新能源與化工概論

　　能源問題是當今社會發展所面臨的重要問題，節能減碳已成為當前工業生產企業的重要任務。以物質為載體的能量轉化與轉移過程，很多都以化學化工知識為基礎。

　　當今能源化工技術的特點是多學科交叉、多種新技術應用所形成的全方位的研究體系。本書主要涉及現代能源中的化學與化工問題，從化學與化工學科的視角對現代能源的開發與利用做較全面的介紹和剖析，探討化學與化工在現代能源中交叉滲透的情況，並針對能源中的化學化工問題作有系統的闡釋。

本書特色

　　可作為化學工程與製程方法、應用化學、輕化工程等本科專業的教材，也可作為相關企業、技術部門工程技術人員的參考書籍。

校訂者簡介

馬振基

　　現任：國立清華大學化工系講座教授

　　學歷：
　　國立成功大學化工學士（1969）
　　美國北卡羅萊納州立大學化工碩士（1975）
　　美國北卡羅萊納州立大學化工博士（1978）

　　經歷：
　　美國孟山都公司（Monsanto Co.）
　　資深工程師（1977~1979）
　　美國洛式公司（Lord Corp.）
　　資深研究員（1979~1980）
　　美國飛利浦石油公司（Phillips Petroleum Co.）
　　高級材料工程師（1980~1984）
　　國科會及國立清華大學化工所客座專家（1984~1986）
　　經濟部科技顧問室及技術處顧問（1990~1998）
　　國科會工程中心專利研究員（1991~2006）
　　國科會科技權益委員會委員（1995~2006）
　　國立清華大學研發處副研發長（2000~2002）
　　教育部科技顧問室顧問及領域召集人（2001~2006）
　　財團法人自強工業科學基金會執行長（2003~2006）
　　國立清華大學講座教授(2009~迄今)

前　言i

第一章 緒　論 001
1.1 能量與能源 003
1.1.1 能量及其形式 003
1.1.2 能源及其種類 005
1.2 能源與化工 007
1.3 能源化工現狀與前景 010

第二章 能量的相互轉化原理 013
2.1 熱力學基礎 014
2.1.1 能量守恆原理 014
2.1.2 能量轉化的限度 019
2.1.3 能量轉化的推動力 023
2.2 化學能 029
2.2.1 化學能的本質 029
2.2.2 化學能的釋放 034
2.2.3 化學能轉化的限度 038
2.3 熱能向化學能的轉化 042
2.3.1 化學熱管 043
2.3.2 化學熱泵 045
2.4 光能向化學能的轉化 047
2.4.1 概述 047
2.4.2 光合作用 051
2.4.3 生物質能 052
2.5 能的變換 056
2.6 有效能 061
2.6.1 有效能的概念及有效能的損耗 061
2.6.2 物理有效能與化學有效能 069
2.6.3 工業製程的有效能分析 078

第三章 太陽能 083
3.1 概述 084
3.2 太陽能熱利用 084
3.2.1 基本原理 085
3.2.2 太陽能熱利用系統 089
3.3 太陽能光電轉換技術 093
3.3.1 晶體矽太陽能電池 095
3.3.2 非晶矽太陽能電池 108
3.3.3 化合物半導體太陽能電池 121
3.3.4 奈米晶化學太陽能電池 123
3.4 太陽能化學能轉化技術 129
3.4.1 光合作用 129
3.4.2 光化學作用、光催化水解製氫 133
3.4.3 太陽能、高溫熱化學反應 135

第四章 生物質能源 139
4.1 概述 140
4.1.1 生物質 140
4.1.2 生物質能 140
4.1.3 生物質的組成與結構 141
4.1.4 生物質轉化利用技術 145
4.2 生物質氣化 149
4.2.1 生物質氣化及其特點 149
4.2.2 生物質氣化原理 152
4.2.3 生物質氣化製程方法 154
4.2.4 生物質氣化發電技術 159
4.3 生物質熱解技術 162
4.3.1 生物質熱解及其特點 162
4.3.2 生物質熱解原理 163
4.3.3 生物質熱解製程方法 167
4.3.4 生物質熱解產物及應用 173
4.4 生物質直接液化 176
4.4.1 生物質直接液化及其特點 176
4.4.2 生物質直接液化製程方法 176
4.4.3 生物質直接液化產物及應用 184
4.5 生物燃料乙醇 186
4.5.1 生物燃料乙醇及其特點 186
4.5.2 澱粉質原料製備生物燃料乙醇 187
4.5.3 乙醇發酵製程方法 189
4.5.4 纖維質原料製備生物燃料乙醇 191
4.5.5 生物燃料乙醇的應用 196
4.6 生物柴油 197
4.6.1 生物柴油及其特點 197
4.6.2 化學法轉酯化製備生物柴油 199
4.6.3 生物催化法生產生物柴油 207
4.6.4 超臨界法製備生物柴油 210
4.6.5 生物柴油的應用 212
4.7 沼氣技術 215
4.7.1 沼氣的成分和性質 215
4.7.2 沼氣發酵微生物學原理 216
4.7.3 大中型沼氣工程 220
4.7.4 沼氣發酵的綜合利用 229

第五章 風　能 235
5.1 風能資源 236
5.1.1 風能資源分佈的一般規律 236
5.1.2 風能資源的特性 238
5.1.3 中國風能資源 240
5.2 風能利用原理 242
5.2.1 風力機簡介 242
5.2.2 風力機工作原理 242
5.3 風力發電 245
5.3.1 關鍵設備及工作原理 246
5.3.2 離網風力發電 253
5.3.3 併網風力發電 254
5.4 風力發電設備中的材料 255
5.4.1 風力發電的葉片材料 255
5.4.2 風電設備的鑄件材料 258
5.4.3 風力發電機塔架的防腐材料 259
5.4.4 風力發電機塔架的質量要求 260

第六章 氫　能 263
6.1 氫的應用 264
6.2 氫的製取 265
6.2.1 天然氣製氫 266
6.2.2 煤製氫 275
6.2.3 水電解製氫 276
6.2.4 生物質製氫 283
6.2.5 太陽能製氫 289
6.2.6 核能製氫 295
6.2.7 等離子體化學法製氫 297
6.3 氫的儲存 305
6.3.1 高壓氣態儲氫 305
6.3.2 冷液化儲氫 305
6.3.3 金屬氫化物儲氫 306
6.3.4 碳質材料儲氫 315
6.3.5 金屬有機結構化合物儲氫 320
6.3.6 有機液體儲氫 324

第七章 燃料電池 331
7.1 概述 332
7.2 燃料電池的一般原理 335
7.3 質子交換膜燃料電池 336
7.3.1 PEMFC的工作原理與結構 337
7.3.2 PEMFC的質子交換膜 339
7.3.3 PEMFC的催化劑 341
7.4 直接甲醇燃料電池 347
7.4.1 DMFC工作原理和基本結構 348
7.4.2 DMFC的分類 350
7.4.3 DMFC的研究進展及存在問題 352
7.4.4 DMFC陽極催化劑的研究進展 359
7.4.5 DMFC陰極催化劑的研究進展 361
7.4.6 催化劑的主要製備方法 365
7.4.7 DMFC膜電極集合體（MEA）的研究進展 366
7.4.8 陰極水管理研究 379
7.5 微生物燃料電池 380
7.5.1 微生物燃料電池的定義與分類 381
7.5.2 MFC的特點 386
7.5.3 MFC的研究歷史 387
7.5.4 MFC的現有改進技術 390
7.5.5 MFC的發展趨勢 391
7.5.6 MFC的應用前景 392

第八章 其他新型能源 407
8.1 其他新型能源的概念與分類 408
8.2 地熱能 409
8.2.1 概述 409
8.2.2 地球的內部構造 410
8.2.3 地熱能的來源 411
8.2.4 地熱資源 413
8.2.5 地熱能的利用 424
8.2.6 地熱能利用的限制因素 437
8.2.7 中國地熱能發展現狀和發展趨勢 439
8.3 天然氣水合物（可燃冰） 441
8.3.1 可燃冰資源及其特點 443
8.3.2 國際上天然氣水合物的勘探和開發動態 445
8.3.3 中國的相關活動和資源量估計 449
8.3.4 可燃冰的開採技術現狀 450
8.3.5 天然氣水合物的研究現狀與利用趨勢 451
8.4 核能 453
8.4.1 概述 453
8.4.2 原子核子物理基礎 454
8.4.3 商用核電技術 459
8.4.4 核能的新紀元 464
8.4.5 未來的新型核能 470
8.5 海洋能 476
8.5.1 潮汐能及其開發利用 477
8.5.2 波浪能及其開發利用 479
8.5.3 海流能及其開發利用 480
8.5.4 海洋溫差能及其開發利用 481
8.5.5 海洋鹽度差能及其開發利用 483