質(zhì)子交換膜燃料電池pemfc

1、現(xiàn)代化學(xué)與能源,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(shí)間才得以生成，因此是不可在生能源。,從探明的儲(chǔ)量分析，現(xiàn)在地球上的煤炭、石油和天然氣的總儲(chǔ)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,按照全世界對(duì)化石燃料的消耗速度計(jì)算，這些能源可供人類使用的時(shí)間大約還有：,儲(chǔ)量有限的化石燃料,我國一次能源消費(fèi)總量從1978年的5.3億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，

2、上升到2002年的14.3億噸標(biāo)煤。在2004年，我國石油消費(fèi)量達(dá)3億噸，其中進(jìn)口1億噸，估計(jì)到2020年，我國石油消費(fèi)量要達(dá)4.5億噸，其中進(jìn)口量要達(dá)2.7億噸，到2050年，我國石油消費(fèi)量要達(dá)6億噸，其中進(jìn)口量要達(dá)4億噸，相當(dāng)于目前美國的石油進(jìn)口量。,大慶油田,從1960年至2002年累計(jì)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 200

3、2年為5013萬噸/年 2003年計(jì)劃產(chǎn)量4830萬噸/年 進(jìn)入遞減開采期。 ——化工報(bào)2003-1-18-1,據(jù)美國石油業(yè)協(xié)會(huì)估計(jì)，在2050年之前，世界經(jīng)濟(jì)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(dá)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(huì)發(fā)生天然氣短缺。,太陽能即太陽

4、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,太陽光譜圖,地球軌道上的平均太陽輻射強(qiáng)度為1367kw/m2。地球赤道的周長為40000km，從而可計(jì)算出，地球獲得的能量可達(dá)172,500TW。也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當(dāng)于500萬噸煤。,目前人類所能夠使用的能源形式,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(dá)地球的太陽輻射能的主要幾條去路：

5、,太陽能能量流向示意圖,（一）對(duì)太陽能的間接利用,（1）通過光合作用的形式利用太陽能,太陽能的間接利用,煤炭——當(dāng)代工業(yè)的糧食石油——當(dāng)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,煤炭的結(jié)構(gòu),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

6、的混合氣體,石油的形成,石油是遠(yuǎn)古時(shí)代沉積在海底湖泊中的動(dòng)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,因地?zé)峄虻貕旱茸饔米兂墒?石油大多集中在沙巖之類孔隙較多的巖石層中,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],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

7、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,（二）太陽輻射能的直接利用,與其他能源相比，太陽能具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：（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。,1、對(duì)太陽能直接利用的形式,（1）對(duì)可見光的利用

8、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(duì)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(dá)九成以上的可見光。,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(duì)，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(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。硅是最合適最理想的太陽能電池材料。,,推進(jìn)艙,軌道艙,附加艙,通訊艙,太陽能電池,太陽能電池,按照所用材料的不同：硅太陽能電池

9、(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?。┮詿o機(jī)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)）,無機(jī)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(dāng)太陽能電池受到陽光照射時(shí)，光

10、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(duì)靠半導(dǎo)體內(nèi)形成的勢壘分開到兩極，正負(fù)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(fù)載。,,工作原理,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(dá)15～20年，且其制造成本僅為硅太陽能電池的1/5～1/10.,1991年※，Grätzel M.于《Nature》上發(fā)表了關(guān)于染料敏化納米晶體太陽能電池（ Dye

11、 Sensitized Solar Cells，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(dá)到了10%~11%，短路電流達(dá) 到18mA/cm2,開路電壓達(dá)到720mV；,1998年，采用固體有機(jī)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(dá)到33%，從而引

12、 起了全世界的關(guān)注。,染料敏化太陽能電池的優(yōu)點(diǎn),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(duì)光陰影不敏感；可在很寬溫度范圍內(nèi)正常工作……,,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(duì)電極以及電解質(zhì)等幾部分。,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(dāng)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

13、子的作用。,敏化劑染料分子相當(dāng)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,染料敏化太陽能電池的工作原理圖,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(jí)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

14、的I-還原而得以再生，而氧化態(tài)的電解質(zhì)(I3-)在Pt對(duì)電極上得到電子被還原，從而完成一個(gè)光電化學(xué)反應(yīng)循環(huán)。,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(duì)電極:

15、 0.5I3-+ｅ-(Pt)→1.5I－(電解質(zhì)還原)整個(gè)電池的反應(yīng)結(jié)果為: ｅ-(Pt)+ｈν→ｅ-(TiO2)(光電流),樣 機(jī),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(chǔ)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(gè)兆瓦級(jí)的電站，~100MW規(guī)模VS太陽能熱發(fā)電站與建筑

16、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(jì)劃 280M美國：1997~2010年 百萬屋頂計(jì)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,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(yùn)行投資即能運(yùn)用,但初期投資較高。,加利福尼亞一家太陽能發(fā)電站

17、中的太陽能反射裝置,（2）對(duì)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。,太陽能熱利用可分為：低溫?zé)崂?、中溫?zé)崂煤透邷責(zé)崂谩５蜏責(zé)崂茫旱啬?、塑料大棚以及干燥器、蒸餾、供暖、太陽能熱水系統(tǒng)中溫?zé)崂茫嚎照{(diào)制冷、制鹽以及其它工業(yè)用熱高溫?zé)崂茫壕劢剐翁栐睢⒑附訖C(jī)和高溫爐,（3）對(duì)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(xì)菌的蛋白質(zhì)分

18、子中重要的化學(xué)鍵C-C（347 kJ/mol）、C-N（305 kJ/mol）和C-S（259 kJ/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(xì)菌的蛋白質(zhì)分子，達(dá)到殺菌的目的。,,（一）核裂變能,使一個(gè)重原子核分裂成為兩個(gè)或兩個(gè)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(shí)，釋放出巨大的能量，1克235U完全發(fā)生

19、核裂變后放出的能量相當(dāng)于燃燒2.5噸煤所產(chǎn)生的能量。,三、魔鬼與天使——核能,要大規(guī)模地和平利用裂變能必須滿足兩個(gè)條件:第一，重核裂變要形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)；第二，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)必須是可控的。實(shí)現(xiàn)可控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置稱為反應(yīng)堆。,鏈?zhǔn)椒磻?yīng),,,中子,鈾-235 核分裂,,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(gè)家庭中，有一個(gè)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

20、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。,“快堆”——明天的核電站“鍋爐”,在“快堆”中用的核燃料是239Pu(钚bù)。1個(gè)每吸收1個(gè)快中子發(fā)生裂變反應(yīng)會(huì)放出2.45個(gè)快中子，除去1個(gè)用于鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)后，剩下的1.45個(gè)快中子會(huì)被裝在反應(yīng)區(qū)周圍的238U（大量存在）吸收，產(chǎn)生1.45個(gè)新的核燃料原子239Pu 。,“快堆”為什么會(huì)有增殖燃料的本領(lǐng)呢？,就是說在核鍋爐中一

21、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?yàn)樗媒鉀Q了熱中子核反應(yīng)堆產(chǎn)生的大量238U廢料堆積問題。,一座快堆核電站，在5～15年的時(shí)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,1、放射性廢料的危害核廢料是指含有α、β和γ輻射的不

22、穩(wěn)定元素并伴隨有熱產(chǎn)生的無用材料，核廢料進(jìn)入環(huán)境后會(huì)造成水、大氣、土壤的污染，并通過各種途徑進(jìn)入人體，當(dāng)放射性輻射超過一定水平，就能殺死生物體的細(xì)胞，妨礙正常細(xì)胞分裂和再生，引起細(xì)胞內(nèi)遺傳信息的突變。,核裂變能的利用帶來的問題,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(yuǎn)期效應(yīng)，還可

23、能出現(xiàn)胎兒畸形、流產(chǎn)、死產(chǎn)等遺傳效應(yīng)。,2、放射性核廢料的處理與核能相關(guān)的一個(gè)最困難的問題就是在開采、燃料生產(chǎn)以及反應(yīng)堆的運(yùn)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,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(jī)把它帶入預(yù)定的軌道，機(jī)械手隨即把它推入太空，再點(diǎn)燃助推火箭

24、將它送入3000千米的軌道上，讓核廢料遠(yuǎn)遠(yuǎn)離開人類生活的地球。,“火葬”是美國能源部研制的一種處理核廢料的先進(jìn)方法?；鹪崆?，先在地下挖一個(gè)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(gè)碳電極，電極接通后，就會(huì)產(chǎn)生一股強(qiáng)大的電流，使坑內(nèi)的泥土溫度上升到幾百度。,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(dāng)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

25、石的堅(jiān)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(huì)外泄。,“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。,（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(gè)天然的核聚變過程以及發(fā)生了了好幾十億年了。,,核聚變的引發(fā),和平利用聚變能實(shí)驗(yàn)非常困難，因?yàn)楹肆κ且环N短程力，只有當(dāng)它們之間的距離接近到大

26、約萬分之一毫米時(shí)，核力能才起作用，使兩個(gè)原子核聚合在一起，放出巨大的能量。,所有的原子核都帶正電，兩個(gè)帶正電的原子核互相接近時(shí)，它們之間的庫侖斥越來越大。所以實(shí)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(jìn)入核力力程。據(jù)測算這樣的能量將使氘核的溫度達(dá)到5.6×108k 。,氘原子被加熱到上億度的時(shí)候，電子就會(huì)脫離原子核的束縛，成為一團(tuán)熾熱的氣體——等離子氣體。,如何容納這么熱的等離子體,強(qiáng)

27、大的磁場可以牢牢地束縛住熾熱的等離子體。,磁場！,？,科學(xué)家建造了一個(gè)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(gè)古怪的烤爐同時(shí)有一個(gè)古怪的名字：托卡馬克(tokamak).溫度高達(dá)近億度的等離子體就被舒服在這個(gè)空腔內(nèi)部，不會(huì)接觸到容器壁，不會(huì)出亂子。,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(chǔ)備電池和燃料電池等幾大類。,四、化學(xué)電池——實(shí)用的能源,原電池,鋅錳干電池：負(fù)極是鋅做的圓筒，正極是一

28、根探棒，周圍被二氧化錳、碳粉和氯化銨的混合劑包圍。,干電池發(fā)電時(shí)反應(yīng)如下：,負(fù)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(fù)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。,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

29、以鉛板為骨架，正極鉛板上是二氧化鉛，負(fù)極鉛板上是海綿狀鉛。,內(nèi)部構(gòu)造,外部構(gòu)造,蓄電池放電時(shí)發(fā)生下列反應(yīng)：負(fù)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(shí)發(fā)生與 上述反應(yīng)相反的反應(yīng),電動(dòng)自行車,鋰電池,鋰電池分為一次電池和二次電池兩類，照相機(jī)等耗電量較

30、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(jī)、數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)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,目前，商業(yè)化鋰離子二次電池的正極材料主要是LiCoO2，負(fù)極材料主要為C，充電時(shí)發(fā)生如下反應(yīng)：  正極反應(yīng)：LiCoO2＝ Li1-xCoO2 + xLi+ + xe-  負(fù)極反應(yīng)：C + xLi+ + xe-＝ CLix  電池總反應(yīng)：LiC

31、oO2 + C＝ Li1-xCoO2 + CLix 放電時(shí)發(fā)生上述反應(yīng)的逆反應(yīng)。,鎳氫電池（高壓鎳氫電池）,正極：Ni電極 NiO（OH）+ H2O + e- =Ni(OH)2+OH-負(fù)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：0.3-4

32、MPa,燃料電池,燃料電池(Fuel Cell ， FC)是一種把儲(chǔ)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(dòng)力。作為一種最接近于實(shí)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。,燃料電池的原理,氫氧燃料電池工作時(shí)向負(fù)極供給燃料（氫），向正極供給氧化劑（空氣或氧氣）。 氫在負(fù)極解離成H+和電子，H+進(jìn)入電解液中，而電子則

33、沿外部電路移向正極，用電的負(fù)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(dá)正極上的電子而形成水。,氫氧燃料電池原理圖,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),燃料電池的優(yōu)點(diǎn),(1)能量轉(zhuǎn)換效率高(節(jié)省燃料資源)。,(2)污染小、噪聲低。,(3

34、)高度的可靠性,,氫能源,氫能經(jīng)濟(jì)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?；茉磧?chǔ)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(jì)增長、環(huán)境保護(hù)和社會(huì)發(fā)展的壓力。,氫：儲(chǔ)量大，分布廣，清潔無污染,氫能社會(huì)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,氫氣作為能源遇到的兩個(gè)問題,氫氣的制備,氫氣的儲(chǔ)存,,（一）氫氣的制備,（１）熱化學(xué)工

35、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(jìn)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。,甲烷重整制氫:CH4 + H2O=3H2 + CO 這個(gè)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3×105 Pa～2.5 ×

36、105Pa。,反應(yīng)產(chǎn)物合成氣被輸入到下一級(jí)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(dá)到75 %～80 %，經(jīng)濟(jì)有效，如果將余熱回收利用，效率可達(dá)85%以上,部分氧化制氫是將碳?xì)浠衔锊糠盅趸蒀O和氫的工藝。2CH4 + O2=4H2 +2CO加入催化劑，系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率會(huì)大大提高。反應(yīng)產(chǎn)物合成氣也和重整制氫一樣，需要進(jìn)行水氣置換反應(yīng)，

37、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(gè)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。,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(jìn)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)。,（2）電解水制氫工藝,該反應(yīng)只要對(duì)電解槽通入直流電即可進(jìn)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

38、體氧化物電解槽等。,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(dòng)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。,拆開水分子所需要的能量足以摧毀任何生物分子，

39、然而植物每天都在進(jìn)行著這個(gè)反應(yīng)而沒有任何不良后果。,？,秘密存在于催化核心的結(jié)構(gòu)中。植物進(jìn)行光合作用離不開葉綠素，而葉綠素中對(duì)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(gè)錳離子、1個(gè)鈣離子、4個(gè)氧原子和至少2個(gè)水分子組成的，其中3個(gè)錳離子、1個(gè)鈣離子和4個(gè)氧組成一個(gè)扭曲立方體，錳離子和鈣離子通過氧原子相連接。第四個(gè)錳離子位于立方體的外部，結(jié)合著1個(gè)水分子。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于了解和復(fù)制水裂解化學(xué)過程具有重要意義。,氫氣的儲(chǔ)存,硼氫化合物

40、 熱分解制氫——NH3BH3、LiBH4等 水分解制氫——NaBH4（SBH）等BN納米結(jié)構(gòu)材料 硼促進(jìn)貯氫材料,含硼貯氫材料,硼氫化合物貯氫,Prof. A. Zuttel, Switzerland Univ Fribourg 450℃ 左右可以獲得13.5 wt% H2,LiBH4分解制氫,強(qiáng)放熱反應(yīng) 可以獲得13.6 wt% H2,LiBH4分解制氫,120℃-300℃ 19.6 wt% H2不足: NH