝入植動物依靠自身無法由無機物合成有機物，只能通過攝入植物產(chǎn)生的能量維持生命活動。動物的糞便和尸體所包含的有物產(chǎn)生的能量維持生命活動。動物的糞便和尸體所包含的有機物經(jīng)微生物氧化

38、分解，再還原為機物經(jīng)微生物氧化分解，再還原為CO2、H2O、CH4、NH3。這樣，植物、動物、微生物三者，通過無機物和有機物的形這樣，植物、動物、微生物三者，通過無機物和有機物的形態(tài)變化形成物質(zhì)和能量循環(huán)。態(tài)變化形成物質(zhì)和能量循環(huán)。2022-3-2828生物質(zhì)能的利用 生物質(zhì)能主要蓄積在森林中。生物質(zhì)能具有再生性、清生物質(zhì)能主要蓄積在森林中。生物質(zhì)能具有再生性、清潔性，而且取之不盡。西歐和北美等國對生物質(zhì)能的研究潔性，而且取之不盡。西歐和北美等國對生物質(zhì)能的研究開發(fā)居世界前列。芬蘭是大規(guī)模應用生物質(zhì)燃料的工業(yè)化開發(fā)居世界前列。芬蘭是大規(guī)模應用生物質(zhì)燃料的工業(yè)化國家，其生物質(zhì)能占總能源份額的國家

39、，其生物質(zhì)能占總能源份額的30以上。加拿大的生以上。加拿大的生物質(zhì)再生燃料研究開發(fā)也舉世矚目，其國內(nèi)森林多，主要物質(zhì)再生燃料研究開發(fā)也舉世矚目，其國內(nèi)森林多，主要采用木柴直接熱轉(zhuǎn)化技術(shù)生產(chǎn)合成氣和甲醇。發(fā)展中國家，采用木柴直接熱轉(zhuǎn)化技術(shù)生產(chǎn)合成氣和甲醇。發(fā)展中國家，如印度和巴西，也都大力開展生物質(zhì)能的應用，印度發(fā)展如印度和巴西，也都大力開展生物質(zhì)能的應用，印度發(fā)展沼氣利用，巴西大力開展甘蔗乙醇燃料。沼氣利用，巴西大力開展甘蔗乙醇燃料。2022-3-2829生物質(zhì)能利用途徑能源植物能源植物 普通植物以碳水化合物為主要成分，但也存在含烴類普通植物以碳水化合物為主要成分，但也存在含烴類（碳氫化合物）

40、的植物。這種烴與石油的成分相同，將植（碳氫化合物）的植物。這種烴與石油的成分相同，將植物的樹汁干餾即得到石油替代品，因而稱為能源植物。目物的樹汁干餾即得到石油替代品，因而稱為能源植物。目前較為關注的只有青珊瑚草等幾種。干餾過程需消耗大量前較為關注的只有青珊瑚草等幾種。干餾過程需消耗大量熱能，構(gòu)成實用化瓶頸。熱能，構(gòu)成實用化瓶頸。2022-3-2830生物質(zhì)能利用途徑 木柴和木炭的直接燃燒木柴和木炭的直接燃燒 這些燃料在歷史上曾作為人類的主要能源。隨著化石燃這些燃料在歷史上曾作為人類的主要能源。隨著化石燃料的發(fā)展，其用量大為減少。料的發(fā)展，其用量大為減少。2022-3-2831生物質(zhì)能利用途徑 生物質(zhì)經(jīng)發(fā)酵轉(zhuǎn)化成酒精燃料生物質(zhì)經(jīng)發(fā)酵轉(zhuǎn)化成酒精燃料 目前世界上生產(chǎn)甘蔗能源酒精產(chǎn)量最高的國家是巴西，目前世界上生產(chǎn)甘蔗能源酒精產(chǎn)量最高的國家是巴西，其酒精年產(chǎn)量在其酒精年產(chǎn)量在130億升左右。巴西開發(fā)的汽車用酒精燃料億升左右。巴西開發(fā)的汽車用酒精燃料分為含水（分為含水（6）和不含水（）和不含水（0.5）乙醇兩種，前者直接作）乙醇兩種，前者直接作為燃料，后者按為燃料，后者按25比例添加到汽油中制成混合燃料，普比例添加到汽油中制成混合燃料，普通汽車不用改裝即可使用。巴西是世界上唯一不供應純汽通汽