第六章-能源化学VIP

第六章能源化学,专题一煤、石油、天然气,能源组成,化石能源：煤、石油、天然气,自然能源：水、太阳、风、海洋,核能,环境,二氧化碳,生态,辐射,酸雨,温室效应,臭氧层破坏,61煤,煤的种类及化学组成煤的分析煤的使用性质,煤的形成与种类,煤的种类及化学组成,煤是由植物经过物理和化学的演变和沉积而成的、棕色至黑色的可燃烧的固体。,在煤化过程的不同阶段，把煤分成：泥煤、褐煤、烟煤及无烟煤。,植物质的堆积阶段,菌解作用阶段,碳化作用阶段,煤的化学组成,煤的种类及化学组成,煤是由极其复杂的有机化合物组成的。主要的化学成分有：,C、H、O、N、S、A（灰分）及W（水分）,可燃质,惰性质,煤的使用性质,煤的发热量（热值）：,1kg煤完全燃烧后所放出的燃烧热即发热量，单位kJ/kg。,发热量可以用氧弹式量热计直接测定，也可以根据元素分析值近似计算：,煤的使用性质,煤的发热量（热值）：,煤的气化,煤与空气、氢气、氧气、蒸汽及二氧化碳中的一种或几种的混合物的化学反应得出的气态产物，即煤气，这一过程称为煤的气化过程。,62液态燃料,液态燃料的化学组成液态燃料的理化性质各种液态燃油,这里讨论的液态燃料为天然石油产品生产的液态燃料及其有关特性。,液态燃料的化学组成,烷烃烯烃环烷烃芳香烃,石油产品主要由以下四类碳氢化合物组成：,液态燃料的化学组成,烷烃,分子通式：CnH2n+2（饱和烃）,液体燃油中的烷烃：C3C15,分子结构（庚烷）：,液态燃料的化学组成,烯烃,分子通式：CnH2n（不饱和烃）,分子结构（丙烯）：,液态燃料的化学组成,环烷烃,分子通式：CnH2n（饱和烃）,分子结构（环丙烷）：,液态燃料的化学组成,芳香烃,单环芳香烃分子式：CnH2n-6（不饱和烃）,分子结构（苯）：,液态燃料的理化性质,热值,直馏流程图,直馏法：常压下直接对石油加热（300325）分馏，石油中各馏分按其沸点高低先后馏出，最先馏出是汽油（沸点40180），然后依次为重汽油（沸点120230）、煤油（150300）、柴油（200350），剩下沸点高的重质油则从分馏塔塔底排出，称为常压重油。,减压蒸馏塔,加热炉（减压）,油泵,常压重油,各种蜡油,重柴油,重油,减压蒸馏流程图,减压蒸馏法：高沸点的常压重油加热到400C以上可以继续分馏出各种重油来。根据气压下降、沸点下降的原理，一般采用减压蒸馏的办法，在0.01MPa以下时，重油中烃的沸点可降低200C，这样原来沸点约700以下的各种烃都可分馏出来。,63气态燃料,天然气,组成：碳氢化合物、硫化氢、氮气及二氧化碳等。种类：气田煤气、油田煤气（伴生气）热值：,天然气,人造煤气,炼铁炉的副产品，在冶炼过程中主要生成CO，其体积百分含量约为20%30%。气体中含有大量惰性气体N2，其体积百分含量占60%左右，含尘也很高，使用前要净化，发热量较低,高炉煤气：,人造煤气,在煤气发生炉中人工造气，煤在空气不足的条件下燃烧，气化生成CO，CO和N2的体积百分含量与高炉煤气接近，H2约占10%，其发热量比高炉煤气高些,发生炉煤气：,在煤气发生炉中若用水蒸汽与炽热的煤反应，则可产生水煤气。,人造煤气,炼焦炉的副产品，炼焦过程用少量空气使煤受热析出挥发分，主要气体成分为CO（50%60%）和CH4(20%)，含N2很少。其发热量较高（），称为中热值煤气。,炼焦煤气：,陆地植物每年经光合作用固定的二氧化碳为200亿-300亿吨。化石能源燃烧产生二氧化碳370亿吨，加上生命呼吸、生物体腐败及火灾等产生的二氧化碳，就严重地超过了绿色植物光合作用吸收转化二氧化碳的量，破坏了自然界的二氧化碳循环平衡，造成臭氧层破坏。,全球变暖,世界能源需求,世界一次能源消费，80%由化石能源提供煤炭、石油、天然气储采比分别为：230、40、60年,能源枯竭,煤炭,煤炭是世界上储量最多、分布最广的常规能源，也是重要的战略资源。它广泛应用于钢铁、电力、化工等工业生产及居民生活领域。目前，煤炭在世界一次能源消费中所占比重为26.5%，低于石油所占比重37.3%，高于天然气所占比重23.9%。在未来100年内，煤炭不可避免地仍将是一种主要能源。据美国能源部预测，到2025年，煤炭在世界一次能源消费结构中所占比重略有下降，但是在亚洲发展中国家和地区煤炭仍将占主导地位。,各国煤炭储量,瑞士银行：全球石油储量报告,各国天然气储量,石油、天然气和能源：传言和事实,关于石油和天然气工业传言的说法,全球的石油和天然气即将用尽。再过几年就可以很容易地找到价格便宜的可再生能源来取代石油和天然气。,传言#1：全球的石油和天然气即将用尽。事实#1：石油和天然气在未来很长一段时间内仍将是主要的能量来源。非传统油气资源会越来越重要。,全球对化石燃料的需求会继续增长,来源：美国能源情报署，2008世界能源展望,从现在起到2030年，世界的能源需求会上涨45%年平均增长率为1.6%其中煤炭占总增长需求的三分之一还多,化石燃料继续为全球提供约80%的能源,来源：美国能源情报署，世界能源预测增刊(2008),历史,预测,预计发展中国家会推动需求增长,来源：美国能源情报署，2008国际能源展望,历史,预测,来源：英国石油公司，世界能源统计评论2008,2007年底石油探明储量十亿桶,传统的液态产品,来源：美国能源情报署，世界能源预测增刊(2008),大多数石油和天然气将不会再来自新的油气田,石油和天然气的主要来源1960年前50-60%来自新油气田1990年前20-25%来自新油气田如今12-15%来自新油气田未来7-10%来自新油气田,新探明的油气田虽然很重要，但却不会对未来的石油供应产生重大影响。按照保守的5%递减率和2.5%需求增长率计算，明年我们的石油日产量必须增加6250,000桶，而且在今后几年增量会越来越大。,已开发油田的重要性,迄今为止，我们已经从现有油田中生产了大约1万亿桶石油石油采收率在世界范围内平均为15%到18%如果把这些现有油田的采收率提高到35%，就可以向全球库存中额外增加1万亿桶可采储量天然气也是同样,非传统资源原油,油页岩壳牌公司对此进行了大规模投资，并且很快就会在怀俄明州南部启动一个试验性项目（就地开采法）含油砂如果加拿大把这些资源计入储量，那么他们在石油数量上将仅次于沙特阿拉伯重油如果委内瑞拉把这些资源计入储量，那么他们在石油数量上将仅次于沙特阿拉伯,非传统资源天然气,煤层气当前美国13%的天然气来源于此页岩气最近的SPE研讨会估计每平方英里的储量可达4001200亿立方英尺致密气藏和超致密气藏0.01mD(0.00001毫达西)过去15年中，在美国发现的最大天然气矿是位于怀俄明州的Jonah矿，估计其储量有8-15万亿立方英尺，该气田是超致密气藏该气田井距为10英亩，每次压裂费用1-2百万美元天然气水化物全球储量预计为已探明传统天然气储量的70到130倍,能源供应总结,在今后的25年中，石油和天然气需求将大幅增长，主要出现在发展中国家这要求我们扩大所有经济型能源的开发：煤炭、核能、生物质能、其它可再生能源以及非传统的石油和天然气。每种资源都面临着严峻的挑战.石油和天然气供应：大多数传统石油和天然气都分布在偏远且有可能出现动荡的地区新增油气供应的主体来自于开发费用昂贵的老油气田和非传统油气资源,不稳定性和全球石油和天然气储量,美国开采限制、碳排放限制、飓风,拉丁美洲资源民族主义,尼日利亚社会动荡,伊拉克蓄意破坏,欧洲天然气供应,俄罗斯重新收归国有控制,里海脆弱的运输线,伊朗核威胁,亚洲能源补贴,马六甲海峡海盗猖獗,来源：全国石油委员会，2008全球石油和天然气研究,“石器时代并不是因为缺少石头而终结的，而石油时代远在石油用尽前就会消失。”,-SheikhZakiYamani,来源：“石油时代的终结”经济学家，2003年10月25日。,传言#2：再过几年就可以很容易地找到价格便宜的可再生能源来取代石油和天然气。事实#2：在未来几年内，所有可再生能源的生产、运输以及使用都面临巨大的挑战。,未来能源选择,目前：石油和天然气煤炭核能水力电能风能其它,开发中：光电地热能潮汐生物质能太阳热其它,2050,现在,NateLewis：加州理工学院,太阳能生产,每天有165,000兆瓦的阳光照射到地面上,地热能潜景,地热能生产过程,核能,天然气,液体燃料,煤炭,可再生能源（不包括液体生物燃料）,非化石能源的使用增长迅速，但在2030年前，化石燃料仍提供总能源使用量的大约80%,液体生物燃料,百万的四次方英制热单位,来源：美国能源情报署2009年度能源展望引用案例介绍,历史,预测,全球能源结构,目前86%=化石燃料（石油、天然气、煤）14%=核能及所有其它来源到2030年80%=化石燃料（石油、天然气、煤）20%=核能及所有其它来源来源：美国能源情报署,今天的石油和天然气公司也是今天的能源公司。,英国石油公司是世界上最大的光电太阳能电池生产商之一。雪佛龙是世界上最大的地热能开发商。石油和天然气工业是氢的最大生产商，也是最大用户。埃克森-美孚、英国石油公司、雪佛龙、壳牌和康菲石油公司都在积极参与政府/工业氢燃料和汽车项目合伙经营（如美国能源部自由车辆和燃料联盟及加利福尼亚州燃料电池合作联盟）。壳牌是全球风能行业中的佼佼者。,全球能源政策,能源供应的安全性：预计石油和天然气的进口方将在更大程度上依赖于此类形式的能源进口。特别是对石油需求量的不断增加，致使人们进一步严重关注储蓄量的增加能否与不断增大的生产量保持同步。挑战：如何确保能够继续获得可负担得起的能源；,以能源促进发展：发展中国家中将近16亿民众（占世界总人口的约四分之一）无法获得住家用电，另有8亿民众则需依赖传统的生物量能源来从事烹饪和取暖。气候变化：能源部门是造成全球温室气体排放的主要部门。为实现京都议定书所订立的各项目标、以及为实现今后将针对气候变化问题订立的任何协定的目标，亟需大幅减少能源的生产和使用中的碳密集程度。,解决方案？,清洁和可再生能源！,奥巴马提出：谁掌握清洁和可再生能源，谁将主导21世纪谁在新能源领域拔得头筹，谁将成为后石油经济时代的佼佼者。奥巴马政府提出的巨额经济刺激计划是一套以优先发展清洁能源、应对气候变化为内容的绿色能源战略计划，把发展新能源作为增加就业岗位、摆脱经济衰退和抢占未来发展先机的战略产业。,奥巴马提出，在未来3年内可再生能源产量增加1倍，2013年占发电比例提高到10%，2025年增至25%。奥巴马的新能源政策或许会如同上世纪90年代克林顿的信息高速公路计划一样，将彻底改变此后10-20年世界发展的面貌，对人类社会进步产生深远的影响。,专题二电力来源,传统发电方式-火力发电,全国SO2,NOx,CO2排放的46%，50%，48%,全国电力来源的82%,使用5000大卡/千克以上的煤单机容量300MW以上的机组，发电耗煤量为260克煤/度电。单机容量几十MW的小机组，耗煤量超过320克煤/度电,全国煤炭消耗的50%,全国电力来源的15%,传统发电方式-水力发电,我国水能分布和利用,四川水能资源占全国25%，水电开发蕴藏量1亿多千瓦，目前仅开发了10%；西部可开发水能资源约2.743亿千瓦，占全国的72%。目前开发程度还不到8%，低于全国平均水电开发程度（19%），更低于世界水能资源的平均开发程度（22%）。,环境效益、社会效益和经济效益,原始林珍稀和濒危生物物种自然景观资源地质环境和生态环境河流生态系统地质灾害,核能,我国第一颗原子弹,我国第一颗氢弹,核能的来源,“核能”来源于将核子(质子和中子)保持在原子核中的一种非常强的作用力核力。核力和人们熟知的电磁力以及万有引力完全不同，它是一种非常强大的短程作用力。,当中子和质子形成原子核时，会放出能量，这种能量称为该原子核的结合能。结合能的大小可以通过爱因斯坦的质能关系式求得：E=mc2式中E结合能，J；m质量亏损，kg；c光速，m/s；不同原子核俘获中子后得到的结合能不同。,当质量数小于60或大于60的原子核由于某种原因向质量数等于60这个方向变换时，比结合能增大。也就是说，在这样的变换中必定伴随着能量的释放。,两种释放能量的途径,根据这一原理，核能的实际利用有两种方法：一是目前已达到实用阶段的重核裂变方法，这就是核裂变反应堆的原理；二是目前还处于研究试验阶段的轻核聚变方法，这就是核聚变反应的原理。,核裂变反应,核裂变反应,核聚变反应,核燃料,核裂变的核燃料核聚变的核燃料,核裂变的燃料,核裂变的核燃料主要是铀。天然铀通常由3种同位素构成：铀-238，约占铀总量的99.3%；铀-235，占铀的总量不到0.7；还有极少量的铀-234。,与一般的矿物燃料相比，核燃料有两个突出的不同特点：（1）生产过程复杂，要经过采矿、加工、提炼、转化、浓缩、燃料元件制造等多道工序才能制成可供反应堆使用的核燃料；（2）还要进行“后处理”。,核燃料的循环,铀的浓缩方法：（1）气体扩散法；（2）激光分离法。,核聚变的核燃料,最容易实现核裂变反应的是原子核中最轻的核，例如氢、氘、氚、锂等。其中最容易实现的热核反应是氘和氚聚合成氦的反应。作为核燃料之一的氘，地球上的储量特别丰富，每升海水中即含氘0.034g，地球上有151014亿吨海水，故海水中的氘含量即达450亿吨，因此几乎是取之不尽的。,世界核能利用的现状,全国电力来源的1.6%,世界核电分布,世界各国核电发电比例图,危险性,1979年3月28日美国三哩岛核电站事故1986年4月26日前苏联切尔诺贝利核爆炸至少有6名消防队员命丧急性放射疾病，6个月后，28人因为受到核辐射死去。20多年来，死亡和被辐射的人数，至今没有统一说法。2011年3月11日福岛第一核电厂事故至少有6个员工吸收到超过“终身摄入限度”的辐射剂量；300个员工吸收到大量辐射剂量；在核电厂附近居住的民众，因累积辐射曝露量而在未来患癌症死亡的人数估计大约在100至1000人之间。,美国三里岛和前苏联切尔诺贝利核电站事故引起公众对核的恐惧。在过去10年中，核电变成了一个倍受争议的话题，它已从世界发展最快的能源沦为发展最慢的能源。,核电站的安全性,核电与核弹,在核电迅猛发展的今天，公众最关心的仍是核电的安全问题。首先公众提出的第一个问题是：核电站的反应堆发生事故时会不会像核武器一样爆炸？回答是否定的。,核弹是由高浓度（90%）的裂变物质（几乎是纯235U或纯239Pu）和复杂精密的引爆系统组成的，当引爆装置点火起爆后，弹内的裂变物质被爆炸力迅猛地压紧到一起，大大超过了临界体积，巨大核能在瞬间释放出来，于是产生破坏力极强的、毁灭性的核爆炸。,核电反应堆的结构和特性与核弹完全不同，既没有高浓度的裂变物质，又没有复杂精密的引爆系统，不具备核爆炸所必须的条件，当然不会产生像核弹那样的核爆炸。核电反应堆通常采用天然铀或低浓度（约3%）裂变物质作燃料，再加上一套安全可靠的控制系统从而能使核能缓慢地有控制地释放出来。,核电站放射性影响,核电站的放射性也是公众最担心的问题。其实人们生活在大自然与现代文明之中，每时每刻都在不知不觉地受到来源于天然放射性的本底和各种人工放射性辐射影响。,各种液体的放射性水准,核电站排放物会使人的一生寿命缩短24s。这与因抽烟缩短寿命710年相比，可以说微乎其微。,防止放射性泄漏的屏障,为了防止放射性裂变物质泄漏，核安全规程对核电站设置了如下7道屏障：陶瓷燃料芯块、燃料元件包壳、压力容器和管道、混凝土屏蔽、圆顶的安全壳构筑物、隔离区、低人口区。有了以上7道屏障，加上核工业和核技术的进步，今后是不再可能发生前苏联切尔诺贝利电站那样的事故的。,核电站的多层安全保护,成本,拆除费用核废料的处理铀的来源,德国已经决定2022年前关闭现有的所有核电站瑞士2034年前关闭所有核电站奥巴马政府在2012年的财政预算中计划批准360亿美元贷款担保用来兴建核电站。法国将继续为发展核电投入资金英国政府将在2025年前建设10个新一代核电站,各国政策,2020年核电占5%，2030年核电占10%2050年核电达4亿-5亿千瓦,2010年前的我国所掌握的天然铀资源，不超过15.4万吨，占世界储量的份额是2.8%,中国铀资源极缺应限制核电多造核战舰何祚庥中国科学院院士中国科学院理论物理研究所研究员,清洁发电方式,清洁能源,风电,风能安全、清洁。相对于核电具有安全、没有原材料压力的优势。相对于太阳能发电（光伏）具有成本优势以及可大规模并网发电的优势。,风电资源,全球可利用的风能资源为200亿千瓦，约是可利用水力资源的10倍。如果利用1%的风能能量，可产生世界现有发电总量8%9%的电量。我国可利用风能资源约为16亿千瓦，其中有很好利用价值的约为2.53亿千瓦。,风电缺点,风电不稳定：少时太少，多时太多1500千瓦风机的启动风速是每秒3米，风速到12.5米/秒的时候就满发电量了，到25米/秒的时候就要停机风电价格高：购置设备投入大。建1千瓦的发电设备，煤电要投资4000至5000元人民币，而风电要投入超过5000元人民币。解决方案：智能电网+储电备用,太阳能发电,优点：无枯竭危险；绝对干净（无公害）；不受地域的限制；可在用电处就近发电；能源质量高；使用者从感情上容易接受；获取能源花费的时间短。不足之处：照射的能量分布密度小，即要占用巨大面积；获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。,太阳能应用,太阳能的使用主要分为几个方面：家庭用小型太阳能电站大型并网电站建筑一体化光伏玻璃幕墙太阳能路灯风光互补路灯风光互补供电系统等,成本,太阳能发电装置一次性投入大，因此发电成本相对较高，目前成本大约是生物质发电的7-12倍、风能发电的6-10倍，更是火电方式的11-18倍。高昂的成本使得太阳能发电投入大规模并网还为时过早。,目前，在西部太阳能资源丰富区，光伏发电成本可以做到每千瓦时1元左右。在未来3-5年内，在政府、企业、科研院所的共同努力下，争取将光伏发电成本降低20%，即降至每千瓦时0.8元。,效率,国内单晶硅太阳电池转换效率达到1719%多晶硅电池转换效率为1517%国外单晶硅电池转换效率已达到23%应大力发展高效率电池，争取在35年内，将电池效率提高至24%电池的效率提高1%，可使光伏发电系统成本下降4%。,氢能经济(HydrogenEconomy),氢能经济的含义,实现可再生能源（太阳能、水力能、风能)制氢，解决氢的贮运技术，能按国民经济需求提供能源，确保国家能源安全和国民经济快速发展；在能量转换过程中，实现从水开始、利用燃料电池等发电装置实现氢能到电能的转换、产物仍为水的循环，杜绝CO2、NOx、SOx等有害气体的排放，实现环境友好；固定电力由电网与以氢为燃料的分散电站联合供给，确保供电安全；移动电力由氢能量转换装置（燃料电池、氢内燃机）与化学电池（二次电池）联合供给，为交通、野外、水下、航天等提供能源；,氢作为能源的特点,获取途径多，能够满足持续供给；生成物为水，无CO2及污染物排放；不依赖化石能源，可持续循环利用；通用性强，能与现有能源系统兼容；化学活性高，可实现燃料电池高效转化；贮运技术解决后，可实现分置式利用。,向氢能经济过渡的重要性,保障全球能源需求：随着全球经济的发展，对能源的需求日益增大，仅依赖化石燃料（缺陷：储量有限；分布不均；利用率低）难以满足全球能源需求；改善全球环境质量：以原油为代表的化石能源对全球生态环境造成很大的负面影响，特别是大量CO2的排放导致“温室效应”，不利于人类的生存和发展，需要一种清洁、高效的能源来替代化石能源；促进人类可持续性发展：化石能源终将枯竭，需要可再生的能源来促进人类的持续发展。,氢能时代的能源系统,各国政府重视氢能经济,美国：能源部长启动氢能研发计划,美国：计划在2040年实现向氢能经济过渡,各国政府重视氢能经济,欧盟：欧盟主席重视氢能开发,Forus,reducingfossilfueldependencyisapriority.Wearenotworkingonascientificexperiment.Scienceisalreadyonboard.Weareworkingforchangeinthemostimportantpatternofconsumptionofacontemporarysociety.Thecostisenormousbutitisnotoutofreach.Therearenootherseriousalternatives.,RomanoProdionconvertingtheEuropeanUniontoaHydrogenEconomy,2003,欧盟：制定了向氢能经济过渡的路线图,欧盟：逐年加大投入氢能和燃料电池领域-第五研究框架（1998-2012）：投入1.2亿欧元用于燃料电池和氢源技术领域的基础研究和技术开发；第六研究框架（2013-2016）：投入8.1亿欧元用于燃料电池和氢源技术领域的研究开发；启动了CUTE（CleanUrbanTransportforEurope）演示性项目；,各国政府重视氢能经济,日本：政府大力支持开展氢能领域研发工作出于自身资源贫瘠的国情特点，注重在新能源领域开展研发工作；研究与开发强调增强企业竞争力；政治上低调而投入上慷慨；致力于燃料电池关键技术；对燃料方面的开发投入相对较少。,日本：制定了实现氢能经济过渡的路线图,我国向氢能经济过渡的必要性,实现向氢能经济过渡的重要意义：提高能源供给安全：实现能源供给的多元化，减小对原油进口的依赖，有利于我国经济的健康、快速、持续发展；改善生态环境质量：目前我国CO2排放占世界第二位，为实现CO2减排，需发展CO2封存的联合循环发电技术，以实现燃料的高效利用；与世界能源先进技术发展同步；,我国在氢能及燃料电池领域的工作,国家投入经费在氢能及燃料电池领域进行研发国家科技部863电动汽车重大专项设立“燃料电池电动汽车”课题；国家科技部启动973基础研究项目：氢能的规模制备、储运和相关燃料电池的研究；中国科学院启动院知识创新工程重大项目：大功率质子交换膜燃料电池发动机及氢源技术；另外，国内多家科研机构和高校相继投入资金在燃料电池及氢能领域开展研发工作；广东省和广州市均已启动燃料电池重大科技专项。,我国在氢能及燃料电池领域的工作,在燃料电池城市大巴研制方面取得进展,北京,在燃料电池中巴研制方面取得进展,30kW氢/氧电池组手动控制,40kW氢/空电池组闭环全自动控制,大连,在燃料电池轿车研制方面取得进展,性能参数电机功率：24KWFCE功率：30KW电池组：30AH最大时速：108.3km/h爬坡度：20加速性能：14.9s(0-80km)续驰里程：209km经济性：1.394kgH2/100km,上海,向氢能经济过渡存在的问题,技术问题：氢气制备、运输、储存、能量转换和应用等技术问题；基础设施问题：氢气的供应体系的建设、相关标准的制定；公众接受问题：氢气的安全问题、价格问题等等；,实现向氢能经济过渡的关键技术,氢的制备、贮运和能源转换技术；氢能的应用技术；,氢的制备（1）,化石资源制氢：不可再生资源制氢技术煤焦化和气化制氢石脑油或重油部分氧化制氢天然气水蒸气重整制氢天然气催化部分氧化制氢天然气高温裂解制氢优点：1.制备技术工艺成熟；2.生产成本低；缺点：1.资源有限且不可再生；2.需要解决CO2的封存问题；3.需要提高效率和小型化；,氢的制备（2）,近期制备方法：从化石原料或富氢工业气体中制取天然气重整制氢；煤CH3OHH2；富氢工业尾气：氯碱工业尾气、焦炉气等；中期制备方法：煤气化制氢远期制备方法：利用清洁、安全、可再生能源制氢生物质制氢利用水电、核电等电解水制氢太阳能光解制氢,氢的输运（1）,目前存在几种主要的氢气运输方式管道输运：氢气管道输运液氢管道输运移动输运：高压氢输运液氢输运,氢的输运（2）,主要存在的问题：移动输运相对能耗大；如用40吨罐车运输，液氢只能运输2.1吨，压力为200bar的氢气运输量不到500Kg；管道输运基础投资高；需要采用特殊材料的管道和特殊的泵站设计，建设成本要比天然气管网高50%左右；管道输运能耗与距离有关;5000公里以内，相对能耗在30%以上；1000公里以内，相对能耗小于10%，低于移动输运能耗；,氢的储存（1）,目前存在的主要几种氢气贮存方式：高压氢瓶-贮氢密度低；-安全性差；-应用相对比较方便；液氢-贮氢密度高；-安全性差；-辅助设施复杂，功耗大；金属氢化物-贮氢体积比能量高；-贮氢重量比能量低；-安全性好；纳米碳管-实际贮氢量还有待进一步证实；,氢的储存（2）,美国能源部制定的氢气贮存技术的目标,车载氢气贮存的技术和经济指标：2005年：1.5kWh/kg(4.5wt%),1.2kWh/L,$6/kWh2010年：2.0kWh/kg(6.0wt%),1.5kWh/L,$4/kWh2015年：3.0kWh/kg(9.0wt%),2.7kWh/L,$2/kWh,目前还没有一种贮氢方式能够满足上述目标，氢气的有效贮存是实现向氢能经济过渡的关键技术之一。,燃料电池基础知识,3.1，基本术语3.2，燃料电池定义和种类3.3，燃料电池工作原理3.4，电池结构和组件,FCFuelCell(燃料电池)PEMFCProtonExchangeMembraneFuelCell(质子交换膜燃料电池)SOFCSolidOxideFuelCell(固体氧化物燃料电池)AFCAlkalineFuelCell(碱性燃料电池)PAFCPhosphoricAcidFuelCell(磷酸燃料电池)MCFCMeltonCarbonateFuelCell(熔融碳酸盐燃料电池)RFCRenewableHydrogen/OxygenFuelCell(再生氢氧燃料电池)DMFCDirectMethanolFuelCell(直接甲醇燃料电池)DAFCDirectAlcoholFuelCell(直接醇类燃料电池)Electrochemistry(电化学)Fuel(燃料)Oxidant(氧化剂)Catalyst(催化剂)Membrane(膜)Dipolarplate(双极板)Flowfiledplate(流场板)MEAMembraneElectrodeAssembly(膜组装电极),3.1，基本术语,燃料电池的发展历史1893WilliamGrove,水解反过程燃料电池原理1950sFrancisBacon,燃料电池组1950s后期碱性燃料电池首先用于航天事业1960s-至今用于每一个载人空间项目1960s-至今发明其他类型燃料电池1970-至今重视陆地应用1990-至今重视交通运输应用,工作原理及方式发电原理：电化学方式等温的将贮存在燃料中的化学能直接转化为电能；工作方式：内燃机方式只要供给燃料和氧化剂，就可以连续输出电能。,燃料电池的特点,*环境友好-非常低或零污染物排放；-低噪音*高效率-不受卡诺循环限制-40-60%燃料/电能转换效率-混用或热电联用可达80%以上效率*燃料使用多样性-H2、天然气、甲醇、煤气化产物、石油分离物等*规模灵活规模无限制、易分置或分散安装-减少基础设施投资-避免干扰敏感区域-易在困难地区增容*没有运动部件-可靠性高、使用寿命长,3.2,燃料电池的定义和种类,燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。,Fuelcellsareelectrochemicaldevicesthatconvertthechemicalenergyofareactiondirectlyintoelectricalenergy.Thebasicphysicalstructure,orbuildingblock,ofafuelcellconsistsofanelectrolytelayerincontactwithaporousanodeandcathodeoneitherside.,燃料电池与各种化学电池一样，输出的是直流电，对于交流用户或需要和电网并网的燃料电池电站，必须将低压直流电转换成交流电或者高压直流电，即需要电压逆变系统。在小功率燃料电池中，为了减小电池的体积和重量，就要减少单电池的数量，这样一来，就需用DC/DC升压电路来达到电器使用电压的要求。燃料电池是一个自动运行的发电装置。因此，电池的供气、水热管理、电输出、电流调控等均需自动运行。这样，以电池组为核心就构成了一个燃料电池的发电系统。,燃料电池按其工作温度的不同，把碱性燃料电池（AFC，工作温度为100）、质子交换膜燃料电池（PEMFC，也称为固体高分子燃料电池，工作温度为100以内）和磷酸燃料电池（PAFC，工作温度为200）称为低温燃料电池；把熔融碳酸盐燃料电池（MCFC，工作温度为650）称为中温燃料电池；固体氧化燃料电池（SOFC，工作温度为1000）称为高温燃料电池。另一种分类是按其开发早晚顺序进行的，把PAFC称为第一代燃料电池，把MCFC称为第二代燃料电池，把SOFC称为第三代燃料电池，把PEMFC称为第四代燃料电池，把直接甲醇燃料电池DMFC称为第五代燃料电池。,燃料电池的特性,4，电池结构和组件,4.1，电池结构4.2，催化剂4.3，离子导电膜4.4，气体扩散层4.5，集流板（双极板）4.6，结构件4.7，管理系统,4.1，燃料电池的结构,以质子交换膜氢氧电池为例,单电池由质子交换膜、催化剂、气体扩散层电极及流场板组成。而电池组则由多个单电池组合而成。如下图所示：,质子交换膜(PEMFC)氢氧燃料电池组的结构示意图,质子交换膜(PEMFC)氢氧燃料电池组的结构,问题：目前，用量较大的催化剂是Pt或Pt合金，但Pt十分昂贵，资源有限。用廉价材料减少Pt用量甲醇作燃料时中间物CO使催化剂中毒提高阳极抗CO性能采用新型催化剂阴极活化损失太大采用新型催化剂,4.2,催化剂,影响催化剂寿命主要因素:催化剂长大。催化剂晶型发生变化。受杂质毒化：1.燃料和空气中的杂质。2.双极板及其它产生的杂质。,质子导电率0.1S/cm。薄膜成型能力及机械强度高。价廉。在强酸和燃料电池工作条件下稳定。低气体渗透。低甲醇渗透(DMFC)。无污染和易回收利用。,4.3，离子导电膜,要求：,最早的燃料电池产生于二十世纪六十年代早期，已经采用质子交换膜作为电解质。通用电器制造了1kW的质子交换膜燃料电池用于NASA的Gemini太空飞船，导电膜采用的是聚苯乙烯磺酸膜。但是聚苯乙烯磺酸膜容易被电化学氧化而降解，所以其使用寿命较短。,七十年代GeneralElectricCompany用DuPont公司的Nafion代替在燃料电池中使用的聚苯乙烯磺酸膜。Nafion膜有利于PEMFC的操作，这是因为首先由于在铂催化剂上的全氟磺酸阳离子被阴离子最小量的吸收，氧的还原动力得到了极大的提高，其次是采用电负性极高的氟原子代替氢原子，能有效地提高质子交换电解质的导电能力，最后是-CF2-基团代替了-CH2-基团，能耐电化学氧化，因此全氟磺酸的稳定性使得PEMFC的使用寿命得到了极大的提高。,目前全氟离子膜的种类有:Nafion(Dupont)、Flemion(AsashiGlassCo.)、Acoplex(Asashichem.)和DowXUS(Dowchemical)，全氟磺酸膜的基本化学结构如图所示：,类型,Nafion膜被广泛地用作电解质，但是研究发现如采用甲醇为燃料时，会有大量的甲醇通过膜渗透到阴极。这不仅会导致燃料损失，降低燃料效率，而且降低阴极电势。为了减少通过膜的甲醇渗透，有两个主要的研究方向。一是发展新的非氟膜材料，另一是对全氟磺酸膜进行改性。,4.4，气体扩散层,1.碳纸.2.碳布.,亲水和疏水性能的变化；碳的腐蚀；碳纸和碳布的瑕疵造成MEA穿孔。,气体扩散层存在问题,在燃料电池内，集流板具有以下功能和特点:要求集流板必须具有阻气功能，不能采用多孔透气材料。有收集电流作用，必须采用电的良导体。已开发成功的几种燃料电池，其电解质均为酸或碱，集流板材料必须能在其工作的电位范围内具有抗腐蚀能力。集流板应加工或置有使反应气体均匀分布的通道(即所谓的流场)，以确保反应气在整个电极各处均匀分布。集流板应是热的良导体，以保证电池的温度均匀分布和排热方案的实施。,4.5，集流板（双极板）,双极板是用在燃料电池组内的阴阳极组合集流板，它具有以下功能和特点。分隔氧化剂与还原剂。要求双极板必须具有阻气功能，不能采用多孔透气材料。有收集电流作用，必须采用电的良导体。已开发成功的几种燃料电池，其电解质均为酸或碱，双极板所处的环境同时存在氧化介质(如氧气)和还原介质(如氢气)，所以双极板材料必须能在这种条件下和其工作的电位范围内具有抗腐蚀能力。双极板两侧应加工或置有使反应气体均匀分布的通道(即所谓的流场)，以确保反应气体在整个电极各处均匀分布。极板应是热的良导体，以保证电池组的温度均匀分布和排热方案的实施。,非金属板：石墨板。模压。金属板：镀层（表面修饰）。不锈钢。3.复合板。,双极板种类,耐腐蚀(小于16uA/cm2)；导电性能好(大于100S/cm)；有一定的机械强度；易加工；气体不穿透；价廉；不易燃烧；易回收。,双极板要求,模压:1.石墨粉(颗粒大小,纯度)；2.热固化和热塑料粉剂；3.搅拌(热效应等)；4.热压(平整度,机械强度)；5.亲水和疏水；6.表面电阻和体电阻。,石墨双极板,如今燃料电池广泛采用的双极板材料是无孔的石墨板，国内外正在开发表面改性的金属板、膨胀石墨板和复合型双极板。1.机加工石墨板无孔石墨板一般由碳粉或石墨粉与可石墨化的树脂制备。石墨化的温度通常高于2500，石墨化须要按照严格的升温程序进行，而且时间很长，这一制造过程导致无孔石墨板价格昂贵。在石墨板上机械加工的流场也是费工时而高价格的，约占整个燃料电池费用的60-70%。2.注塑的石墨板或碳板为降低石墨双极板的制备成本，目前主要采用石墨粉或碳粉与树脂（酚醛树脂、环氧树脂等）、导电胶等粘接剂相混合，采用注塑、浆注等方法来制备双极板，有的还在混合物中加入金属粉末、细金属网以增加其导电性，有的在混合物中加入碳纤维、陶瓷纤维以增加其强度。,氮化处理过的不锈钢板(镀层寿命问题)。不锈钢板(腐蚀问题)。延展性问题。,金属双极板,燃料电池应用开发策略,现质子交换膜燃料电池（PEMFC）已达到每千瓦功率低于300美元的经济成本，大批量生产预计成本可降至100美元以下，最终将比内燃机（每千瓦30-50美元）更加便宜。今后十年将是燃料电池在技术和成本上取得突破，从特殊应用和示范运行转到商业化、产业化阶段的重要