Matlab優(yōu)化工具箱函數(shù)簡(jiǎn)介和電化學(xué)技術(shù)在新能源中的利用

Matlab優(yōu)化工具箱函數(shù)簡(jiǎn)介一維搜索問(wèn)題fminbnd無(wú)約束極小值fminunc,fminsearch約束極小值fmincon線性規(guī)劃linprog二次規(guī)劃quadprog一維搜索問(wèn)題優(yōu)化工具箱函數(shù)fminbnd對(duì)應(yīng)問(wèn)題：minf(x)x1<x<x2調(diào)用格式x=fminbnd(fun,x1,x2)：得到函數(shù)fun在區(qū)間[x1,x2]內(nèi)取得最小值的x.[x,f]=fminbnd(fun,x1,x2):得到最優(yōu)點(diǎn)x和最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值f。例：求minf(x)=-(3-2*x)^2*x方法1：x=fminbnd('-(3-2*x)^2*x',0,1.5)方法2：f=inline('-(3-2*x)^2*x');x=fminbnd(f,0,1.5)方法3:x=fminbnd(@(x)-(3-2*x)^2*x,0,1.5)方法4：先形成一個(gè)函數(shù)文件functionf=fun(x)f=-(3-2*x)^2*x;然后運(yùn)行下兩句中的任一句x=fminbnd('fun',0,1.5)x=fminbnd(@fun,0,1.5)若需輸出最優(yōu)點(diǎn)處的目標(biāo)函數(shù)值f，則將上述語(yǔ)句的左邊改為[x,f]，如：[x,f]=fminbnd('-(3-2*x)^2*x',0,1.5)其它用法：[X,fval,exitflag,output]=fminbnd(fun,x1,x2)其中：fun為目標(biāo)函數(shù)，x1，x2為變量的邊界約束，即x1≤x≤x2，X為返回的滿足fun取得最小值的x的值，而fval則為此時(shí)的目標(biāo)函數(shù)值。exitflag>0表示計(jì)算收斂，exitflag=0表示超過(guò)了最大的迭代次數(shù)，exitflag<0表示計(jì)算不收斂，返回值output有3個(gè)分量，其中iterations是優(yōu)化過(guò)程中迭代次數(shù)，funcCount是代入函數(shù)值的次數(shù)，algorithm是優(yōu)化所采用的算法。例：clearfun='(x^5+x^3+x^2-1)/(exp(x^2)+sin(-x))'ezplot(fun,[-2,2])[X,fval,exitflag,output]=fminbnd(fun,-2,2)結(jié)果為：X=0.2176fval=-1.1312exitflag=1output=iterations:13funcCount:13algorithm:'goldensectionsearch,parabolicinterpolation'無(wú)約束極小值優(yōu)化工具箱函數(shù)fminunc,fminsearch以上兩個(gè)函數(shù)均可求解無(wú)約束多元函數(shù)的最小值。調(diào)用格式：x=fminunc(fun,X0)x=fminsearch(fun,X0)--------------以X0為初始迭代點(diǎn)，求使函數(shù)fun取得最小值的x[x,fval]=fminunc(fun,X0)[x,fval]=fminsearch(fun,X0)--------------以X0為初始迭代點(diǎn)，求得最優(yōu)點(diǎn)x和最優(yōu)值fval。fminsearch()采用單純形法進(jìn)行計(jì)算，適合處理階次低但是間斷點(diǎn)多的函數(shù)；fminunc()對(duì)于高階連續(xù)的函數(shù)比較有效,該函數(shù)可以輸出海塞矩陣。例1：求 X0=[1,1]’[x,fval]=fminunc('3*x(1)^2+2*x(1)*x(2)+x(2)^2',X0)[x,fval]=fminsearch('3*x(1)^2+2*x(1)*x(2)+x(2)^2',[1,1]')例2：clearfun='exp(x(1))*(2*x(1)^2+3*x(2)^2+2*x(1)*x(2)+3*x(2)+1)';x0=[0,0];options=optimset('largescale','off','display','iter','tolx',1e-8,'tolfun',1e-8);[x,fval,exitflag,output,grad,hessian]=fminunc(fun,x0,options)約束極小值優(yōu)化工具箱函數(shù)fmincon對(duì)應(yīng)數(shù)學(xué)模型：minF(X)subjectto:A*X<=B,Aeq*X=Beq(linearconstraints)C(X)<=0,Ceq(X)=0(nonlinearconstraints)LB<=X<=UB調(diào)用格式：x=fmincon(fun,x0,A,b):給定初值x0，求解fun函數(shù)的最極值點(diǎn)x.。約束條件為線性約束A*x<=b。x0可以是標(biāo)量、矢量或矩陣X=fmincon(FUN,X0,A,B,Aeq,Beq)同前一調(diào)用格式相比，約束條件中增加了等式約束Aeq*X=Beq.(若無(wú)不等式約束，取A=[]、B=[])X=fmincon(FUN,X0,A,B,Aeq,Beq,LB,UB)若設(shè)計(jì)變量X有上下限UB、LB用此格式若X無(wú)取值限制，LB與UB為空矩陣[]。若X（i）的下限為負(fù)無(wú)窮，則LB(i)=-Inf。若X（i）的上限為正無(wú)窮，則UB(i)=Inf。X=fmincon(FUN,X0,A,B,Aeq,Beq,LB,UB,NONLCON)NONLCON是包含函數(shù)名的字符串，該函數(shù)可以是M文件、內(nèi)部文件。例如，若NONLCON=’mycon’，則M文件mycon.m具有如下內(nèi)容：Function[C,Ceq]=mycon(X)C=…..%計(jì)算X處的非線性不等式Ceq=…%計(jì)算X處的非線性等式以上各調(diào)用格式中均可輸出目標(biāo)函數(shù)值，用法仍為：[x,fval]=fmincon(….)例：某問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)為約束條件為：設(shè)計(jì)變量初始值為目標(biāo)函數(shù)functionf=myfun(x)f=0.192457*1e-4*(x(2)+2)*x(1)^2*x(3);非線性約束function[c,ceq]=mycon(x)c(1)=350-163*x(1)^(-2.86)*x(3)^0.86;c(2)=10-0.4e-2*x(1)^(-4)*x(2)*x(3)^3;c(3)=(x(2)+1.5)*x(1)+0.44e-2*x(1)^(-4)*x(2)*x(3)^3-3.7*x(3);c(4)=375-0.356*1e6*x(1)*x(2)^(-1)*x(3)^(-2);c(5)=4-x(3)/x(1);ceq=0;主程序A=[-1001000-1001000-1001];b=[-1;4;-4.5;50;-10;30];x0=[2;5;25];lb=[0;0;0];[x,fval]=fmincon('myfun',x0,A,b,[],[],lb,[],'mycon')%或用下式：%[x,fval]=fmincon(@myfun,x0,A,b,[],[],lb,[],@mycon)總結(jié)：X=fmincon(fun,x0,A,b)X=fmincon(fun,x0,A,b,Aeq,Beq,Lb,Ub)X=fmincon(fun,x0,A,b,Aeq,Beq,Lb,Ub,nonlcon,options)[X,fval,exitflag,output]=fmincon(fun,x0,…)[X,fval,exitflag,output,lambda,grad,Hessian]=fmincon(fun,x0,…)參數(shù)中fun為目標(biāo)函數(shù)，x0為變量的初始值，x為返回的滿足要求的變量的值。A和b表示線性不等式約束，Aeq，Beq表示線性等式約束，Lb和Ub分別為變量的下界和上界約束，nonlcon表示非線性約束條件，options為控制優(yōu)化過(guò)程的優(yōu)化參數(shù)向量。返回值fval為目標(biāo)函數(shù)。exitflag>0表示優(yōu)化結(jié)果收斂于解，exitflag=0表示優(yōu)化超過(guò)了函數(shù)值的計(jì)算次數(shù)，exitflag<0表示優(yōu)化不收斂。lambda是拉格朗日乘子，顯示那個(gè)約束條件有效。grad表示梯度，hessian表示漢森矩陣。線性規(guī)劃優(yōu)化函數(shù)linprogX=linprog(f,A,b)對(duì)應(yīng)數(shù)學(xué)規(guī)劃：minf'*xsubjectto:A*x<=bX=linprog(f,A,b,Aeq,beq)增加等式約束Aeq*x=beq.X=linprog(f,A,b,Aeq,beq,LB,UB)設(shè)計(jì)變量有上下限X=linprog(f,A,b,Aeq,beq,LB,UB,X0)X0為初始迭代點(diǎn)[X，F(xiàn)]=linprog(….)二次規(guī)劃x=quadprog(H,f,A,b)x=quadprog(H,f,A,b,Aeq,beq)x=quadprog(H,f,A,b,Aeq,beq,lb,ub)x=quadprog(H,f,A,b,Aeq,beq,lb,ub,x0)x=quadprog(H,f,A,b,Aeq,beq,lb,ub,x0,options)[x,fval]=quadprog(...)[x,fval,exitflag]=quadprog(...)[x,fval,exitflag,output]=quadprog(...)[x,fval,exitflag,output,lambda]=quadprog(...)其中：X=quadprog(H,f,A,b)對(duì)應(yīng)問(wèn)題為：min0.5*x'*H*x+f'*xsubjectto:A*x<=bX=quadprog(H,f,A,b,Aeq,beq)增加等式約束Aeq*x=beq.X=quadprog(H,f,A,b,Aeq,beq,LB,UB)設(shè)計(jì)變量有上下限X=quadprog(H,f,A,b,Aeq,beq,LB,UB,X0)----X0為初始迭代點(diǎn)[X,FVAL]=quadprog(。。。)以上優(yōu)化工具箱函數(shù)只供參考，不供考試中使用。

電化學(xué)技術(shù)在新能源中的利用一.能源的概況1.能源的重要性1.能源的重要性自古以來(lái),人類就為改善生存條件和促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而不停地進(jìn)行奮斗.在這一過(guò)程中,能源一直扮演著重要的角色.從世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀來(lái)看,能源問(wèn)題已成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中一個(gè)具有戰(zhàn)略意義的問(wèn)題,能源的消耗水平已成為衡量一個(gè)國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的重要標(biāo)志,能源問(wèn)題對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著決定性的作用.2.能源的種類2.能源的種類大自然賦予人類的能源是多種多樣的,一般可分為常規(guī)能源和新能源兩大類.常規(guī)能源包括煤炭,石油,天然氣和水能,而新能源有生物質(zhì)能,核能,風(fēng)能,地?zé)崮?海洋能,太陽(yáng)能和氫能等.其中煤炭,石油,天然氣被成為化石能源,水能,生物質(zhì)能,風(fēng)能,太陽(yáng)能和氫能等是可再生能源.3.化石能源的問(wèn)題(1)化石能源的短缺化石能源的短缺能源是人類賴以生存和社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈,但目前主要使用的化石能源的儲(chǔ)量不多.據(jù)2002年世界探明的化石能源的儲(chǔ)量和使用量統(tǒng)計(jì),世界上煤,石油和天然氣的儲(chǔ)采比分別為204,40和60年,中國(guó)的情況更為嚴(yán)峻,據(jù)2002年統(tǒng)計(jì),中國(guó)煤,石油和天然氣的儲(chǔ)采比只有82,15和46年.這表明在人類歷史的長(zhǎng)河中,只有很短的一段時(shí)間能使用化石能源.隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速增長(zhǎng),對(duì)能源的需求也持續(xù)攀升.我國(guó)一次能源消費(fèi)總量從1978年的5.3億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,上升到2002年的14.3億噸.據(jù)估計(jì),我國(guó)在2004,2020和2050年的石油消費(fèi)量達(dá)3,4.5和6億噸,其中進(jìn)口量分別為1,2.7和4億噸.4億噸的進(jìn)口量相當(dāng)于目前美國(guó)的石油進(jìn)口量,這不但會(huì)制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,而且對(duì)國(guó)家的安全也十分不利.(2)化石燃料造成嚴(yán)重環(huán)境污染和氣候異常化石燃料造成嚴(yán)重環(huán)境污染和氣候異?；剂系氖褂靡鸬沫h(huán)境污染,排放的CO2會(huì)造成溫室效應(yīng),使全球氣候變暖.有關(guān)機(jī)構(gòu)已向聯(lián)合國(guó)發(fā)出警告,如再不對(duì)CO2的排放采取嚴(yán)厲措施,在10年內(nèi),世界的氣候?qū)a(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的變化.我國(guó)的環(huán)境污染問(wèn)題更是日趨嚴(yán)重,目前,我國(guó)CO2排放量占世界總排放量的14%,在美國(guó)之后位居第二,估計(jì)到2025年,將位居第一.在本世紀(jì)初聯(lián)合國(guó)關(guān)于環(huán)境污染的調(diào)查中,發(fā)現(xiàn)在世界上十個(gè)環(huán)境污染最嚴(yán)重的城市中,七個(gè)在中國(guó).它們是太原,北京,烏魯木齊,蘭州,重慶,濟(jì)南和石家莊.4.21世紀(jì)世界能源發(fā)展趨勢(shì)世紀(jì)世界能源發(fā)展趨勢(shì)(1)節(jié)能技術(shù)將備受重視節(jié)能技術(shù)將備受重視節(jié)能就是提高能源利用率,減少能源的浪費(fèi).目前節(jié)能技術(shù)水平已是一個(gè)國(guó)家能源利用情況的綜合性指標(biāo),也是一個(gè)國(guó)家總體科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志.許多研究報(bào)告指出,依靠節(jié)能可以將能源需求量降低2530%.我國(guó)在能源利用方面的效率很低,我國(guó)的能耗很高,是世界平均水平的2倍,發(fā)達(dá)國(guó)家的5-10倍,因此更應(yīng)重視節(jié)能技術(shù),我國(guó)應(yīng)該充分重視化石能源的高效利用.(2)世界能源系統(tǒng)將發(fā)生重大變革世界能源系統(tǒng)將發(fā)生重大變革據(jù)預(yù)測(cè),20世紀(jì)形成的以化石燃料為主的世界能源系統(tǒng)將在21世紀(jì)轉(zhuǎn)換成以可再生能源為主的新的世界能源系統(tǒng).在20世紀(jì)末,化石燃料的使用量占了世界一次能源用量的89.5%.據(jù)世界能源委員會(huì)(WEC)和國(guó)際應(yīng)用分析系統(tǒng)研究所的研究報(bào)告認(rèn)為,在20世紀(jì)上半葉,化石燃料仍將是世界一次能源的主體,但到21世紀(jì)下半葉,太陽(yáng)能,生物質(zhì)能,風(fēng)能等新能源將占世界能源的50%左右.(3)煤炭將作為過(guò)渡能源而受到重視煤炭將作為過(guò)渡能源而受到重視由于石油和天然氣的儲(chǔ)量較少,而煤炭?jī)?chǔ)量相對(duì)較多,因此煤炭將作為一種過(guò)渡能源而在21世紀(jì)上半葉受到重視.主要發(fā)展的技術(shù)是潔凈煤技術(shù),煤液化和汽化技術(shù).(4)新化石能源的開(kāi)發(fā)將得到強(qiáng)化新化石能源的開(kāi)發(fā)將得到強(qiáng)化近年來(lái)發(fā)現(xiàn),在海洋300米深處有甲烷水合物存在.目前,甲烷水合物的開(kāi)發(fā)已經(jīng)受到特別的關(guān)注.據(jù)估計(jì),世界甲烷水合物的儲(chǔ)量可能超過(guò)石油,天然氣和煤炭?jī)?chǔ)量的總和.因此,甲烷水合物作為儲(chǔ)量巨大的未開(kāi)發(fā)能源開(kāi)始受到世界各國(guó)的高度重視.(5)核能的利用將進(jìn)一步得到重視核能的利用將進(jìn)一步得到重視據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì),在20世紀(jì)末,全世界運(yùn)行的核電站有436座,總發(fā)電量為3.5億千瓦.這些電站主要分布在美,法,日,英,俄等31個(gè)國(guó)家,近年來(lái),由于擔(dān)心核電站運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性,核廢料對(duì)環(huán)境的影響和核技術(shù)擴(kuò)散對(duì)世界安全性的影響,核能的發(fā)展在發(fā)達(dá)國(guó)家已有下降趨勢(shì),但在亞洲地區(qū)仍有強(qiáng)勁的增加趨勢(shì),我國(guó)準(zhǔn)備在今后幾年內(nèi)建造4座核電站.受控核聚變是一直受人們關(guān)心的技術(shù),因?yàn)樵诤Ｋ写蠹s有23.4億萬(wàn)噸氘,如受控核聚變技術(shù)在21世紀(jì)能得到應(yīng)用,在21世紀(jì)末,核能可望占世界一次能源的30%左右.(6)可再生能源的開(kāi)發(fā)將越來(lái)越受到重視可再生能源的開(kāi)發(fā)將越來(lái)越受到重視鑒于化石燃料的短缺及化石燃料的使用引起嚴(yán)重的環(huán)境污染和氣候異常,人們對(duì)新能源的開(kāi)發(fā)越來(lái)越重視.其中水力能,地?zé)崮?海洋能和風(fēng)能的可利用資源有限,因此,太陽(yáng)能,生物質(zhì)能和氫能的利用將倍受關(guān)注.二.生物質(zhì)能的利用1.生物質(zhì)能的優(yōu)點(diǎn).(1)生物質(zhì)來(lái)源豐富地球上每年生長(zhǎng)的生物質(zhì)總量約14001800億噸,相當(dāng)于目前世界總能耗的10倍,我國(guó)的生物質(zhì)能也極為豐富,可作為能源開(kāi)發(fā)的生物質(zhì)能總量可達(dá)4.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤.加上生物質(zhì)能可再生.因此,生物質(zhì)能的高效,規(guī)?；每捎行Ь徑馐澜缒茉垂┬杳?(2)生物質(zhì)能可多途徑利用(a)直接燃燒.其熱能和蒸汽可發(fā)電,技術(shù)成熟,但效率低.(b)生物轉(zhuǎn)化.包括制沼氣和水解發(fā)酵制取醇類.生物質(zhì)制甲醇和乙醇技術(shù)基本成熟,但生產(chǎn)成本較高.生物質(zhì)制沼氣技術(shù)相當(dāng)成熟.2002年全國(guó)已建1300多萬(wàn)個(gè)沼氣池.(c)光熱轉(zhuǎn)化.通過(guò)氣化,裂解,光催化等技術(shù),獲得氣,液體燃料來(lái)發(fā)電.(d)生物柴油.從油料植物提取植物油,經(jīng)甲酯化得生物柴油.它有含氧高,含硫低,分解性能好,燃燒效率高等優(yōu)點(diǎn).(3)生物質(zhì)能利用的環(huán)境污染少由于生物質(zhì)利用過(guò)程中釋放的CO2是其生長(zhǎng)過(guò)程通過(guò)光合作用從環(huán)境吸收的,所以生物質(zhì)能的利用過(guò)程不排放額外的CO2,而對(duì)環(huán)境污染少.生物質(zhì)能的利用還能降低污染.如可利用生物質(zhì)熱解汽化技術(shù)處理生活垃圾等,可得到以甲烷為主的燃?xì)?實(shí)現(xiàn)垃圾的減量化,無(wú)害化,資源化.2.生物質(zhì)能利用的問(wèn)題2.生物質(zhì)能利用的問(wèn)題生物質(zhì)能利用的缺點(diǎn)主要是生物質(zhì)分布廣,大面積收集成本高,經(jīng)濟(jì)的收集半徑在50公里以內(nèi),只適合建立小型,分散的生物質(zhì)能利用系統(tǒng).而小型轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率低,不提高生物質(zhì)能的利用效率就不能獲得好的經(jīng)濟(jì)效益,這是生物質(zhì)能至今未能實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題之一.因此,如何在小型,分散體系實(shí)現(xiàn)能量的高效,清潔及規(guī)?；檬瞧惹行枰鉀Q的問(wèn)題.三.太陽(yáng)能的利用1.太陽(yáng)能的優(yōu)點(diǎn)太陽(yáng)能的優(yōu)點(diǎn)(1)太陽(yáng)能來(lái)源豐富太陽(yáng)能來(lái)源豐富太陽(yáng)能來(lái)源豐富是眾所周知的,這似乎是一種用之不絕,取之不盡的能源.太陽(yáng)內(nèi)部不停地進(jìn)行熱核反應(yīng),釋放出巨大的能量,輻射到地球上的能量只占起輻射總能量的極小部分,約1/22億,但地球每年接收的太陽(yáng)能至少有6×1017千瓦小時(shí),相當(dāng)于74萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤的能量.其中被植物吸收的僅占0.015%.可見(jiàn),開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能利用的潛力很大.(2)太陽(yáng)能的使用沒(méi)有污染問(wèn)題太陽(yáng)能的使用沒(méi)有污染問(wèn)題這也是眾所周知的,太陽(yáng)能的使用基本上沒(méi)有污染問(wèn)題.(3)太陽(yáng)能可多途徑利用太陽(yáng)能可多途徑利用(a)太陽(yáng)能的熱利用.如太陽(yáng)能熱水器,太陽(yáng)灶,太陽(yáng)能蓄熱池發(fā)電等.(b)太陽(yáng)能發(fā)電.如太陽(yáng)能電池和光電池.(c)光催化和光電催化制氫.主要用這兩種技術(shù)從水或生物質(zhì)中制得氫氣.2.太陽(yáng)能利用的概況太陽(yáng)能利用的概況近年來(lái),太陽(yáng)能的利用發(fā)展很快,據(jù)1997年的數(shù)據(jù),全球太陽(yáng)能發(fā)電量已達(dá)800兆瓦.到2000年,日本已有7萬(wàn)個(gè)住宅用上太陽(yáng)能電池,美國(guó)和歐盟計(jì)劃在2010年前安裝100萬(wàn)套太陽(yáng)能電池.特別是把太陽(yáng)能電池與屋頂瓦結(jié)合成光電發(fā)電系統(tǒng),目前歐洲已有300套,年發(fā)電量為1億千瓦.這種系統(tǒng)不但可供應(yīng)清潔能源,而且美觀耐用,壽命可達(dá)25年.太陽(yáng)能的熱利用發(fā)展更快.特別在我國(guó),太陽(yáng)能熱水器的年產(chǎn)值已達(dá)60多億元,居世界首位.3.太陽(yáng)能利用的問(wèn)題太陽(yáng)能利用的問(wèn)題開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能利用的主要問(wèn)題是如何提高太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換效率,其次是降低成本,這對(duì)我國(guó)特別重要,目前我國(guó)生產(chǎn)太陽(yáng)能電池的能力已達(dá)幾百兆瓦,但由于價(jià)格高,基本上都銷往國(guó)外.第三,一些技術(shù),如光催化和光電催化制氫技術(shù)還沒(méi)成熟,沒(méi)有達(dá)到實(shí)用化的階段,應(yīng)該抓緊這方面的研究和發(fā)展.四.氫能的利用1.氫能的優(yōu)點(diǎn)氫能的優(yōu)點(diǎn)(1)氫是自然界儲(chǔ)量最豐富的元素.(2)氫是除核燃料外發(fā)熱量最大的燃料.(3)氫燃燒生成水,是世界上最清潔的燃料.(4)燃燒性能好,可燃范圍大,燃燒速度快.(5)氫可用多種方法大規(guī)模生產(chǎn).(6)氫的利用形式多,可通過(guò)燃燒發(fā)電,通過(guò)燃料電池發(fā)電等.2.對(duì)氫能利用的重視2002年加拿大舉辦了以"氫行星"為主題的第14屆世界氫能源大會(huì).2003年在華盛頓召開(kāi)15個(gè)國(guó)家和地區(qū)參加的"國(guó)際氫能經(jīng)濟(jì)合作伙伴"會(huì)議.冰島計(jì)劃用40年時(shí)間將冰島建成"氫社會(huì)".布什將投資120億美元來(lái)促進(jìn)氫能源的發(fā)展.過(guò)去5年,工業(yè)化國(guó)家在氫能開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的投入年均遞增20.5%.氫將取代天然氣,油和煤而成為未來(lái)世界的主要能源,進(jìn)入氫能時(shí)代已成為近年來(lái)的熱門話題,21世紀(jì)將是氫能世紀(jì).布什舉著使用氫燃料的照相機(jī)我國(guó)對(duì)發(fā)展氫能經(jīng)濟(jì)也開(kāi)始重視,參加了2003年在華盛頓召開(kāi)的有15國(guó)家參加的"國(guó)際氫能經(jīng)濟(jì)合作伙伴"會(huì)議.2004和2005舉辦了兩次關(guān)于氫能經(jīng)濟(jì)的中美雙邊會(huì)議.今年一月,中國(guó)科學(xué)院院士局召開(kāi)了關(guān)于"石油替代能源"的研討會(huì),主要討論石油資源可持續(xù)性分析,石油的替代能源,氫能燃料和我國(guó)的石油替代能源.并要組織人員進(jìn)行軟課題研究.3.氫能的問(wèn)題3.氫能的問(wèn)題(1)氫的價(jià)格氫的制備,儲(chǔ)存和運(yùn)輸中的價(jià)格問(wèn)題,是影響走進(jìn)氫能時(shí)代的很關(guān)鍵的問(wèn)題.要降低其價(jià)格,必須形成氫的制備,儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)木W(wǎng)絡(luò).(2)廉價(jià)清潔的制氫技術(shù)問(wèn)題(2)廉價(jià)清潔的制氫技術(shù)問(wèn)題目前制氫效率很低,氫的制取要消耗大量的能量,因此尋求大規(guī)模的廉價(jià)清潔的制氫技術(shù)是各國(guó)科學(xué)家共同關(guān)心的問(wèn)題.(a)化石燃料制氫:目前,96%氫從化石燃料制備,技術(shù)成熟,但要造成環(huán)境污染.(b)電解水制氫:技術(shù)成熟,但耗能多,價(jià)格高.一般每生產(chǎn)1立方米的氫氣,需要消耗4.2-6度的電能,其能量轉(zhuǎn)化率不到32%.(c)生物質(zhì)制氫:有可再生,產(chǎn)量大,可儲(chǔ)存,碳循環(huán)等優(yōu)點(diǎn),從中長(zhǎng)期看是最有前途的制氫方式.目前生物質(zhì)制氫效率低.(d)生物制氫:國(guó)內(nèi)外在選育高效產(chǎn)氫菌株工作進(jìn)展不快,制氫效率低.(e)風(fēng)能制氫:用風(fēng)能發(fā)電來(lái)電解水產(chǎn)生氫,技術(shù)上沒(méi)有問(wèn)題,降低成本和風(fēng)能發(fā)電量少是主要的問(wèn)題.(f)太陽(yáng)能制氫:該法還處在基礎(chǔ)研究階段,離商業(yè)化還有較遠(yuǎn)的距離.(3)氫的儲(chǔ)運(yùn)問(wèn)題(3)氫的儲(chǔ)運(yùn)問(wèn)題氫的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)主要解決儲(chǔ)運(yùn)的安全性和成本,現(xiàn)在由于儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)不過(guò)關(guān),因此浪費(fèi)了許多氫.許多工業(yè)過(guò)程,如煉油,煉焦,氯堿,合成氨,合成甲醇及煤氣制造等多有大量的副產(chǎn)品氫氣,只是由于儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的問(wèn)題而不能被利用.我國(guó)每年放空和燒掉的氫氣至少在1010標(biāo)立方米以上.因此解決氫的儲(chǔ)運(yùn)問(wèn)題也是走進(jìn)氫能時(shí)代的一個(gè)很關(guān)鍵的問(wèn)題.目前氫的儲(chǔ)運(yùn)還有很大問(wèn)題.(a)高壓儲(chǔ)氫:儲(chǔ)氫量少,只有1%左右,還有不安全的問(wèn)題.(b)液氫儲(chǔ)氫:很不方便,儲(chǔ)氫設(shè)備大,蒸發(fā)損失大.(c)吸附儲(chǔ)氫:這是目前的研究熱點(diǎn),但儲(chǔ)氫容量還較低,一般不超過(guò)2%.鎂合金儲(chǔ)氫在3%,但儲(chǔ)放不可逆.熱門一時(shí)的納米碳管儲(chǔ)氫也已沒(méi)有了希望,最終的儲(chǔ)氫量也只有1%左右.(e)化合物儲(chǔ)氫:放氫不容易.(4)燃料電池還沒(méi)有商品化用氫作燃料的燃料電池的出現(xiàn)是促進(jìn)氫能利用的重要原因.近年來(lái),由于化石燃料資源短缺和環(huán)境污染日趨嚴(yán)重,各國(guó)對(duì)燃料電池的研究十分重視.美國(guó)《時(shí)代周刊》把燃料電池列為21世紀(jì)十大高新科技之首,燃料電池已被認(rèn)為是21世紀(jì)極具應(yīng)用前景的一種新型能源系統(tǒng).雖然燃料電池有很誘人的優(yōu)點(diǎn),而且燃料電池的發(fā)展已有100多年的歷史,但至今還沒(méi)有一種燃料電池已經(jīng)真正商品化,因此,燃料電池何時(shí)才能商品化是一個(gè)與氫能利用密切相關(guān)的問(wèn)題.4.反對(duì)氫能的意見(jiàn)4.反對(duì)氫能的意見(jiàn)(a)氫以化合物形式存在,制氫要消耗能源.它不是一種能源,而是能源的流通手段.(b)氫的泄漏會(huì)改變氣候.氫不可避免泄漏,泄漏量可達(dá)15%.泄漏的氫會(huì)在大氣形成水霧,它會(huì)象二氧化碳一樣,使天氣變暖.(c)現(xiàn)在一般用高壓氫作燃料電池燃料,氫的泄漏會(huì)產(chǎn)生很大的不安全性,手機(jī)等的火花就會(huì)使泄漏的氫發(fā)生爆炸.(d)冰島能做的,其他國(guó)家不一定能做,冰島的氫都是電解水制得的,因該國(guó)70%的電是由地?zé)岷退娬井a(chǎn)生的.(5)氫的清潔生產(chǎn)要用風(fēng)能和太陽(yáng)能.據(jù)估計(jì),如用風(fēng)能發(fā)電制氫,當(dāng)風(fēng)能發(fā)電量達(dá)到美國(guó)6%的用電量,風(fēng)能發(fā)電機(jī)要占的面積要有半個(gè)加州那么大.(6)布什承諾投資120億美元用于氫能的研究是一個(gè)微不足道的投資.美國(guó)去年用于核能和礦物質(zhì)燃料方面的研究經(jīng)費(fèi)大于氫燃料的研究經(jīng)費(fèi).美國(guó)推行"健康婚姻"的預(yù)算就有150億美元.美國(guó)用于伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)的經(jīng)費(fèi)每月390億美元.(7)氫燃料電池價(jià)格昂貴.目前內(nèi)燃機(jī)成本為每千瓦50美元,而氫燃料電池為800美元.估計(jì)大量使用后,也要300美元.另外所有的加油站改成加氫站也要花費(fèi)大量的資金.五.燃料電池加速氫能利用1.燃料電池的優(yōu)點(diǎn).(1)燃料電池是一種高效清潔的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng),可降低環(huán)境污染和氣候異常.(2)燃料電池能高效利用生物質(zhì)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的氣,液物質(zhì)和氫作燃料,因此,能促進(jìn)氫能的利用.(3)燃料電池的發(fā)電效率不受體系規(guī)模限制,小型燃料電池同樣能夠?qū)崿F(xiàn)高效發(fā)電,適合于生物質(zhì)分散性的特點(diǎn).2.燃料電池定義燃料電池是一種不經(jīng)燃燒直接以電化學(xué)反應(yīng)的方式將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的裝置,只要連續(xù)供應(yīng)燃料,燃料電池就能連續(xù)發(fā)電.3.原理陽(yáng)極反應(yīng):H2=2H++2e陰極反應(yīng):1/2O2+2H++2e=H2O總的反應(yīng):H2+1/2O2=H2O4.燃料電池分類堿性燃料電池(AFC)(1)堿性燃料電池(AFC)陽(yáng)極:催化劑:Pt,燃料:氫陰極:催化劑:Ag,氧化劑:氧電解液:30%KOH隔膜:石棉膜工作溫度:60-80oC用途:航天器和潛艇的動(dòng)力源優(yōu)點(diǎn):比能量和比功率高缺點(diǎn):對(duì)CO2敏感,不宜地面使用(2)磷酸燃料電池(PAFC)磷酸燃料電池(PAFC)陽(yáng)極:催化劑:Pt,燃料:氫陰極:催化劑:Pt,氧化劑:氧電解液:98%磷酸工作溫度:200oC用途:家庭住宅能源和汽車動(dòng)力源優(yōu)點(diǎn):穩(wěn)定性好,已有商品生產(chǎn)缺點(diǎn):用貴金屬作催化劑,價(jià)格高.(3)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)陽(yáng)極:催化劑:Pt,燃料:氫陰極:催化劑:Pt,氧化劑:氧電解液:含水的質(zhì)子交換膜工作溫度:60-80oC用途:汽車和潛艇等的動(dòng)力源優(yōu)點(diǎn):比能量和比功率高,壽命長(zhǎng),應(yīng)用范圍廣缺點(diǎn):對(duì)CO敏感,價(jià)格高,800美元/千瓦,而內(nèi)燃機(jī)50美元/千瓦.氫源問(wèn)題.(4)直接甲醇燃料電池(DMFC)直接甲醇燃料電池(DMFC)陽(yáng)極:催化劑:Pt合金,燃料:氫陰極:催化劑:Pt,氧化劑:氧電解液:含硫酸的質(zhì)子交換膜工作溫度:60-80oC用途:可移動(dòng)的小型電子儀器設(shè)備動(dòng)力源優(yōu)點(diǎn):比能量高,體積小問(wèn)題:Pt對(duì)甲醇氧化電催化效率低,易被甲醇氧化中間產(chǎn)物毒化,甲醇會(huì)透過(guò)質(zhì)子交換膜.(5)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)陽(yáng)極:催化劑:Ni,燃料:氫陰極:催化劑:NiO,氧化劑:氧電解液:熔融碳酸鹽(NaCO3-LiCO3)工作溫度:600oC用途:發(fā)電站優(yōu)點(diǎn):反應(yīng)溫度高,不需貴金屬催化劑.可用含CO的燃料氣.壽命長(zhǎng).能量轉(zhuǎn)換率高,可達(dá)80%.問(wèn)題:高溫下,電解液會(huì)腐蝕電極材料.壽命2萬(wàn)小時(shí),商業(yè)上要4萬(wàn)小時(shí).(6)固體氧化物燃料電池(SOFC)固體氧化物燃料電池(SOFC)陽(yáng)極:催化劑:NiZrO2,燃料:甲烷,氫陰極:催化劑:NaCrO4等,氧化劑:氧電解液:ZrO2,CeO2等工作溫度:900oC用途:發(fā)電站優(yōu)點(diǎn):不需貴金屬催化劑.壽命長(zhǎng).可用各種燃料氣.抗中毒能力強(qiáng).能量轉(zhuǎn)換率最高,可達(dá)80%以上.問(wèn)題:高溫下,密封困難,放大困難.價(jià)格高.5.PEMFC發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀(1)世界各國(guó)對(duì)世界各國(guó)對(duì)PEMFC的重視世界各國(guó)對(duì)的重視近十年來(lái),近十年來(lái),PEMFC技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)受到技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)受到許多國(guó)家的政府和跨國(guó)大公司的極大重視,許多國(guó)家的政府和跨國(guó)大公司的極大重視,已出現(xiàn)許多PEMFC電動(dòng)車樣車.電動(dòng)車樣車.已出現(xiàn)許多電動(dòng)車樣車我國(guó)計(jì)劃,年奧運(yùn)會(huì)期間,我國(guó)計(jì)劃,到2008年奧運(yùn)會(huì)期間,將有我年奧運(yùn)會(huì)期間國(guó)生產(chǎn)的燃料電池電動(dòng)車會(huì)小批量,國(guó)生產(chǎn)的燃料電池電動(dòng)車會(huì)小批量,示范性地行駛在街頭.性地行駛在街頭.年世博會(huì)期間,輛燃料電池公交到2010年世博會(huì)期間,20輛燃料電池公交年世博會(huì)期間輛燃料電池出租車,車,300輛燃料電池出租車,1000輛電動(dòng)輛燃料電池出租車輛電動(dòng)汽車以及一批燃料電池場(chǎng)地車和郵政車都將投入運(yùn)行,屆時(shí),上海將建成5座加氫將投入運(yùn)行,屆時(shí),上海將建成座加氫站來(lái)滿足這些車輛對(duì)氫燃料的需求對(duì)氫燃料的需求.站來(lái)滿足這些車輛對(duì)氫燃料的需求.(2)PEMFC商業(yè)化的問(wèn)題商業(yè)化的問(wèn)題(a)價(jià)格問(wèn)題價(jià)格問(wèn)題美國(guó)能源部認(rèn)為,汽車用PEMFC的最終的價(jià)格達(dá)到$50-100/kW時(shí),才能有競(jìng)爭(zhēng)能力,因?yàn)楝F(xiàn)在內(nèi)燃機(jī)的價(jià)格為$50/kW左右,而現(xiàn)在PEMFC的價(jià)格在$800/kW左右.在現(xiàn)在技術(shù)的基礎(chǔ)上,即使PEMFC的產(chǎn)量為每年50萬(wàn)臺(tái),其價(jià)