新能源與能源材料

1、新能源與能源材料新能源與能源材料風(fēng)能太陽能化石能源核能潮汐能水力發(fā)電一一.能源的概況能源的概況1.能源的重要性能源的重要性 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。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，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

2、人民生活水平的重要標(biāo)志和人民生活水平的重要標(biāo)志，能源問題對社會經(jīng)濟，能源問題對社會經(jīng)濟發(fā)展起著決定性的作用。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)能源常規(guī)能源和新能源新能源兩大類。 常規(guī)能源常規(guī)能源：煤炭、石油、天然氣和水能； 新能源新能源：生物質(zhì)能、核能、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能、太陽能、氫能和化學(xué)電源等。 其中煤炭、石油、天然氣成為化石能源；水能、生物質(zhì)能、風(fēng)能、太陽能和氫能等是可再生能源。3.3.化石能源的問題化石能源的問題 (1)(1)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

3、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80、15和45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5.3億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，上升到2010年的24.32億噸。 據(jù)估計，我國在2020和2050年的石油消費量達4.5和6.1億噸，其中進口量分別為2.7和4億噸。4億噸的進口量相當(dāng)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

4、續(xù)發(fā)展，而且對國家的安全也十分不利。 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(jì)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。 (2) (2) 化石燃料造成嚴重環(huán)境污染和氣候異常化石燃料造成嚴重環(huán)境污染和氣候異常4. 214. 21世紀(jì)

5、世界能源發(fā)展趨勢世紀(jì)世界能源發(fā)展趨勢 (1) 節(jié)能技術(shù)備受重視節(jié)能技術(shù)備受重視 節(jié)能就是提高能源利用率，減少能源的浪費節(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(biāo)，也是一個國家總體科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)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) (2) 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)預(yù)測，20世紀(jì)形成的以化石燃料為主以化石燃料為主的世界能源系統(tǒng)將

6、在21世紀(jì)轉(zhuǎn)換成以可再生能源為主以可再生能源為主的新的世界能源系統(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)研究所的研究報告認為，在21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、化學(xué)能源等新能源將占世界能源的50%左右。 (3) (3) 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。主要發(fā)展的技術(shù)是潔凈煤技術(shù)、煤液化和汽化技術(shù)。潔凈煤技術(shù)、煤液化和汽化技術(shù)。 (4)

7、 (4) 新化石能源的開發(fā)將得到強化新化石能源的開發(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) (5) 核能的利用將進一步得到重視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(jì)末，全世界運行的核電站有436座，總發(fā)電量為3.5億千瓦。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

8、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。 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23.4億萬噸氘，到如受控核聚變技術(shù)在21世紀(jì)能得到應(yīng)用，在21世紀(jì)末，核能可望占世界一次能源的30%左右。 (6) (6) 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)崮堋⒑Ｑ竽芩δ?、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽芎惋L(fēng)能風(fēng)能的可利用資源有限，因此，太陽能太陽能、生物生物質(zhì)能質(zhì)能、氫能和化學(xué)電源氫能和化學(xué)電源的利用將倍受關(guān)注。 二生物質(zhì)能的利用二生物質(zhì)能的利用 1

9、 1生物質(zhì)能的優(yōu)點生物質(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(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)的生物質(zhì)能總能源開發(fā)的生物質(zhì)能總量可達量可達4.54.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。加上生物質(zhì)能可再生。因此，生物質(zhì)能的高效、規(guī)?；每捎行Ь徑馐澜缒茉垂┬杳堋?(a) 直接燃燒直接燃燒。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(dāng)成熟。(c) 光熱轉(zhuǎn)化光熱轉(zhuǎn)化。通過氣化、裂解、光催化等技術(shù)，獲得

10、氣、液體燃料來發(fā)電。(d) 生物柴油生物柴油。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。 (2) (2) 生物質(zhì)能可多途徑利用生物質(zhì)能可多途徑利用 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，可得到以甲烷為主的燃氣，實現(xiàn)垃圾的減量化、無害化、資源化。 (3) 生物質(zhì)能利用其環(huán)境污染少 2.2.生物質(zhì)能利用的問題生物質(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

11、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)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)?；檬瞧惹行枰鉀Q的問題。 生物質(zhì)能生物質(zhì)能涉及材料領(lǐng)域涉及材料領(lǐng)域 生物轉(zhuǎn)化生物轉(zhuǎn)化。包括制沼氣和水解發(fā)酵制取醇類。 生物柴油生物柴油。從油料植物提取植物油，經(jīng)甲酯化得生物柴油。三太陽能的利用三太陽能的利用 1.1.太陽能的優(yōu)點太陽能的優(yōu)點 (1) (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

12、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(dāng)于74萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤的能量。其中被植物吸收的僅占0.015%?？梢姡_發(fā)太陽能利用的潛力很大。 (2)(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，太陽能的使用基本上沒有污染問題。(3)(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

13、術(shù)從水或生物質(zhì)中制得氫氣。 2.2.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)值已達特別在我國，太陽能熱水器的年產(chǎn)值已達100100多億元，多億元，居世界首位。居世界首位。 3.3.太陽能利用的問題太陽能利用的問題 開發(fā)太

14、陽能利用的主要問題是如何提高太陽開發(fā)太陽能利用的主要問題是如何提高太陽能的能的轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換效率，其次是，其次是降低成本降低成本，這對我國特別，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。兆瓦，但由于價格高，基本上都銷往國外。 另外，一些技術(shù)，如光催化和光電催化制氫技另外，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。這方面的研究和發(fā)展。太陽能電池與材料領(lǐng)域的關(guān)系 太陽能電池太陽能電池(Solar Cell)(Sol

15、ar Cell)可大致分為三代：可大致分為三代：（1 1）第一代為）第一代為硅晶電池硅晶電池，又可大致分為，又可大致分為單晶單晶硅與硅與多晶硅多晶硅兩種，商業(yè)應(yīng)用之歷史兩種，商業(yè)應(yīng)用之歷史最悠久，已被廣泛應(yīng)用于家庭與消費性商品最悠久，已被廣泛應(yīng)用于家庭與消費性商品（2 2）第二代產(chǎn)品為）第二代產(chǎn)品為薄膜太陽能電池薄膜太陽能電池，主要構(gòu)成材料為，主要構(gòu)成材料為非晶非晶硅硅(Amorphous)(Amorphous)與二六與二六族化合物族化合物半導(dǎo)體，常被運用于建筑涂料半導(dǎo)體，常被運用于建筑涂料（3 3）第三代即為）第三代即為砷化鎵三五族太陽能電池砷化鎵三五族太陽能電池，砷化鎵，砷化鎵(GaAs)

16、(GaAs)被運用于太空作為發(fā)電被運用于太空作為發(fā)電用途已有很長的歷史，主要因為砷化鎵具有良好的耐熱、耐輻射等特性，因此被用途已有很長的歷史，主要因為砷化鎵具有良好的耐熱、耐輻射等特性，因此被廣泛利用在太空發(fā)電用途，唯價格過于高昂，故過去未被使用于地面及家庭消費廣泛利用在太空發(fā)電用途，唯價格過于高昂，故過去未被使用于地面及家庭消費性用途。性用途。 然隨著人類對半導(dǎo)體材料的認識益深，搭配上聚光光學(xué)然隨著人類對半導(dǎo)體材料的認識益深，搭配上聚光光學(xué)組件組件，如今三接面砷，如今三接面砷化鎵電池之轉(zhuǎn)換效率已可高達化鎵電池之轉(zhuǎn)換效率已可高達40%40%，制造成本亦大幅降低。在全球熱切尋找永續(xù)替，制造成本亦

17、大幅降低。在全球熱切尋找永續(xù)替代能源的今日，代能源的今日， 高效率砷化鎵太陽能電池將是光能發(fā)電的另一項重要選擇。高效率砷化鎵太陽能電池將是光能發(fā)電的另一項重要選擇。神九飛船上的太陽能電池從火箭發(fā)射點火到神舟飛船和火箭分離、太陽能帆板展開前，飛船的電能由蓄電池提從火箭發(fā)射點火到神舟飛船和火箭分離、太陽能帆板展開前，飛船的電能由蓄電池提供；太陽電池陣展開后對日定向，開始將太陽光能轉(zhuǎn)化為電能，一方面提供飛船平臺供；太陽電池陣展開后對日定向，開始將太陽光能轉(zhuǎn)化為電能，一方面提供飛船平臺電能，同時給蓄電池充電，滿足飛船在無太陽光區(qū)域即地球陰影區(qū)的電能需求。如果電能，同時給蓄電池充電，滿足飛船在無太陽光區(qū)

18、域即地球陰影區(qū)的電能需求。如果太陽電池陣不能提供充足的電能，飛船就無法正常工作。太陽電池陣不能提供充足的電能，飛船就無法正常工作。從神一到神六，飛船的從神一到神六，飛船的“翅膀翅膀”上采用的都是硅太陽電池，只能吸收特定光譜范上采用的都是硅太陽電池，只能吸收特定光譜范圍的太陽光，其轉(zhuǎn)換效率不高。神舟九號飛船采用中國電子科技集團公司研制的三結(jié)圍的太陽光，其轉(zhuǎn)換效率不高。神舟九號飛船采用中國電子科技集團公司研制的三結(jié)砷化鎵太陽電池陣，平均光電轉(zhuǎn)換率為砷化鎵太陽電池陣，平均光電轉(zhuǎn)換率為27.56%27.56%，光電轉(zhuǎn)化效率提高了，光電轉(zhuǎn)化效率提高了50%50%以上，發(fā)電能以上，發(fā)電能力達到國際先進水平

19、。力達到國際先進水平。四四. .氫能的利用氫能的利用1. 1. 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。氫是自然界儲量最豐富的元素。(2) (2) 氫是除核燃料外發(fā)熱量最大的燃料。氫是除核燃料外發(fā)熱量最大的燃料。(3) (3) 氫燃燒生成水，是世界上最清潔的燃料。氫燃燒生成水，是世界上最清潔的燃料。(4) (4) 燃燒性能好，可燃范圍大，燃燒速度快。燃燒性能好，可燃范圍大，燃燒速度快。(5) (5) 氫可用多種方法大規(guī)模生產(chǎn)。氫可用多種方法大規(guī)模生產(chǎn)。(6) (6) 氫的利用形式多，可通過燃燒發(fā)電，通過燃料電池氫的利用形式多，可通過燃燒發(fā)電，通過燃料電池發(fā)電等。發(fā)電等。 2.2

20、.對氫能利用的重視對氫能利用的重視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”。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。氫將取代天然氣、油和煤而成為未來世界的主要能源，進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)。 我國對發(fā)展氫能經(jīng)濟也開始重視，參加了我國對發(fā)展氫能經(jīng)濟也開始重視，參加了20032003年在華盛頓年在華盛頓召開的有召開的有1515國家參加的國家參加的“國際氫能經(jīng)濟合作伙伴國際氫能經(jīng)濟合作伙伴”會議。會議。 200

21、42004和和20052005舉辦了兩次關(guān)于氫能經(jīng)濟的中美雙邊會議。舉辦了兩次關(guān)于氫能經(jīng)濟的中美雙邊會議。 20062006年年1 1月，中國科學(xué)院院士局召開了關(guān)于月，中國科學(xué)院院士局召開了關(guān)于“石油替代能源石油替代能源”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。行軟課題研究。(1)氫的價格 氫的制備、儲存和運輸中的價格問題，是影氫的制備、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。要降低其價響走進氫能時代的很

22、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)。格，必須形成氫的制備、儲存和運輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)。3.3.氫能的問題氫能的問題 (2)(2)廉價清潔的制氫技術(shù)問題廉價清潔的制氫技術(shù)問題 目前制氫效率很低目前制氫效率很低, ,氫的制取要消耗大量的能量，因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)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。心的問題。 (a) (a) 化石燃料制氫：目前，化石燃料制氫：目前，9696氫從化石燃料制備，技術(shù)氫從化石燃料制備，技術(shù) 成熟，但要造成環(huán)境污染。成熟，但要造成環(huán)境污染。 (b) (b)電解水制氫：技術(shù)成熟

23、，但耗能多、價格高。電解水制氫：技術(shù)成熟，但耗能多、價格高。 一般每生產(chǎn)一般每生產(chǎn)1 1立方米的氫氣，需要消耗立方米的氫氣，需要消耗4.2-64.2-6度的電能，度的電能，其能量轉(zhuǎn)化率不到其能量轉(zhuǎn)化率不到3232。 (c)(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，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。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)(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。氫效率低。 (e)(e)風(fēng)能制氫：用

24、風(fēng)能發(fā)電來電解水產(chǎn)生氫，技術(shù)上沒有問題，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。降低成本和風(fēng)能發(fā)電量少是主要的問題。 (f)(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)化還有較遠的距離。遠的距離。(3)(3)氫的儲運問題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。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、合成甲醇及許多工業(yè)過程，如煉油、煉焦、氯堿、合成氨、合成甲醇

25、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。題而不能被利用。我國每年放空和燒掉的氫氣至少在我國每年放空和燒掉的氫氣至少在10101010標(biāo)立方米以上。標(biāo)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。題。目前氫的儲運還有很大問題。 (a) 高壓儲氫：儲氫量少，只有高壓儲氫：儲氫量少，只有1 1左右，還有不安全的問左右，還有不安全的問題。題。(b) (b) 液氫儲氫：很不方便，儲氫設(shè)備大，蒸發(fā)損失大。液氫儲氫：很不方便，儲

26、氫設(shè)備大，蒸發(fā)損失大。(c) (c) 吸附儲氫：這是目前的研究熱點，但儲氫容量還較低，吸附儲氫：這是目前的研究熱點，但儲氫容量還較低，一般不超過一般不超過2 2。鎂合金儲氫在。鎂合金儲氫在3 3，但儲放不可逆。熱門，但儲放不可逆。熱門一時的納米碳管儲氫也已沒有了希望，最終的儲氫量也只一時的納米碳管儲氫也已沒有了希望，最終的儲氫量也只有有1 1左右。左右。(e) (e) 化合物儲氫：放氫不容易?；衔飪洌悍艢洳蝗菀?。(4) (4) 燃料電池還沒有商品化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。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

27、料資源短缺和環(huán)境污染日趨嚴重，各近年來，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電池列為2121世紀(jì)十大高新科技之首，燃料電池已被認為是世紀(jì)十大高新科技之首，燃料電池已被認為是2121世紀(jì)極具應(yīng)用前景的一種新型能源系統(tǒng)。世紀(jì)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100100多年的歷史，但至今還沒有一種燃料電池已經(jīng)真正商多年的歷史，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

28、一個與氫能利用品化，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。密切相關(guān)的問題。 五燃料電池加速氫能利用五燃料電池加速氫能利用 1 1燃料電池的優(yōu)點燃料電池的優(yōu)點燃料電池是一種高效清潔的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，可降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。低環(huán)境污染和氣候異常。(2) (2) 燃料電池能高效利用生物質(zhì)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的氣、液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。物質(zhì)和氫作燃料，因此，能促進氫能的利用。(3) (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

29、效發(fā)電，適合于生物質(zhì)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。分散性的特點。 2.2.燃料電池的工作原理燃料電池的工作原理 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 = H2O4.4.燃料電池分類燃料電池分類(1)(1)堿性燃料電池堿性燃料電池(AFC)(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)(2)

30、磷酸燃料電池磷酸燃料電池(PAFC)(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)(3)質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)(PEMFC)陽極：催化劑：陽極：催化劑：PtPt，燃料：氫，燃料：氫陰極：催化劑：陰極：催化劑：PtPt，氧化劑：氧，氧化劑：氧電解液：含水的質(zhì)子交換膜電解液：含水的質(zhì)子交換膜工作溫度：工作溫度：60608080o oC C用途：用途：汽車和潛艇等的動力源汽車和

31、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。優(yōu)點：比能量和比功率高，壽命長，應(yīng)用范圍廣。缺點：對缺點：對COCO敏感，價格高，敏感，價格高，800800美元美元/ /千瓦，燃機千瓦，燃機5050美元美元/ /千瓦千瓦。 (4)(4)直接甲醇燃料電池直接甲醇燃料電池(DMFC)(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)備動力源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

32、換膜。(5)(5)熔融碳酸鹽燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)(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)(6)固體氧化物燃料電池固體氧化物燃料電池(SOFC)(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：

33、900oC 用途：發(fā)電站發(fā)電站 優(yōu)點：不需貴金屬催化劑。壽命長。可用各種燃料氣。 抗中毒能力強。能量轉(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。5.PEMFC5.PEMFC發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀(1) 世界各國對世界各國對PEMFCPEMFC的重視的重視 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。 20082008年奧運會期間，有我國生產(chǎn)的燃料電池電動車會小批年奧運會期間，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。量、示范性地行駛在街頭。 到到20102010年世博會期間，年世博會期間，2020

34、輛燃料電池公交車、輛燃料電池公交車、300300輛燃料電輛燃料電池出租車、池出租車、10001000輛電動汽車以及一批燃料電池場地車和郵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，上海將建成政車都將投入運行，屆時，上海將建成5 5座加氫站來滿足這座加氫站來滿足這些車輛對氫燃料的需求。些車輛對氫燃料的需求。 (2)PEMFC(2)PEMFC商業(yè)化的問題商業(yè)化的問題 (a)價格問題價格問題美國能源部認為，汽車用美國能源部認為，汽車用PEMFCPEMFC的最終的價格達到的最終的價格達到$50-$50-100/kW100/kW時，才能有競爭能力，因為現(xiàn)在內(nèi)燃機的價格為時，才能有競爭能力

35、，因為現(xiàn)在內(nèi)燃機的價格為$50/kW$50/kW左右，而現(xiàn)在左右，而現(xiàn)在PEMFCPEMFC的價格在的價格在$800/kW$800/kW左右。左右。在現(xiàn)在技術(shù)的基礎(chǔ)上，即使在現(xiàn)在技術(shù)的基礎(chǔ)上，即使PEMFCPEMFC的產(chǎn)量為每年的產(chǎn)量為每年5050萬臺，萬臺，其價格也要在其價格也要在$300/kW$300/kW。 PEMFC PEMFC價格高的主要是由于高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。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。另外運行成本也遠高于燃油汽車。(b) (b) 燃料問題燃料問題 目前的PEMFC一般用高壓氫作燃

36、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(dāng)?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。合金儲氫合金儲氫是應(yīng)重點發(fā)展的技術(shù)，因為這類儲氫方法比較安全，可逆性好，如其儲氫容量能提高到4以上，就能得到應(yīng)用。(c) Ptc) Pt資源缺乏資源缺乏六六. .發(fā)展新能源的新思路發(fā)展新能源的新思路1.1.不要孤立地研發(fā)新能源不要孤立地研發(fā)新能源 過去，一般都是孤立地去考慮各

37、種新能源的研究和過去，一般都是孤立地去考慮各種新能源的研究和開發(fā)，而沒有注意各種新能源之間的內(nèi)在聯(lián)系，這樣，開發(fā)，而沒有注意各種新能源之間的內(nèi)在聯(lián)系，這樣， 新能源的整體效益必然下降新能源的整體效益必然下降。2.2.發(fā)展新能源的新思路發(fā)展新能源的新思路 由于太陽能、生物質(zhì)能和氫能都是很有希望的新能由于太陽能、生物質(zhì)能和氫能都是很有希望的新能源，考慮到它們的內(nèi)在聯(lián)系，我們提出同時研究和發(fā)源，考慮到它們的內(nèi)在聯(lián)系，我們提出同時研究和發(fā)展它們的新思路。進行展它們的新思路。進行太陽能、生物質(zhì)能太陽能、生物質(zhì)能和和氫能氫能的綜的綜合循環(huán)利用。合循環(huán)利用。H2CO2H2儲存與運輸能量H2O光電催化生物光電

38、催化生物質(zhì)等制氫技術(shù)質(zhì)等制氫技術(shù)燃料電池太陽能、生物質(zhì)能和氫能的綜合循環(huán)利用太陽能、生物質(zhì)能和氫能的綜合循環(huán)利用能源材料 化學(xué)電源-將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。鋰離子電池雖然化學(xué)電源作為能源裝置不能與火力發(fā)電、水力發(fā)電、原子能發(fā)電的作用相提并論，但它特有的良好的可移性和簡便的供電方式則是不可代替的。鋰離子電池是進十幾年才發(fā)展起來的一種高能量的二次電池.由于鋰離子電池具有高電壓、高容量高電壓、高容量的重要優(yōu)點，且循環(huán)壽命長循環(huán)壽命長、安全性能安全性能好，使其在便攜式電子設(shè)備、電動汽車、空間技術(shù)、國防工業(yè)等多方面具有廣闊的應(yīng)用前景，成為近幾年廣為關(guān)注的研究熱點。 1990年首先為日本的索尼（Sony

39、）公司開發(fā)成功， 1991年就實現(xiàn)了商品化， 1992年作為電動汽車的動力源進行開發(fā)研究, 1996年三菱公司在北京展出了以鋰離子二次電池為動 力的電動汽車概念車. 目前，鋰離子電池產(chǎn)品已大批量進入市場，但電池中很多理論問題、技術(shù)問題仍在研究、發(fā)展之中。 1.工作原理2.鋰離子電池組成正極材料：鈷酸鋰（即鋰鈷氧化物）是最早商業(yè)化的鋰離子二次電池正極材料。鋰鈷氧化物、鋰鎳氧化物、鋰錳氧化物是目前研究最為熱門的正極材料。負極材料：石墨化碳材料，如：石墨、石墨化中間相碳微球以及炭/錫納米復(fù)合材料 等。鋰離子電池的組成鋰離子電池的組成：1、正極、正極2、負極、負極3、有機電解液、有機電解液4、隔膜、隔

40、膜5、電池殼、電池殼高性能的電極材高性能的電極材料是制約鋰離子料是制約鋰離子電池應(yīng)用的關(guān)鍵電池應(yīng)用的關(guān)鍵因素因素3. 幾種鋰離子電池正極材料的比較LiNixCoyMn1-x-yO2 材料的特點 具有比容量高; 抗過充電性能好; 熱穩(wěn)定性能高; 循環(huán)性能與鈷酸鋰相當(dāng)； 成本低； 耐過充現(xiàn)象、安全性高。 多元正極材料LiNixCoyMn1-x-yO2成為目前研究的熱點之一。LiNixCoyMn1-x-yO2 電極材料制備關(guān)鍵技術(shù) 錳、鈷和鎳元素在產(chǎn)物中的均勻分布，是合成該材料的關(guān)鍵；錳、鈷和鎳元素在產(chǎn)物中的均勻分布，是合成該材料的關(guān)鍵； 粉末材料晶體粒子形貌、粒徑分布及尺寸的調(diào)控技術(shù)。粉末材料晶體

41、粒子形貌、粒徑分布及尺寸的調(diào)控技術(shù)。 提高其振實密度則是提高其振實密度則是LiNiLiNix xCoCoy yMnMn1-x-y1-x-yO O2 2走向大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。走向大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。合成LiNixCoyMn1-x-yO2 電極材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 電極材料電極材料正極材料正極材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O24.LiFePO4-鋰離子電池動力源正極材料 LiFePOLiFePO4 4的特殊結(jié)構(gòu)決定了其具有脫嵌鋰離子的性能，被的特殊結(jié)構(gòu)決定了其具有脫嵌鋰離子的性能，被認為是新一代有廣闊發(fā)展前景的鋰離子電池正極材料。認為是新一代有廣闊發(fā)展前景的鋰離子電池正

42、極材料。不同燒結(jié)溫度的SEM（由左至右600，700，800）導(dǎo)電性差；離子傳輸性差LiFePO4倍率性能5. 5. 鋰離子電池負極材料鋰離子電池負極材料6. 金屬鋰 金屬鋰是比容量里最高的負極材料。由于金屬鋰異?；顫?，金屬鋰是比容量里最高的負極材料。由于金屬鋰異?；顫姡阅芘c很多無機物和有機物反應(yīng)。在鋰電池中，所以能與很多無機物和有機物反應(yīng)。在鋰電池中，鋰電極鋰電極與非水有機電解質(zhì)容易反應(yīng)，在表面形成一層鈍化膜（固與非水有機電解質(zhì)容易反應(yīng)，在表面形成一層鈍化膜（固態(tài)電解質(zhì)界面膜，態(tài)電解質(zhì)界面膜，SEISEI），），使金屬鋰在電解質(zhì)中穩(wěn)定存在，使金屬鋰在電解質(zhì)中穩(wěn)定存在，這是鋰電池得以商品化

43、的基礎(chǔ)。這是鋰電池得以商品化的基礎(chǔ)。 缺點：缺點：二次鋰電池在充電過程中，新沉積的鋰的表面由于二次鋰電池在充電過程中，新沉積的鋰的表面由于沒有鈍化膜保護，形成彌散態(tài)的鋰，在負極表面會形成枝沒有鈍化膜保護，形成彌散態(tài)的鋰，在負極表面會形成枝晶，造成電池短路，電池被毀，甚至爆炸起火。晶，造成電池短路，電池被毀，甚至爆炸起火。7. 7. 炭材料炭材料 炭材料是人們最早開始研究并應(yīng)用于鋰離子電池的生產(chǎn)中、炭材料是人們最早開始研究并應(yīng)用于鋰離子電池的生產(chǎn)中、至今仍為大家關(guān)注和研究的重點之一至今仍為大家關(guān)注和研究的重點之一 。 目前已商業(yè)化的鋰離子電池炭負極材料可概括為目前已商業(yè)化的鋰離子電池炭負極材料可

44、概括為改性石改性石墨、瀝青基炭材料和樹脂基炭材料。墨、瀝青基炭材料和樹脂基炭材料。 商業(yè)用鋰離子電池負極材料主要以石墨為主，商業(yè)用鋰離子電池負極材料主要以石墨為主，但但其理論比其理論比容量較低容量較低, ,已很難滿足電動汽車對大容量高功率化學(xué)電源已很難滿足電動汽車對大容量高功率化學(xué)電源的廣泛需求。的廣泛需求。8. Sn-Sb合金錫銻合金的優(yōu)點：錫銻合金的優(yōu)點：容量高容量高(Sn:996; Sb:660mAh/g)、導(dǎo)電性好、加工性能好、環(huán)境、導(dǎo)電性好、加工性能好、環(huán)境友好、具有快速充放電能力、能防止溶劑的共插入、安全性好友好、具有快速充放電能力、能防止溶劑的共插入、安全性好錫銻合金的缺點解決非

45、碳類負極材料循環(huán)穩(wěn)定性差的辦法解決非碳類負極材料循環(huán)穩(wěn)定性差的辦法體積變化大，體積效應(yīng)導(dǎo)致材料的粉化、剝落，循環(huán)性能差體積變化大，體積效應(yīng)導(dǎo)致材料的粉化、剝落，循環(huán)性能差1、納米化或薄膜化：減少體積膨脹，縮短、納米化或薄膜化：減少體積膨脹，縮短Li+遷移路徑遷移路徑2、引入惰性基體：緩解體積膨脹和機械應(yīng)力、引入惰性基體：緩解體積膨脹和機械應(yīng)力3、特殊結(jié)構(gòu)：提高循環(huán)性能、特殊結(jié)構(gòu)：提高循環(huán)性能共沉積方法制備共沉積方法制備Sn-SbSn-Sb及及Sn-Sb-Cu-OSn-Sb-Cu-O合金合金0 0101020203030404050506060707080809090 1001000 010010020020030030040040050050060060070070080080090090010001000 S-500S-500S-400S-400S-300S-300S-