期末化学与能源论文[1].doc

期末化学与能源论文[1]
北京的一道靓丽的风景线 [6]. 在香港政府和香港中华电力(CLP)的支持和资助下, 可再生氢能源系统在香港的可行性研究也已经在香港大学机械工程系展开. 本文属于CLP资助的项目的电解槽中用做电解质. 可以预见, 随着质子交换膜电解槽技术的成熟和价格的降低,PEM电解槽将成为制氢的主要装置.
固体氧化物电解槽(Solid Oxide Electrolyzer)是另一种新兴的电解槽技术. 这种电解槽的缺点是工作在高温, 给材料的选择带来了一定限制. 优点是较高的反应温度使得电化学反应中,部分电能被热能代替, 从而效率较高, 尤其是当余热被汽轮机, 制冷系统等回收利用时, 系统效率可达90%. 目前的研究重点是寻找在高温下具有对氧离子良好导电性的电解质材料和适当降低电解槽的工作温度.
. 电解海水制氢
海水是世界上最为丰富的水资源, 同时也是理想的制氢资源. 尤其在沿海的沙漠地区, 比如中东和非洲, 淡水资源缺乏, 电解海水制氢则成了唯一的选择. 但海水富含盐份(NaCl)和其他杂质, 并且通常电解槽的电极电势超过了产生氯气所需的电势,这使得在电解海水时, 往往是氯气从阳极析出, 而非氧气. 虽然氢气的产生不会受此影响, 但产生的氯气具有强烈的毒性, 需要完全避免. 在所有常用的电极材料中, 只有锰和锰的氧化物及其化合物在电解海水时可以在阳极产生氧气, 等人[17]用Mn1-xMoxO2 x/IrO2Ti作为电极, 氧气的生成率达到了100%, 完全避免了氯气的产生, 使得电解海水制氢变得可行.
. 利用可再生资源电解水制氢
如前所述, 电解水需要消耗电. 由化石燃料产生电能推动电解槽制氢
由于会消耗大量的不可再生资源, 只能是短期的制氢选择. 由可再生资源产生电能, 比如通过光伏系列和风机发电, 具有资源丰富, 可再生, 并且整个生命周期影响较小等优点, , 被光子激发出的自由电子和带正电的空穴在PN结的电场力作用下, 分别集中到N型半导体和P型半导体, 在连接外电路的情况下便可对外提供直流电流. 光伏电池可以分为第一代光伏电池(wafer-based PV)和第二代光伏电池(thin film PV). 目前市场上多是第一代光伏电池. 第一代电池具有较高的转换效率(10-15%), 但成本较贵, 限制了其大规模使用. 第二代电池虽然效率较低(6-8%), 但由于采用了薄膜技术, 使用较少的材料, 并且易于批量生产, 制作成本大大降低, 目前的研究方向是进一步提高薄膜光伏电池的转换效率[18]. 由于光伏电池产生的是直流电,可以直接运用于电解水, 但为了保证光伏阵列工作在最大功率状态, 在光伏电池和电解槽之间往往需要接入一个最大功率跟踪器(MPPT), 在最近几年得到了很快展. 风力发电
机组利用风的动能推动发电机而产生交流电. 根据Betz law, 风力发电的最大效率理论上可达59% [19]. 在风力充足的条件下, 风力发电的规模越大, 其经济性越好. 因此, 近几年风力发电朝着大规模的方向发展. 另外, 由于海上风力较陆地大, 并且不占陆地面积, -直流转换即可与电解槽相接产氢, 经济性较好, 目前不少风力资源充足的国家都将风能-, 地热能, 波浪能所发的电都可以作为电解槽的推动力, 但和太阳能与风能一样, 都受地域的限制.
. 电解水制氢的现状
目前所用到的电解槽多为碱性电解槽. 加拿大的Stuart是目前世界上利用电解水制氢和开发氢能汽车最为有名的公司. 他们开发的HESfp系统包括一个能日产氢25 千克的碱性电解槽, 一个能储存60 , 可以为3辆巴士提供能量. Hamilton是另一个有名的电解槽开发制造商, 他们的ES系列利用PEM电解槽技术, 可以每小时产氢6-30Nm3,
%. 在日本的WE-NET计划中, 氢的制取也是通过PEM电解槽来实现,并且PEM电解槽在80oC和1A/cm2的工作条件下, 已经以90%的效率连续工作了超过4000小时 [11].
. 电解水技术的环境, 经济和安全问题
从电解水的整个生命周期来看, 电解水制氢会对环境造成一定的负面影响, 并且也有一定的危险性. , 由于使用