《质子交换膜燃料电池PPT课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《质子交换膜燃料电池PPT课件（95页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2006年年8月月12日日目前全世界使用的能源目前全世界使用的能源90% 90% 取自化石燃料，即取自化石燃料，即煤炭、石油和天然气，它们经历了上亿年的时煤炭、石油和天然气，它们经历了上亿年的时间才得以生成，因此是不可在生能源。间才得以生成，因此是不可在生能源。从探明的储量分析，现在地球上的煤炭、石油从探明的储量分析，现在地球上的煤炭、石油和天然气的总储量分别为：和天然气的总储量分别为：石石 油：油：1 1万亿桶万亿桶天然气：天然气：120120万亿立方米万亿立方米煤煤 炭：炭：1 1万亿吨万亿吨按照全世界对化石燃料的消耗速度计算，这些能源可供按照全世界对化石燃料的消耗速度计算，这些能源可供人
2、类使用的时间大约还有：人类使用的时间大约还有：储量有限的化石燃料储量有限的化石燃料我国一次能源消费总量从我国一次能源消费总量从19781978年的年的5.35.3亿亿吨标准煤，上升到吨标准煤，上升到20022002年的年的14.314.3亿吨标亿吨标煤。在煤。在20042004年，我国石油消费量达年，我国石油消费量达3 3亿吨，亿吨，其中进口其中进口1 1亿吨，估计到亿吨，估计到20202020年，我国石年，我国石油消费量要达油消费量要达4.54.5亿吨，其中进口量要达亿吨，其中进口量要达2.72.7亿吨，到亿吨，到20502050年，我国石油消费量要年，我国石油消费量要达达6 6亿吨，其中进
3、口量要达亿吨，其中进口量要达4 4亿吨，相当亿吨，相当于目前美国的石油进口量。于目前美国的石油进口量。大庆油田大庆油田从从19601960年至年至20022002年累计生产原油年累计生产原油1717多亿吨。多亿吨。2727年稳产在年稳产在50005000万吨万吨/ /年以上。年以上。 1997 1997年最高产量为年最高产量为56005600万吨万吨/ /年年 2002 2002年为年为50135013万吨万吨/ /年年 2003 2003年计划产量年计划产量48304830万吨万吨/ /年年 进入递减开采期。进入递减开采期。 化工报化工报2003-1-18-12003-1-18-1据美国石油
4、业协会估计，在据美国石油业协会估计，在20502050年之年之前，世界经济的发展将越来越多地依前，世界经济的发展将越来越多地依赖煤炭。其后在赖煤炭。其后在22502250到到25002500年之间，年之间，煤炭也将消耗殆尽，矿物燃料供应枯煤炭也将消耗殆尽，矿物燃料供应枯竭。一些工业发达国家的天然气也将竭。一些工业发达国家的天然气也将在在20202020年被用完；而发展中国家在年被用完；而发展中国家在20602060年也将会发生天然气短缺。年也将会发生天然气短缺。太阳能即太阳辐射能，它是太阳内部连太阳能即太阳辐射能，它是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。续不断的核聚变反应过程产生的能量
5、。太阳光谱图太阳光谱图地球轨道上的平均太阳辐射强度地球轨道上的平均太阳辐射强度为为1367kw/m1367kw/m2 2。地球赤道的周长为。地球赤道的周长为40000km40000km，从而可计算出，地球获，从而可计算出，地球获得的能量可达得的能量可达172,500TW172,500TW。也就是。也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于量就相当于500500万吨煤。万吨煤。目前人类所能够使用的能源形式目前人类所能够使用的能源形式美国科学美国人杂志在美国科学美国人杂志在19711971年年7 7月刊刊登的月刊刊登的“地球的能量资源地球的能量资源”一文中提供了如下数
6、据，一文中提供了如下数据，到达地球的太阳辐射能的主要几条去路：到达地球的太阳辐射能的主要几条去路：1直接反射直接反射52000109kJ/s2以热能形式离开地以热能形式离开地球球81000109kJ/s3水循环水循环40000109kJ/s4大气循环大气循环370109kJ/s5光合作用光合作用40109kJ/s太阳能能量流向示意图太阳能能量流向示意图（一）对太阳能的间接利用（一）对太阳能的间接利用（1 1）通过光合作用的形式利用太阳能）通过光合作用的形式利用太阳能太阳能的间接利用太阳能的间接利用煤炭煤炭当代工业的粮食当代工业的粮食石油石油当代工业的血液当代工业的血液天然气天然气最清洁的化学能
7、源最清洁的化学能源可燃冰可燃冰未来的新能源未来的新能源生物质能生物质能前景广阔的绿色能源前景广阔的绿色能源煤炭的结构煤炭的结构煤炭液化煤炭液化 煤炭液化是指以煤炭为原料，通过化学煤炭液化是指以煤炭为原料，通过化学煤炭液化是指以煤炭为原料，通过化学煤炭液化是指以煤炭为原料，通过化学加工过程，生产油品和石油化工产品。加工过程，生产油品和石油化工产品。加工过程，生产油品和石油化工产品。加工过程，生产油品和石油化工产品。煤炭直接液化煤炭直接液化:煤炭间接液化煤炭间接液化:煤炭煤炭煤炭煤炭煤粉煤粉煤粉煤粉油煤浆油煤浆油煤浆油煤浆加氢裂化加氢裂化加氢裂化加氢裂化液体油品液体油品液体油品液体油品煤炭、氧气、
8、水蒸气煤炭、氧气、水蒸气煤炭、氧气、水蒸气煤炭、氧气、水蒸气H H H H2 2 2 2和和和和COCOCOCO的混合气体的混合气体的混合气体的混合气体石油的形成石油的形成 石油是远古时代沉积在海底湖泊中的石油是远古时代沉积在海底湖泊中的动植物动植物的遗体，在海洋条件作用下经过千的遗体，在海洋条件作用下经过千百万年的漫长转化过程而生成。百万年的漫长转化过程而生成。水中生物的遗骸下沉而埋没于地下水中生物的遗骸下沉而埋没于地下水中生物的遗骸下沉而埋没于地下水中生物的遗骸下沉而埋没于地下因地热或地压等作用变成石油因地热或地压等作用变成石油因地热或地压等作用变成石油因地热或地压等作用变成石油石油大多集
9、中在沙岩之类孔隙较多的岩石层中石油大多集中在沙岩之类孔隙较多的岩石层中石油大多集中在沙岩之类孔隙较多的岩石层中石油大多集中在沙岩之类孔隙较多的岩石层中汽油性能的表征汽油性能的表征辛烷值辛烷值辛烷值是汽油抗暴性能的间接量度辛烷值是汽油抗暴性能的间接量度提高汽油辛烷值的方法：提高汽油辛烷值的方法：1.1.提高异辛烷的含量提高异辛烷的含量铂铼重整铂铼重整2.2.加少量的四乙基铅加少量的四乙基铅Pb(C2H5)2无铅汽油与无铅抗爆剂无铅汽油与无铅抗爆剂 目前，取代四乙基铅的物质主要有：芳香烃目前，取代四乙基铅的物质主要有：芳香烃类、甲基叔丁基醚类、甲基叔丁基醚MTBE，CH3O(CH3)3、三、三乙基
10、丁醚、三戊基甲醚、羰基锰乙基丁醚、三戊基甲醚、羰基锰（MMT）、醇类等，其中以醇类等，其中以MTBE用量最大。用量最大。无铅汽油不等于无害汽油无铅汽油不等于无害汽油（二）太阳辐射能的直接利用二）太阳辐射能的直接利用与其他能源相比，太阳能具有独特的与其他能源相比，太阳能具有独特的优点：优点：（1 1）它没有一般煤炭、石油等矿物）它没有一般煤炭、石油等矿物燃料产生的有害气体和废渣，因而不燃料产生的有害气体和废渣，因而不污染环境，被称作污染环境，被称作“干净能源干净能源”。（2 2）到处都可以得到太阳能，使用）到处都可以得到太阳能，使用方便、安全。方便、安全。（3 3）成本低廉，可以再生。）成本低廉
11、，可以再生。1 1、对太阳能直接利用的形式、对太阳能直接利用的形式（1 1）对可见光的利用）对可见光的利用主要的利用途径是光电转换，即把太阳能主要的利用途径是光电转换，即把太阳能直接转换成电能。这是人们目前对太阳能直接转换成电能。这是人们目前对太阳能利用的主要方式之一。太阳能电池就属于利用的主要方式之一。太阳能电池就属于这种转换方式。传统的太阳能电池利用太这种转换方式。传统的太阳能电池利用太阳光中高达九成以上的可见光。阳光中高达九成以上的可见光。 太阳能电池太阳能电池太阳能电池主要以半导体材料为基础，利用光照太阳能电池主要以半导体材料为基础，利用光照产生电子空穴对，在产生电子空穴对，在PNPN
12、结上可以产生光电流、光结上可以产生光电流、光电压的现象（光伏效应），实现光电转换。硅是电压的现象（光伏效应），实现光电转换。硅是最合适最理想的太阳能电池材料。最合适最理想的太阳能电池材料。推进舱推进舱轨道舱轨道舱附加舱附加舱通讯舱通讯舱太阳能电池太阳能电池太阳能电池太阳能电池按照所用材料的不同：按照所用材料的不同：o硅太阳能电池硅太阳能电池( (单晶硅、多晶硅、非晶硅）单晶硅、多晶硅、非晶硅） （光电转化效率高，成本高，制备工艺复杂！）（光电转化效率高，成本高，制备工艺复杂！）o以无机盐如砷化镓、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料以无机盐如砷化镓、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池的电池 （
13、镉：剧毒。铟、硒：稀有元素）（镉：剧毒。铟、硒：稀有元素）o功能高分子材料制备的大阳能电池功能高分子材料制备的大阳能电池 （处于研发初期、转化效率低、使用寿命短）（处于研发初期、转化效率低、使用寿命短）o染料敏化纳米晶体太阳能电池染料敏化纳米晶体太阳能电池 （正在研发）（正在研发）无机太阳能电池无机太阳能电池o半导体中可以利用各种势垒如半导体中可以利用各种势垒如pnpn结、肖特基势垒、异质结结、肖特基势垒、异质结等形成光伏效应。等形成光伏效应。o当太阳能电池受到阳光照射时，光与半导体相互作用可以当太阳能电池受到阳光照射时，光与半导体相互作用可以产生光生载流子，所产生的电子产生光生载流子，所产生
14、的电子- -空穴对靠半导体内形成的空穴对靠半导体内形成的势垒分开到两极，正负电荷分别被上下电极收集。由电荷势垒分开到两极，正负电荷分别被上下电极收集。由电荷聚集所形成的电流通过金属导线流向电负载。聚集所形成的电流通过金属导线流向电负载。 工作原理工作原理染料敏化纳米晶体太阳能电池染料敏化纳米晶体太阳能电池 目前目前，DSSCsDSSCs的光电转化效率已能稳定在的光电转化效率已能稳定在1010以上，寿命能达以上，寿命能达15152020年，且其制造成本仅为硅太阳能电池的年，且其制造成本仅为硅太阳能电池的1/51/51/10.1/10. 19911991年年，Grtzel M.Grtzel M.于
15、于NatureNature上发表了关于染料敏化纳米上发表了关于染料敏化纳米晶体太阳能电池（晶体太阳能电池（ Dye Sensitized Solar Cells Dye Sensitized Solar Cells，简称，简称DSSCs DSSCs ）的文）的文章以较低的成本得到了章以较低的成本得到了7%7%的光电转化效率，的光电转化效率， 为利用太阳能提供为利用太阳能提供了一条新的途径了一条新的途径. . 19971997年年，该电池的光电转换效率达到了，该电池的光电转换效率达到了10%11%10%11%，短路电流达，短路电流达 到到18mA/cm18mA/cm2 2, ,开路电压达到开路电
16、压达到720mV720mV； 19981998年年，采用固体有机空穴传输材料替代液体电解质的全固态，采用固体有机空穴传输材料替代液体电解质的全固态 Gratzel Gratzel电池研制成功，其单色光电转换效率达到电池研制成功，其单色光电转换效率达到33%33%，从而引，从而引 起了全世界的关注。起了全世界的关注。染料敏化太阳能电池的优点染料敏化太阳能电池的优点制成透明的产品，应用范围广制成透明的产品，应用范围广在各种光照条件下使用；在各种光照条件下使用；光的利用效率高；光的利用效率高；对光阴影不敏感；对光阴影不敏感；可在很宽温度范围内正常工作可在很宽温度范围内正常工作染料敏化太阳能电池的结构
17、染料敏化太阳能电池的结构 染料敏化纳米晶体太阳能电池染料敏化纳米晶体太阳能电池（DSSCs)主要包括主要包括镀有透明导电膜的玻璃基底、染料敏化剂、多孔纳镀有透明导电膜的玻璃基底、染料敏化剂、多孔纳米晶薄膜、对电极以及电解质米晶薄膜、对电极以及电解质等几部分。等几部分。叶绿体的结构叶绿体的结构纳米晶半导体网络结构相纳米晶半导体网络结构相当于叶绿体的内囊体，起当于叶绿体的内囊体，起着支撑敏化剂染料分子、着支撑敏化剂染料分子、增加吸收太阳光的面积和增加吸收太阳光的面积和传递电子的作用。传递电子的作用。敏化剂染料分子相当于叶敏化剂染料分子相当于叶绿体中的叶绿素，起着吸绿体中的叶绿素，起着吸收太阳光光子
18、的作用。收太阳光光子的作用。染料敏化太阳能电池和植物的光合作用染料敏化太阳能电池和植物的光合作用染料敏化太阳能电池的工作原理图染料敏化太阳能电池的工作原理图由于由于TiOTiO2 2的禁带宽度较大的禁带宽度较大(32eV)(32eV)，可见光不能将其，可见光不能将其直接激发；在其表面吸附一层染料敏化剂后，染料直接激发；在其表面吸附一层染料敏化剂后，染料分子可以吸收太阳光而产生电子跃迁。由于染料的分子可以吸收太阳光而产生电子跃迁。由于染料的激发态能级高于激发态能级高于TiOTiO2 2的导带，所以电子可以快速注的导带，所以电子可以快速注入入TiOTiO2 2；电子在导带基底上富集，通过外电路流向
19、；电子在导带基底上富集，通过外电路流向对电极。染料分子输出电子后成为氧化态，它们随对电极。染料分子输出电子后成为氧化态，它们随后被电解质中的后被电解质中的I-I-还原而得以再生，而氧化态的电还原而得以再生，而氧化态的电解质解质(I(I3 3- -) )在在PtPt对电极上得到电子被还原，从而完成对电极上得到电子被还原，从而完成一个光电化学反应循环。一个光电化学反应循环。光电阳极光电阳极:Dye+hDye*(染料激发染料激发)Dye*Dye+-(TiO2)(产生光电流产生光电流)Dye+1.5Dye+0.5I3-(染料还原染料还原)阳极发生的净反应为阳极发生的净反应为:1.5I+0.5I3-+-
20、(TiO2)对电极对电极:0.5I3-+-(Pt)1.5I(电解质还原电解质还原)整个电池的反应结果为整个电池的反应结果为:-(Pt)+-(TiO2)(光电流光电流)样样 机机太阳能电池的发展方向太阳能电池的发展方向o材料与器件结构的研究与开发材料与器件结构的研究与开发n各种太阳能电池材料研究各种太阳能电池材料研究n杂质与缺陷的转换效率及稳定性影响杂质与缺陷的转换效率及稳定性影响n使用薄膜技术和剥离技术。使用薄膜技术和剥离技术。n大规模生产技术的开发大规模生产技术的开发o跟踪与聚光跟踪与聚光o储电及储电及并网发电结合并网发电结合n并网发电已占并网发电已占50%50%n以建成多个兆瓦级的电站，以
21、建成多个兆瓦级的电站，100MW100MW规模规模VSVS太阳能热发电站太阳能热发电站o与建筑物结合与建筑物结合n架设太阳电池组件架设太阳电池组件o日本：日本：1994-20001994-2000年年 2 2万套屋顶光伏系统万套屋顶光伏系统185MW 185MW ；七万屋顶计划；七万屋顶计划 280M 280Mo美国：美国：1997201019972010年年 百万屋顶计划百万屋顶计划 3025MW 3025MW 发电成本发电成本6 6美分美分n集成在建筑材料上集成在建筑材料上o曲线形屋顶瓦、垂直幕墙、窗用玻璃曲线形屋顶瓦、垂直幕墙、窗用玻璃太阳能发电站太阳能发电站 太阳能光伏发电系统主要太阳
22、能光伏发电系统主要由由太阳电池阵列、贮能蓄太阳电池阵列、贮能蓄电池、防反充二极管、充电池、防反充二极管、充电控制器及逆变器、测量电控制器及逆变器、测量设备设备等组成。等组成。 太阳能发电太阳能发电站一旦建成，不需要运行站一旦建成，不需要运行投资即能运用投资即能运用, ,但初期投资但初期投资较高。较高。 加利福尼亚一家太阳加利福尼亚一家太阳能发电站中的太阳能能发电站中的太阳能反射装置反射装置（2 2）对红外线的利用）对红外线的利用主要的利用途径是光热转换，即把太阳主要的利用途径是光热转换，即把太阳能直接转变成热能。能直接转变成热能。太阳能热利用可分为：低温热利用、中温热太阳能热利用可分为：低温热
23、利用、中温热利用和高温热利用。利用和高温热利用。低温热利用：低温热利用：地膜、塑料大棚地膜、塑料大棚地膜、塑料大棚地膜、塑料大棚以及干燥器、蒸馏、供暖、太阳能热水系统以及干燥器、蒸馏、供暖、太阳能热水系统以及干燥器、蒸馏、供暖、太阳能热水系统以及干燥器、蒸馏、供暖、太阳能热水系统中温热利用：中温热利用：空调制冷、制盐以及空调制冷、制盐以及空调制冷、制盐以及空调制冷、制盐以及其它工业用热其它工业用热其它工业用热其它工业用热高温热利用：高温热利用：聚焦形太阳灶、焊接机聚焦形太阳灶、焊接机聚焦形太阳灶、焊接机聚焦形太阳灶、焊接机和高温炉和高温炉和高温炉和高温炉（3 3）对紫外线的利用）对紫外线的利用
24、紫外线具有杀菌功效。波长为紫外线具有杀菌功效。波长为300nm的紫的紫外光的光子所具有的能量约为外光的光子所具有的能量约为399kJ/mol，它比细菌的蛋白质分子中重要的化学键，它比细菌的蛋白质分子中重要的化学键C-C（347kJ/mol）、）、C-N（305kJ/mol）和和C-S（259kJ/mol）键的键能大，因此键的键能大，因此紫外光的能量足以使这些化学键断裂，从紫外光的能量足以使这些化学键断裂，从而破坏细菌的蛋白质分子，达到杀菌的目而破坏细菌的蛋白质分子，达到杀菌的目的。的。（一）核裂变能（一）核裂变能 使一个重原子核分裂成为两个或两个以使一个重原子核分裂成为两个或两个以上中等质量原
25、子核的过程，称为核裂变。上中等质量原子核的过程，称为核裂变。核裂变是取得核能的重要途径之一。核裂变是取得核能的重要途径之一。只有一些质量非常大的原子核，像铀、只有一些质量非常大的原子核，像铀、钍等才能发生核裂变。原子核在发生核钍等才能发生核裂变。原子核在发生核裂变时，释放出巨大的能量，裂变时，释放出巨大的能量，1 1克克235235U U完完全发生核裂变后放出的能量相当于燃烧全发生核裂变后放出的能量相当于燃烧2.52.5吨煤所产生的能量。吨煤所产生的能量。要大规模地和平利用裂变能必须满足两要大规模地和平利用裂变能必须满足两个条件个条件: :第一，重核裂变要形成链式反应；第一，重核裂变要形成链式
26、反应；第二，链式反应必须是可控的。实现可第二，链式反应必须是可控的。实现可控链式反应的装置称为反应堆。控链式反应的装置称为反应堆。链式反应链式反应中子中子鈾鈾-235 核分裂核分裂逃逃逸逸人们将核反应堆形象地比喻为核电站的人们将核反应堆形象地比喻为核电站的“锅炉锅炉”，在这种，在这种“锅炉锅炉”里烧的是铀、里烧的是铀、钚等核燃料。在核电站钚等核燃料。在核电站“锅炉锅炉”这个家这个家庭中，有一个特殊成员庭中，有一个特殊成员快中子增殖快中子增殖反应堆，简称反应堆，简称“快堆快堆”，现在已成为核，现在已成为核反应中的佼佼者。在一般锅炉里的燃料反应中的佼佼者。在一般锅炉里的燃料如煤、燃油等都是越烧越少
27、，而如煤、燃油等都是越烧越少，而“快堆快堆”的的“燃料燃料”却越烧越多，成了魔炉。却越烧越多，成了魔炉。在在“快堆快堆”中用的核燃料是中用的核燃料是239Pu( (钚钚b)b)。1 1个每吸收个每吸收1 1个快中子发生裂变反应会放个快中子发生裂变反应会放出出2.45个快中子，除去个快中子，除去1 1个用于链式裂变个用于链式裂变反应后，剩下的反应后，剩下的1.45个快中子会被装在个快中子会被装在反应区周围的反应区周围的238U（大量存在）（大量存在）吸收，产吸收，产生生1.45个新的核燃料原子个新的核燃料原子239Pu 。就是说在核锅炉中一边就是说在核锅炉中一边“烧烧”掉，又掉，又一边使一边使2
28、38U转为成新的，而且新产生的转为成新的，而且新产生的比比“烧烧”掉的还多。这就使掉的还多。这就使“快堆快堆”的燃料越烧越多。的燃料越烧越多。“快堆快堆”增殖核燃增殖核燃料把铀资源的利用率大大提高了，因料把铀资源的利用率大大提高了，因为它正好解决了热中子核反应堆产生为它正好解决了热中子核反应堆产生的大量的大量238U废料堆积问题。废料堆积问题。一座快堆核电站，在一座快堆核电站，在515年的时间内可使燃年的时间内可使燃料数量翻一番，通过建料数量翻一番，通过建造快堆核电站，既能用造快堆核电站，既能用238238U U发电，又能增殖燃发电，又能增殖燃料，因此料，因此“快堆快堆”被人被人们称为们称为“
29、明天的核电站明天的核电站锅炉锅炉”。中国快堆在建设中中国快堆在建设中1 1、放射性废料的危害、放射性废料的危害核废料是指含有核废料是指含有、和和辐射的不稳定元素并伴辐射的不稳定元素并伴随有热产生的无用材料，核废料进入环境后会随有热产生的无用材料，核废料进入环境后会造成水、大气、土壤的污染，并通过各种途径造成水、大气、土壤的污染，并通过各种途径进入人体，当放射性辐射超过一定水平，就能进入人体，当放射性辐射超过一定水平，就能杀死生物体的细胞，妨碍正常细胞分裂和再生，杀死生物体的细胞，妨碍正常细胞分裂和再生，引起细胞内遗传信息的突变。引起细胞内遗传信息的突变。研究表明，孕妇在怀孕初期腹部受过研究表明
30、，孕妇在怀孕初期腹部受过X X光照射，她们生下的孩子与母亲不受光照射，她们生下的孩子与母亲不受X X光照射的孩子相比，死于白血病的概光照射的孩子相比，死于白血病的概率要大率要大50%50%。受放射性污染的人在数年。受放射性污染的人在数年或数十年后，可能出现癌症、白内障、或数十年后，可能出现癌症、白内障、失明、生长迟缓、生育力降低等远期失明、生长迟缓、生育力降低等远期效应，还可能出现胎儿畸形、流产、效应，还可能出现胎儿畸形、流产、死产等遗传效应。死产等遗传效应。 2 2、放射性核废料的处理、放射性核废料的处理与核能相关的一个最困难的问题就与核能相关的一个最困难的问题就是在开采、燃料生产以及反应堆
31、的是在开采、燃料生产以及反应堆的运行过程中产生的核废料的处理，运行过程中产生的核废料的处理，如何处理这些废料可能将是最终核如何处理这些废料可能将是最终核能使用的最大障碍。目前，核废料能使用的最大障碍。目前，核废料的处理有的处理有“天葬天葬”、“水葬水葬”和和“火葬火葬”三种方法。三种方法。切尔诺贝利核电站切尔诺贝利核电站所谓所谓“天葬天葬”是指：把核废料先固化是指：把核废料先固化成玻璃块，装到特制的合金棺中，在成玻璃块，装到特制的合金棺中，在棺材外面装上隔热外套，然后用航天棺材外面装上隔热外套，然后用航天飞机把它带入预定的轨道，机械手随飞机把它带入预定的轨道，机械手随即把它推入太空，再点燃助推
32、火箭将即把它推入太空，再点燃助推火箭将它送入它送入30003000千米的轨道上，让核废料千米的轨道上，让核废料远远离开人类生活的地球。远远离开人类生活的地球。“火葬火葬”是美国能源部研制的一种处是美国能源部研制的一种处理核废料的先进方法。火葬前，先在理核废料的先进方法。火葬前，先在地下挖一个深坑，把放射性物质放入地下挖一个深坑，把放射性物质放入坑内，用特制的盖子把坑顶盖好。将坑内，用特制的盖子把坑顶盖好。将空气净化器上的一根导管从盖子上插空气净化器上的一根导管从盖子上插入坑内，坑内装个碳电极，电极接入坑内，坑内装个碳电极，电极接通后，就会产生一股强大的电流，使通后，就会产生一股强大的电流，使坑
33、内的泥土温度上升到几百度。坑内的泥土温度上升到几百度。在这样的高温下，泥土开始溶化，使核在这样的高温下，泥土开始溶化，使核废料均匀地分布在浆状的泥石溶液里。废料均匀地分布在浆状的泥石溶液里。当溶化的泥石浆冷却后，与核废料一起当溶化的泥石浆冷却后，与核废料一起形成了一种类似天然岩石的坚硬物质，形成了一种类似天然岩石的坚硬物质，其硬度比天然花岗石和大理石更高，渗其硬度比天然花岗石和大理石更高，渗透性更低，而且体积也缩小了好几倍。透性更低，而且体积也缩小了好几倍。最后用泥土把坑封死，一切放射性物质最后用泥土把坑封死，一切放射性物质均被围困在里面，不会外泄。均被围困在里面，不会外泄。“水葬水葬”就是将
34、深海作为核废就是将深海作为核废料的墓场。将核废料装入密封料的墓场。将核废料装入密封的合金棺，再用混凝土密封在的合金棺，再用混凝土密封在海底下面。海底下面。（二）核聚变（二）核聚变太阳的中心发生核聚变，放出巨大能量。太阳的中心发生核聚变，放出巨大能量。在太阳内部，这个天然的核聚变过程以及在太阳内部，这个天然的核聚变过程以及发生了了好几十亿年了。发生了了好几十亿年了。核聚变的引发核聚变的引发和平利用聚变能实验非常和平利用聚变能实验非常困难，因为核力是一种短困难，因为核力是一种短程力，只有当它们之间的程力，只有当它们之间的距离接近到大约万分之一距离接近到大约万分之一毫米时，核力能才起作用，毫米时，核
35、力能才起作用，使两个原子核聚合在一起，使两个原子核聚合在一起，放出巨大的能量。放出巨大的能量。所有的原子核都带正电，两个带正电的所有的原子核都带正电，两个带正电的原子核互相接近时，它们之间的库仑斥原子核互相接近时，它们之间的库仑斥越来越大。所以实现聚变反应的条件是越来越大。所以实现聚变反应的条件是反应中的原子核必须具有很高的能量来反应中的原子核必须具有很高的能量来克服静电斥力，使两核之间的距离进入克服静电斥力，使两核之间的距离进入核力力程。据测算这样的能量将使氘核核力力程。据测算这样的能量将使氘核的温度达到的温度达到5.6105.6108 8k k 。 氘原子被加热到上亿度的时候，电子氘原子被
36、加热到上亿度的时候，电子就会脱离原子核的束缚，成为一团炽就会脱离原子核的束缚，成为一团炽热的气体热的气体等离子气体。等离子气体。 如何容纳这么热的等离子体如何容纳这么热的等离子体强大的磁场可以牢牢地束缚住炽热的等强大的磁场可以牢牢地束缚住炽热的等离子体。离子体。科学家建造了一个如同面包圈形状科学家建造了一个如同面包圈形状的空腔，空腔内是真空，其外是产的空腔，空腔内是真空，其外是产生磁场的线圈。这个古怪的烤炉同生磁场的线圈。这个古怪的烤炉同时有一个古怪的名字：托卡马克时有一个古怪的名字：托卡马克(tokamak).(tokamak).温度高达近亿度的等离温度高达近亿度的等离子体就被舒服在这个空腔
37、内部，不子体就被舒服在这个空腔内部，不会接触到容器壁，不会出乱子。会接触到容器壁，不会出乱子。电池的分类：电池的分类：电池按照其使用性质电池按照其使用性质的不同可以分为干电的不同可以分为干电池、蓄电池、储备电池、蓄电池、储备电池和燃料电池等几大池和燃料电池等几大类。类。 原电池原电池锌锰干电池：锌锰干电池：负极负极负极负极是锌做的是锌做的是锌做的是锌做的圆筒，圆筒，圆筒，圆筒，正极正极正极正极是一根探是一根探是一根探是一根探棒，周围被二棒，周围被二棒，周围被二棒，周围被二氧化锰、碳粉氧化锰、碳粉氧化锰、碳粉氧化锰、碳粉和氯化铵的混和氯化铵的混和氯化铵的混和氯化铵的混合剂包围。合剂包围。合剂包围
38、。合剂包围。干电池发电时反应如下：干电池发电时反应如下：负极：负极：Zn - 2eZn - 2e- - = Zn = Zn2+2+正极：正极：2NH2NH4 4+ + + MnO + MnO2 2+2e+2e- - = 2NH = 2NH3 3 + MnO + H+ MnO + H2 2O O电池反应电池反应:Zn+2NH:Zn+2NH4 4Cl+MnOCl+MnO2 2=ZnCl2+2NH=ZnCl2+2NH3 3+ + MnO+HMnO+H2 2O O 使用过程中，负极锌筒逐渐消使用过程中，负极锌筒逐渐消耗以致穿漏，正极处的耗以致穿漏，正极处的MnOMnO2 2的活性的活性逐渐衰减，最后干
39、电池不再供电而逐渐衰减，最后干电池不再供电而失效。失效。蓄电池蓄电池 蓄电池又称二次电池，可蓄电池又称二次电池，可蓄电池又称二次电池，可蓄电池又称二次电池，可以通过充电使活性物质再生。以通过充电使活性物质再生。以通过充电使活性物质再生。以通过充电使活性物质再生。蓄电池的两极均以铅板为骨架，蓄电池的两极均以铅板为骨架，蓄电池的两极均以铅板为骨架，蓄电池的两极均以铅板为骨架，正极正极正极正极铅板上是二氧化铅，铅板上是二氧化铅，铅板上是二氧化铅，铅板上是二氧化铅，负极负极负极负极铅板上是海绵状铅。铅板上是海绵状铅。铅板上是海绵状铅。铅板上是海绵状铅。内部构造内部构造内部构造内部构造外外外外部部部部构
40、构构构造造造造蓄电池放电时发生下列反应：蓄电池放电时发生下列反应：负极负极(Pb):Pb+SO(Pb):Pb+SO4 42-2-2e-2e- - = PbSO= PbSO4 4正极正极(PbO(PbO2 2):PbO):PbO2 2+4H+4H+ +SO+SO4 42-2-+2e+2e- - = PbSO= PbSO4 4+2H+2H2 2O O总反应总反应:Pb+PbO:Pb+PbO2 2+2H+2H2 2SOSO4 4 = 2PbSO= 2PbSO4 4+2H+2H2 2O O 电池充电时发生与电池充电时发生与 上述反应相反的反应上述反应相反的反应电动自行车电动自行车电动自行车电动自行车锂
41、电池锂电池 锂电池分为一次电池和二次电池两类，锂电池分为一次电池和二次电池两类，照相机等耗电量较低的电子产品中主要使用照相机等耗电量较低的电子产品中主要使用不可充电的一次锂电池，而摄像机、数码相不可充电的一次锂电池，而摄像机、数码相机、手机及笔记本电脑等耗电量较大的电子机、手机及笔记本电脑等耗电量较大的电子产品中则使用可充放电的二次锂电池。产品中则使用可充放电的二次锂电池。锂电池自行车锂电池自行车锂电池自行车锂电池自行车目前，商业化锂离子二次电池的正极目前，商业化锂离子二次电池的正极材料主要是材料主要是LiCoO2，负极材料主要为，负极材料主要为C，充电时发生如下反应：，充电时发生如下反应：正
42、极反应：正极反应：LiCoO2Li1-xCoO2+xLi+xe-负极反应：负极反应：C+xLi+xe-CLix电池总反应：电池总反应：LiCoO2+CLi1-xCoO2+CLix放电时发生上述反应的逆反应。放电时发生上述反应的逆反应。镍氢电池（高压镍氢电池）镍氢电池（高压镍氢电池）正极：正极：Ni电极电极NiO（OH）+H2O+e-=Ni(OH)2+OH-负极：氢电极负极：氢电极1/2H2+OH-=H2O+e-总反应：总反应：1/2H2+NiO(OH)=Ni(OH)2电解质：电解质：KOH电池内氢气的压力：电池内氢气的压力：0.3-4MPa燃料电池燃料电池燃料电池燃料电池( (FuelCell
43、，FC) )是一种把储存在是一种把储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地按电化学原理转化为电能的能量转换装置，按电化学原理转化为电能的能量转换装置，也是一种新型的无污染、无噪音、大规模、也是一种新型的无污染、无噪音、大规模、大功率和高效率的汽车动力。作为一种最接大功率和高效率的汽车动力。作为一种最接近于实用化的环保型新能源，燃料电池已经近于实用化的环保型新能源，燃料电池已经受到了人们的广泛关注。受到了人们的广泛关注。燃料电池的原理燃料电池的原理 氢氧燃料电池工作时向负极供给燃料（氢）氢氧燃料电池工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（空气或氧气
44、）。，向正极供给氧化剂（空气或氧气）。 氢在氢在负极负极解离成解离成H H+ +和电子，和电子，H H+ +进入电解液进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极，用电的负中，而电子则沿外部电路移向正极，用电的负载就接在外部电路中。载就接在外部电路中。 在在正极正极上，氧与电解液中的氢离子获得经上，氧与电解液中的氢离子获得经外电路抵达正极上的电子而形成水。外电路抵达正极上的电子而形成水。氢氧燃料电池原理图燃料电池的种类燃料电池的种类燃料电池按照电解质类型分为五种：燃料电池按照电解质类型分为五种：碱性燃料电池碱性燃料电池(AFC)磷酸型燃料电池（磷酸型燃料电池（PAFC）熔融碳酸盐型燃料电池熔融碳酸
45、盐型燃料电池(MCFC)固体氧化物型燃料电池固体氧化物型燃料电池(SOFC)质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池(PEMFC)燃料燃料电池池类型型碱性燃料碱性燃料电池池（AFC）磷酸型燃料磷酸型燃料电池池（PAFC）质子交子交换膜膜燃料燃料电池池（PEMFC）熔融碳酸熔融碳酸盐燃料燃料电池池(MCFC)固体氧化物固体氧化物燃料燃料电池池(SOFC)电解解质KOHH3PO4全氟磺酸膜全氟磺酸膜（含水的（含水的质子交子交换膜）膜）（Li，K）CO3氧化氧化钇稳定定的氧化的氧化锆YSZ阳极阳极Pt电极，极，氢燃料燃料Pt电极，极，氢燃料燃料Pt电极，极，氢燃料燃料Ni催化催化剂，氢燃料燃料NiZrO
46、2催化催化剂，甲，甲烷、氢燃料燃料阴极阴极Ag电极，极，氧作氧化氧作氧化剂Pt电极，氧极，氧作氧化作氧化剂Pt电极，氧极，氧作氧化作氧化剂NiO催化催化剂，氧燃料氧燃料NaCrO4等催等催化化剂，氧作，氧作氧化氧化剂工作温度工作温度/5020010020050906507006001000导电离子离子OH-H+H+CO32-O2-技技术发展展状状态技技术成熟成熟技技术成熟成熟高度高度发展，展，接近成熟接近成熟研研发阶段段研研发阶段段发电效率效率/%50554050455050604560燃料电池的优点燃料电池的优点(1)(1)能量转换效率高能量转换效率高( (节省燃料资源节省燃料资源) )。
47、(2)(2)污染小、噪声低。污染小、噪声低。 (3)(3)高度的可靠性高度的可靠性氢能经济的背景氢能经济的背景o大气中二氧化碳逐年增加，地球不断变暖，大气中二氧化碳逐年增加，地球不断变暖，生态环境恶化，自然灾害频发，造成的损生态环境恶化，自然灾害频发，造成的损失逐年增加。失逐年增加。o化石能源储量有限，消耗加快。化石能源储量有限，消耗加快。o能源结构单一，过渡依赖化石能源。能源结构单一，过渡依赖化石能源。o经济增长、环境保护和社会发展的压力。经济增长、环境保护和社会发展的压力。氢：储量大，分布广，清洁无污染氢：储量大，分布广，清洁无污染氢能社会构想氢能社会构想再生能再生能源制氢源制氢CO2处理
48、处理加氢站加氢站燃料电池工厂燃料电池工厂天然气制氢天然气制氢电厂电厂终端用户终端用户氢气作为能源遇到的两个问题氢气作为能源遇到的两个问题 （一）氢气的制备（一）氢气的制备（）热化学工艺制氢（）热化学工艺制氢热化学工艺主要是将碳水化合物热化学工艺主要是将碳水化合物( (煤、石油、煤、石油、天然气、生物质等天然气、生物质等) ) 输入高温化学反应器输入高温化学反应器 ，生成由，生成由H2、CO、CO2 和和CH4等组成的等组成的合成气体合成气体 ，然后进行重整和水气置换反应，然后进行重整和水气置换反应来提高氢的产量来提高氢的产量 ，最后将氢气分离提纯得，最后将氢气分离提纯得到可以用做交通燃料的氢气
49、。到可以用做交通燃料的氢气。甲烷重整制氢甲烷重整制氢: :CH4+H2O=3H2+CO 这个反应是吸热反应，需要外部输入热这个反应是吸热反应，需要外部输入热量，反应温度大约量，反应温度大约700700850850，反应，反应压力为压力为3105Pa2.5105Pa。反应产物合成气被输入到下一级水气置换反应产物合成气被输入到下一级水气置换反应器反应器 ，经过水气置换反应，将，经过水气置换反应，将CO转化转化为为H2，提高了氢的产量。，提高了氢的产量。CO+H2O=H2+CO2重整制氢的能量转换效率可以达到重整制氢的能量转换效率可以达到75%80%，经济有效，如果将余热回收利用，经济有效，如果将余
50、热回收利用，效率可达效率可达85%以上以上部分氧化制氢是将碳氢化合物部分氧化生成部分氧化制氢是将碳氢化合物部分氧化生成CO和氢的工艺。和氢的工艺。2CH4+O2=4H2+2CO加入催化剂，系统转化效率会大大提高。反加入催化剂，系统转化效率会大大提高。反应产物合成气也和重整制氢一样，需要进行应产物合成气也和重整制氢一样，需要进行水气置换反应，以提高水气置换反应，以提高H H2 2 的产量。最后再经的产量。最后再经过分离提纯，得到可以用于交通工具的燃料。过分离提纯，得到可以用于交通工具的燃料。由于这个生产过程中也有由于这个生产过程中也有CO2的排放，所以的排放，所以也是通向环保制氢的过渡。也是通向
51、环保制氢的过渡。 利用煤和生物质等气化制氢是将这些物利用煤和生物质等气化制氢是将这些物质在高温下裂解成合成气后进行水气转质在高温下裂解成合成气后进行水气转换等过程，提高氢的成分，最后经过净换等过程，提高氢的成分，最后经过净化处理得到燃料氢。其中煤的气化制氢化处理得到燃料氢。其中煤的气化制氢是目前广泛使用的制氢技术。是目前广泛使用的制氢技术。（2 2）电解水制氢工艺）电解水制氢工艺该反应只要对电解槽通入直流电即可进该反应只要对电解槽通入直流电即可进行，操作简单，效率较高行，操作简单，效率较高 ，现在已经发，现在已经发展了多种电解槽，如碱性电解槽、质子展了多种电解槽，如碱性电解槽、质子交换膜电解槽
52、和固体氧化物电解槽等。交换膜电解槽和固体氧化物电解槽等。用太阳能电池产生的电能电解水是制氢的一条用太阳能电池产生的电能电解水是制氢的一条具有十分诱人前景的途径。具有十分诱人前景的途径。人工光合作用的研究为太阳能制氢提供了另外人工光合作用的研究为太阳能制氢提供了另外一条途径。光合作用的核心是由太阳光驱动将一条途径。光合作用的核心是由太阳光驱动将水分子裂解为氧气、氢离子和电子。植物通过水分子裂解为氧气、氢离子和电子。植物通过还原碳元素的形式将太阳能固定下来，能否不还原碳元素的形式将太阳能固定下来，能否不要将太阳能固定在碳元素中得到利用呢？人工要将太阳能固定在碳元素中得到利用呢？人工光合作用将使这种
53、想法成为可能，它完全抛弃光合作用将使这种想法成为可能，它完全抛弃了植物载体，只利用光合作用的原理，通过光了植物载体，只利用光合作用的原理，通过光裂解水分子，直接提取氢气。裂解水分子，直接提取氢气。拆开水分子所需要的能量足以摧毁任何拆开水分子所需要的能量足以摧毁任何生物分子，然而植物每天都在进行着这生物分子，然而植物每天都在进行着这个反应而没有任何不良后果。个反应而没有任何不良后果。秘密存在于催化核心的结构中。植物进行光合秘密存在于催化核心的结构中。植物进行光合作用离不开叶绿素，而叶绿素中对光合作用起作用离不开叶绿素，而叶绿素中对光合作用起关键作用的就是催化核心。催化核心是由关键作用的就是催化核
54、心。催化核心是由4 4个个锰离子、锰离子、1 1个钙离子、个钙离子、4 4个氧原子和至少个氧原子和至少2 2个水个水分子组成的，其中分子组成的，其中3 3个锰离子、个锰离子、1 1个钙离子和个钙离子和4 4个氧组成一个扭曲立方体，锰离子和钙离子通个氧组成一个扭曲立方体，锰离子和钙离子通过氧原子相连接。第四个锰离子位于立方体的过氧原子相连接。第四个锰离子位于立方体的外部，结合着外部，结合着1 1个水分子。这一发现对于了解个水分子。这一发现对于了解和复制水裂解化学过程具有重要意义。和复制水裂解化学过程具有重要意义。氢气的储存氢气的储存 类 型典型技术体积密度重量密度备 注物理方法液态氢71/37
55、g/l 5wt%20K,能耗大高压氢39/24 g/l 3.3wt%RT,70MPa大比表吸附剂1wt%80K纳米碳管100 g/l4wt%30%NaBH4溶液o硼氢化合物硼氢化合物 热分解制氢热分解制氢NHNH3 3BHBH3 3、LiBHLiBH4 4等等 水分解制氢水分解制氢NaBHNaBH4 4（SBHSBH）等）等oBNBN纳米结构材料纳米结构材料 o硼促进贮氢材料硼促进贮氢材料含硼贮氢材料含硼贮氢材料硼氢化物硼氢化物氢含量氢含量wt%研究者研究者formulareactionLiBH418.213.5Zuteletal.NaBH410.510.8MillenniumCelletal
56、.NH3BH319.519.5Wolfetal.NH4BH424.524.5Unstable-20Al(BH4)316.8PotentialchemicalsubstanceforH2storageMg(BH4)214.8LiAlH2(BH4)215.2硼氢化合物贮氢硼氢化合物贮氢Prof.A.Zuttel,SwitzerlandUnivFribourg450左右可以获得左右可以获得13.5wt%H2LiBH4分解制氢分解制氢强放热反应强放热反应 可以获得可以获得13.6 wt% H2 LiBH4分解制氢分解制氢120-30019.6wt%H2不足不足: : NH3BH3制备成本偏高制备成本偏高 NH3BN3分解制氢分解制氢 B99N99C186 nanotubesAtomic structure modelsBN纳米结构贮氢纳米结构贮氢近年来，大量的研究集中在纳米碳管储氢方近年来，大量的研究集中在纳米碳管储氢方面，主要是人们认为纳米碳管的储氢容量高，面，主要是人们认为纳米碳管的储氢容量高，理论上可达理论上可达10%10%。氢能的利用氢能的利用 谢谢大家！谢谢大家！
