1、电化学技术在新能源研发中的应用 陆天虹中国科学院长春应用化学研究所南京师范大学化学与环境科学学院,一.能源的概况1.能源的重要性,自古以来，人类就为改善生存条件和促进社会经济的发展而不停地进行奋斗。在这一过程中，能源一直扮演着重要的角色。从世界经济发展的历史和现状来看，能源问题已成为社会经济发展中一个具有战略意义的问题，能源的消耗水平已成为衡量一个国家国民经济发展和人民生活水平的重要标志，能源问题对社会经济发展起着决定性的作用。,2.能源的种类,大自然赋予人类的能源是多种多样的，一般可分为常规能源和新能源两大类。常规能源包括煤炭、石油、天然气和水能，而新能源有生物质能、核能、风能、地热能、海洋
2、能、太阳能和氢能等。其中煤炭、石油、天然气被成为化石能源，水能、生物质能、风能、太阳能和氢能等是可再生能源。,3.化石能源的问题,(1)化石能源的短缺 能源是人类赖以生存和社会发展的重要物质基础，是国民经济发展的命脉，但目前主要使用的化石能源的储量不多。据2002年世界探明的化石能源的储量和使用量统计，世界上煤、石油和天然气的储采比分别为204、40和60年，中国的情况更为严峻，据2002年统计，中国煤、石油和天然气的储采比只有82、15和46年。这表明在人类历史的长河中，只有很短的一段时间能使用化石能源。,随着我国经济的持续高速增长，对能源的需求也持续攀升。我国一次能源消费总量从1978年的
3、5.3亿吨标准煤，上升到2002年的14.3亿吨。据估计，我国在2004、2020和2050年的石油消费量达3、4.5和6亿吨，其中进口量分别为1、2.7和4亿吨。4亿吨的进口量相当于目前美国的石油进口量，这不但会制约我国经济的可持续发展，而且对国家的安全也十分不利。,(2)化石燃料造成严重环境污染和气候异常 化石燃料的使用引起的环境污染,排放的CO2会造成温室效应，使全球气候变暖。有关机构已向联合国发出警告，如再不对CO2的排放采取严厉措施，在10年内，世界的气候将产生不可逆转的变化。我国的环境污染问题更是日趋严重，目前，我国CO2排放量占世界总排放量的14，在美国之后位居第二，估计到202
4、5年，将位居第一。在本世纪初联合国关于环境污染的调查中，发现在世界上十个环境污染最严重的城市中，七个在中国。它们是太原、北京、乌鲁木齐、兰州、重庆、济南和石家庄。,4. 21世纪世界能源发展趋势(1)节能技术将备受重视节能就是提高能源利用率，减少能源的浪费。目前节能技术水平已是一个国家能源利用情况的综合性指标，也是一个国家总体科学技术水平的重要标志。许多研究报告指出，依靠节能可以将能源需求量降低25-30%。 我国在能源利用方面的效率很低，我国的能耗很高，是世界平均水平的2倍，发达国家的5-10倍，因此更应重视节能技术，我国应该充分重视化石能源的高效利用。,(2)世界能源系统将发生重大变革 据
5、预测，20世纪形成的以化石燃料为主的世界能源系统将在21世纪转换成以可再生能源为主的新的世界能源系统。在20世纪末，化石燃料的使用量占了世界一次能源用量的89.5%。据世界能源委员会(WEC)和国际应用分析系统研究所的研究报告认为，在20世纪上半叶，化石燃料仍将是世界一次能源的主体，但到21世纪下半叶，太阳能、生物质能、风能等新能源将占世界能源的50%左右。,(3)煤炭将作为过渡能源而受到重视由于石油和天然气的储量较少，而煤炭储量相对较多，因此煤炭将作为一种过渡能源而在21世纪上半叶受到重视。主要发展的技术是洁净煤技术、煤液化和汽化技术。(4)新化石能源的开发将得到强化近年来发现，在海洋300
6、米深处有甲烷水合物存在。目前，甲烷水合物的开发已经受到特别的关注。据估计，世界甲烷水合物的储量可能超过石油、天然气和煤炭储量的总和。因此，甲烷水合物作为储量巨大的未开发能源开始受到世界各国的高度重视。,(5)核能的利用将进一步得到重视据国际原子能机构统计，在20世纪末，全世界运行的核电站有436座，总发电量为3.5亿千瓦。这些电站主要分布在美、法、日、英、俄等31个国家，近年来，由于担心核电站运转的安全性、核废料对环境的影响和核技术扩散对世界安全性的影响，核能的发展在发达国家已有下降趋势，但在亚洲地区仍有强劲的增加趋势，我国准备在今后几年内建造4座核电站。受控核聚变是一直受人们关心的技术，因为
7、在海水中大约有23.4亿万吨氘，如受控核聚变技术在21世纪能得到应用，在21世纪末，核能可望占世界一次能源的30%左右。,(6)可再生能源的开发将越来越受到重视 鉴于化石燃料的短缺及化石燃料的使用引起严重的环境污染和气候异常，人们对新能源的开发越来越重视。其中水力能、地热能、海洋能和风能的可利用资源有限，因此，太阳能、生物质能和氢能的利用将倍受关注。,二生物质能的利用,1生物质能的优点(1)生物质来源丰富 地球上每年生长的生物质总量约1400-1800亿吨，相当于目前世界总能耗的10倍，我国的生物质能也极为丰富，可作为能源开发的生物质能总量可达4.5亿吨标准煤。加上生物质能可再生。因此，生物质
8、能的高效、规模化利用可有效缓解世界能源供需矛盾。,(2)生物质能可多途径利用(a)直接燃烧。其热能和蒸汽可发电，技术成熟，但效率低。(b)生物转化。包括制沼气和水解发酵制取醇类。生物质制甲醇和乙醇技术基本成熟，但生产成本较高。生物质制沼气技术相当成熟。2002年全国已建1300多万个沼气池。(c)光热转化。通过气化、裂解、光催化等技术，获得气、液体燃料来发电。(d)生物柴油。从油料植物提取植物油，经甲酯化得生物柴油。它有含氧高、含硫低、分解性能好、燃烧效率高等优点。,(3)生物质能利用的环境污染少 由于生物质利用过程中释放的CO2是其生长过程通过光合作用从环境吸收的，所以生物质能的利用过程不排
9、放额外的CO2，而对环境污染少。 生物质能的利用还能降低污染。如可利用生物质热解汽化技术处理生活垃圾等，可得到以甲烷为主的燃气，实现垃圾的减量化、无害化、资源化。,2.生物质能利用的问题 生物质能利用的缺点主要是生物质分布广、大面积收集成本高，经济的收集半径在50公里以内，只适合建立小型、分散的生物质能利用系统。而小型转换系统的效率低，不提高生物质能的利用效率就不能获得好的经济效益，这是生物质能至今未能实现规模化应用的关键问题之一。因此，如何在小型、分散体系实现能量的高效、清洁及规模化利用是迫切需要解决的问题。,三太阳能的利用,1.太阳能的优点 (1)太阳能来源丰富太阳能来源丰富是众所周知的，
10、这似乎是一种用之不绝、取之不尽的能源。太阳内部不停地进行热核反应，释放出巨大的能量，辐射到地球上的能量只占起辐射总能量的极小部分，约1/22亿，但地球每年接收的太阳能至少有61017千瓦小时，相当于74万吨标准煤的能量。其中被植物吸收的仅占0.015%。可见，开发太阳能利用的潜力很大。,(2)太阳能的使用没有污染问题这也是众所周知的，太阳能的使用基本上没有污染问题。(3)太阳能可多途径利用(a)太阳能的热利用。如太阳能热水器、太阳灶、太阳能蓄热池发电等。(b)太阳能发电。如太阳能电池和光电池。(c)光催化和光电催化制氢。主要用这两种技术从水或生物质中制得氢气。,2.太阳能利用的概况近年来，太阳
11、能的利用发展很快，据1997年的数据，全球太阳能发电量已达800兆瓦。到2000年，日本已有7万个住宅用上太阳能电池，美国和欧盟计划在2010年前安装100万套太阳能电池。特别是把太阳能电池与屋顶瓦结合成光电发电系统，目前欧洲已有300套，年发电量为1亿千瓦。这种系统不但可供应清洁能源，而且美观耐用，寿命可达25年。太阳能的热利用发展更快。特别在我国，太阳能热水器的年产值已达60多亿元，居世界首位。,3.太阳能利用的问题开发太阳能利用的主要问题是如何提高太阳能的转换效率，其次是降低成本，这对我国特别重要，目前我国生产太阳能电池的能力已达几百兆瓦，但由于价格高，基本上都销往国外。第三，一些技术，
12、如光催化和光电催化制氢技术还没成熟，没有达到实用化的阶段，应该抓紧这方面的研究和发展。,四.氢能的利用,1.氢能的优点(1)氢是自然界储量最丰富的元素。(2)氢是除核燃料外发热量最大的燃料。(3)氢燃烧生成水，是世界上最清洁的燃料。(4)燃烧性能好，可燃范围大，燃烧速度快。(5)氢可用多种方法大规模生产。(6)氢的利用形式多，可通过燃烧发电，通过燃料电池发电等。,2.对氢能利用的重视2002年加拿大举办了以“氢行星”为主题的第14届世界氢能源大会。 2003年在华盛顿召开15个国家和地区参加的“国际氢能经济合作伙伴”会议。冰岛计划用40年时间将冰岛建成“氢社会”。布什将投资120亿美元来促进氢
13、能源的发展。过去5年，工业化国家在氢能开发领域的投入年均递增20.5。氢将取代天然气、油和煤而成为未来世界的主要能源，进入氢能时代已成为近年来的热门话题，21世纪将是氢能世纪。,布什举着使用氢燃料的照相机,我国对发展氢能经济也开始重视，参加了2003年在华盛顿召开的有15国家参加的“国际氢能经济合作伙伴”会议。2004和2005举办了两次关于氢能经济的中美双边会议。今年一月，中国科学院院士局召开了关于“石油替代能源”的研讨会，主要讨论石油资源可持续性分析、石油的替代能源、氢能燃料和我国的石油替代能源。并要组织人员进行软课题研究。,3.氢能的问题 (1)氢的价格 氢的制备、储存和运输中的价格问题
14、，是影响走进氢能时代的很关键的问题。要降低其价格，必须形成氢的制备、储存和运输的网络。,(2)廉价清洁的制氢技术问题 目前制氢效率很低,氢的制取要消耗大量的能量，因此寻求大规模的廉价清洁的制氢技术是各国科学家共同关心的问题。 (a) 化石燃料制氢：目前，96氢从化石燃料制备，技术成熟，但要造成环境污染。 (b)电解水制氢：技术成熟，但耗能多、价格高。一般每生产1立方米的氢气，需要消耗4.2-6度的电能，其能量转化率不到32。,(c)生物质制氢：有可再生、产量大、可储存、碳循环等优点，从中长期看是最有前途的制氢方式。目前生物质制氢效率低。 (d)生物制氢：国内外在选育高效产氢菌株工作进展不快，制
15、氢效率低。 (e)风能制氢：用风能发电来电解水产生氢，技术上没有问题，降低成本和风能发电量少是主要的问题。 (f)太阳能制氢：该法还处在基础研究阶段，离商业化还有较远的距离。,(3)氢的储运问题 氢的储运技术主要解决储运的安全性和成本，现在由于储运技术不过关，因此浪费了许多氢。许多工业过程，如炼油、炼焦、氯碱、合成氨、合成甲醇及煤气制造等多有大量的副产品氢气，只是由于储运技术的问题而不能被利用。我国每年放空和烧掉的氢气至少在1010标立方米以上。因此解决氢的储运问题也是走进氢能时代的一个很关键的问题。目前氢的储运还有很大问题。,(a)高压储氢：储氢量少，只有1左右，还有不安全的问题。(b) 液
16、氢储氢：很不方便，储氢设备大，蒸发损失大。(c)吸附储氢：这是目前的研究热点，但储氢容量还较低，一般不超过2。鎂合金储氢在3，但储放不可逆。热门一时的纳米碳管储氢也已没有了希望，最终的储氢量也只有1左右。(e)化合物储氢：放氢不容易。,(4)燃料电池还没有商品化 用氢作燃料的燃料电池的出现是促进氢能利用的重要原因。近年来，由于化石燃料资源短缺和环境污染日趋严重，各国对燃料电池的研究十分重视。美国时代周刊把燃料电池列为21世纪十大高新科技之首，燃料电池已被认为是21世纪极具应用前景的一种新型能源系统。虽然燃料电池有很诱人的优点，而且燃料电池的发展已有100多年的历史，但至今还没有一种燃料电池已经
17、真正商品化，因此，燃料电池何时才能商品化是一个与氢能利用密切相关的问题。,4.反对氢能的意见 (a)氢以化合物形式存在，制氢要消耗能源。它不是一种能源，而是能源的流通手段。 (b)氢的泄漏会改变气候。氢不可避免泄漏，泄漏量可达15。泄漏的氢会在大气形成水雾，它会象二氧化碳一样，使天气变暖。(c)现在一般用高压氢作燃料电池燃料，氢的泄漏会产生很大的不安全性，手机等的火花就会使泄漏的氢发生爆炸。(d)冰岛能做的，其他国家不一定能做，冰岛的氢都是电解水制得的，因该国70的电是由地热和水电站产生的。,(5) 氢的清洁生产要用风能和太阳能。据估计，如用风能发电制氢，当风能发电量达到美国6的用电量，风能发
18、电机要占的面积要有半个加州那么大。(6) 布什承诺投资120亿美元用于氢能的研究是一个微不足道的投资。美国去年用于核能和矿物质燃料方面的研究经费大于氢燃料的研究经费。美国推行“健康婚姻”的预算就有150亿美元。美国用于伊拉克战争的经费每月390亿美元。(7) 氢燃料电池价格昂贵。目前内燃机成本为每千瓦50美元，而氢燃料电池为800美元。估计大量使用后，也要300美元。另外所有的加油站改成加氢站也要花费大量的资金。,五燃料电池加速氢能利用,1燃料电池的优点(1)燃料电池是一种高效清洁的能量转换系统，可降低环境污染和气候异常。(2)燃料电池能高效利用生物质转化产生的气、液物质和氢作燃料，因此，能促
19、进氢能的利用。(3)燃料电池的发电效率不受体系规模限制，小型燃料电池同样能够实现高效发电，适合于生物质分散性的特点。,2.燃料电池定义 燃料电池是一种不经燃烧直接以电化学反应的方式将燃料的化学能转变成电能的装置，只要连续供应燃料，燃料电池就能连续发电。3. 原理 阳极反应：H2 = 2H+ + 2e 阴极反应：1/2O2 + 2H+ + 2e = H2O 总的反应：H2 1/2O2 = H2O,4.燃料电池分类(1)碱性燃料电池(AFC)阳 极：催化剂：Pt，燃 料：氢阴 极：催化剂：Ag，氧化剂：氧电 解 液：30KOH隔 膜：石棉膜工作温度：6080oC用 途：航天器和潜艇的动力源优 点：
20、比能量和比功率高缺 点：对CO2敏感，不宜地面使用,(2)磷酸燃料电池(PAFC)阳 极：催化剂：Pt，燃 料：氢阴 极：催化剂：Pt，氧化剂：氧电 解 液：98磷酸工作温度：200oC用 途：家庭住宅能源和汽车动力源优 点：稳定性好，已有商品生产缺 点：用贵金属作催化剂，价格高。,(3)质子交换膜燃料电池(PEMFC)阳 极：催化剂：Pt，燃 料：氢阴 极：催化剂：Pt，氧化剂：氧电 解 液：含水的质子交换膜工作温度：6080oC用 途：汽车和潜艇等的动力源优 点：比能量和比功率高，寿命长， 应用范围广缺 点：对CO敏感，价格高，800美元/千 瓦，而内燃机50美元/千瓦. 氢源 问题。,(
21、4)直接甲醇燃料电池(DMFC)阳 极：催化剂：Pt合金，燃 料：氢阴 极：催化剂：Pt， 氧化剂：氧电 解 液：含硫酸的质子交换膜工作温度：6080oC用 途：可移动的小型电子仪器设备动力源优 点：比能量高，体积小问 题：Pt对甲醇氧化电催化效率低， 易被甲醇氧化中间产物毒化， 甲醇会透过质子交换膜。,(5)熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)阳 极：催化剂：Ni，燃 料：氢阴 极：催化剂：NiO,氧化剂：氧电 解 液：熔融碳酸盐（NaCO3-LiCO3）工作温度：600oC用 途：发电站优 点：反应温度高，不需贵金属催化剂。 可用含CO的燃料气。寿命长。 能量转换率高，可达80。问 题：高温下，
22、电解液会腐蚀电极材料。寿命 2万小时，商业上要4万小时。,(6)固体氧化物燃料电池(SOFC)阳 极：催化剂：NiZrO2，燃 料：甲烷，氢阴 极：催化剂：NaCrO4等,氧化剂：氧电 解 液：ZrO2，CeO2等工作温度：900oC用 途：发电站优 点：不需贵金属催化剂。寿命长。可用各 种燃料气。抗中毒能力强。能量转换 率最高，可达80以上。问 题：高温下，密封困难，放大困难。 价格高。,5.PEMFC发展现状(1)世界各国对PEMFC的重视近十年来，PEMFC技术的研究开发受到许多国家的政府和跨国大公司的极大重视，已出现许多PEMFC电动车样车。我国计划，到2008年奥运会期间，将有我国生
23、产的燃料电池电动车会小批量、示范性地行驶在街头。到2010年世博会期间，20辆燃料电池公交车、300辆燃料电池出租车、1000辆电动汽车以及一批燃料电池场地车和邮政车都将投入运行，届时，上海将建成5座加氢站来满足这些车辆对氢燃料的需求。,(2)PEMFC商业化的问题(a)价格问题 美国能源部认为，汽车用PEMFC的最终的价格达到$50-100/kW时，才能有竞争能力，因为现在内燃机的价格为$50/kW左右，而现在PEMFC的价格在$800/kW左右。在现在技术的基础上，即使PEMFC的产量为每年50万台，其价格也要在$300/kW。 PEMFC价格高的主要是由于高的电池壳体的加工费和离子交换膜
24、膜价格高而引起的。另外运行成本也远高于燃油汽车。,(b)燃料问题目前的PEMFC一般用高压氢作燃料,但高压氢作燃料有不安全、载量低、加油站改装要巨大费用等问题。现在发展了超高压氢技术。研制甲醇、汽油和天然气裂解的随车制氢技术。但目前车载天然气重整制氢技术离实用还有相当的距离。美国能源部基本放弃该路线。,用储氢材料制备储氢装置还没有过关，储氢容量太低。现在许多生产过程都能产生氢副产品，由于没有好的储氢技术而放空烧掉。合金储氢是应重点发展的技术，因为这类储氢方法比较安全，可逆性好，如其储氢容量能提高到4以上，就能得到应用。 (c)Pt资源缺乏。,六.发展新能源的新思路,1.不要孤立地研发新能源 过
25、去，一般都是孤立地去考虑各种新能源的研究和开发，而没有注意各种新能源之间的内在联系，这样， 新能源的整体效益必然下降。2.发展新能源的新思路 由于太阳能、生物质能和氢能都是很有希望的新能源，考虑到它们的内在联系，我们提出同时研究和发展它们的新思路。进行太阳能、生物质能和氢能的综合循环利用。,太阳能、生物质能和氢能的综合循环利用,3.电化学工作者在新能源的研发中大有可为(1)燃料电池 我国对燃料电池的开发很重视，“十五”期间投了2亿元左右开发PEMFC电动车。“十一五”期间还要加大对燃料电池的投入。还要重点发展DMFC、MCFC、SOFC。其中，DMFC用生物质热解制备的甲醇等液体燃料，可做成小
26、型电池，而小型燃料电池对价格的忍受能力较强，可能会优先商业化。,(2)太阳能的利用(a)太阳能电池的制备 目前，太阳能电池的主要问题是价格高，现在的发电成本是一般电费的10倍。主要是它的制作成本较高，因为其材料是用高温法制备的，现在有人提出用电化学技术制备，可大大降低其成本。,(b)光电催化制氢 用光电催化法从水中制备氢是一种节能、清洁的方法，目前的主要问题是寿命短和效率低。(c)光电化学电池 光电化学电池将太阳光能直接转化成电能，目前的问题也是寿命短和效率低。,新能源的开发不但对我国的国民经济发展有很重要的意义，而且也关系到国家的安全。因此，许多单位对这方面的工作都非常重视，如中国科学院正在组织进行这方面的软课题研究，并组织力量参加这方面的工作。 由上述的情况可看出，我们电化学工作者在这方面也能做很多的工作，希望大家关注这方面的工作。,谢谢！,
