新能源材料論文

氫能與質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵字：燃料、新能源、燃料電池、PEMFC摘要：為解決能源短缺、環(huán)境污染等問題，開發(fā)清潔、高效的新能源和可再生能源已十分緊迫。氫能因燃燒熱值高、污染小、資源豐富成為新能源的對象，氫燃料電池作為氫能利用的有效手段oPEMFC發(fā)電機(jī)由本體及其附屬系統(tǒng)構(gòu)成。本體結(jié)構(gòu)除上述核心單元外，還包括單體電池層疊時為防止汽、水泄漏而設(shè)置的密封件，以及壓緊各單體電池所需的緊固件等。附屬系統(tǒng)包括：燃料及氧化劑貯存及其循環(huán)單元，電池濕度、溫度調(diào)節(jié)單元，功率變換單元及系統(tǒng)控制單元oPEMFC發(fā)電機(jī)的諸多優(yōu)越性能，使其在航空航天及超級移動設(shè)備、水下潛艇、軍事工程、通訊工程、車輛動力電源。內(nèi)容：石油是不可再生的能源，其儲藏量和可開采量資源正面臨枯竭。如今人類社會高度依賴于石油工業(yè)，包括汽車在內(nèi)的各個行業(yè)的發(fā)展都離不開石油工業(yè)。地球上的石油到底還能供人類用多久？據(jù)美國石油業(yè)協(xié)會估計，地球上尚未開采的原油儲藏量已不足兩萬億桶，可供人類開采不超過95年的時間。在2050年到來之前，世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展將越來越多地依賴煤炭。其后在2250到2500年之間，煤炭也將消耗殆盡，礦物燃料供應(yīng)枯竭。中國已經(jīng)超過日本成為世界第二大汽車市場。但在中國汽車市場領(lǐng)跑全球汽車市場榮耀的背后，是中國過快消耗著祖先留下的資源。面對即將到來的能源危機(jī)，中國的汽車產(chǎn)業(yè)路在何方，路只有一條：使用新能源，也只有使用新的替代能源，汽車產(chǎn)業(yè)才能持續(xù)發(fā)展。實施替代能源戰(zhàn)略，有助于我國汽車逐漸擺脫對原油的依賴，從能源安全的角度看，無疑是非常必要的中國石油資源不及世界人均水平的1/6,從1993年開始，中國成為石油凈進(jìn)口國，供需矛盾日益突出。2004年中國石油消費量達(dá)到了2.92億噸，進(jìn)口原油1.23億噸。其中，車用燃油消耗已經(jīng)達(dá)到了中國石油消費量的1/3左右。此后石油進(jìn)口仍呈上升趨勢，進(jìn)口量約占使用量的20%左右，預(yù)計到2010年前后將達(dá)到40%，車用汽油年消耗量為6400萬噸。面對人類即將消耗完需幾百萬年才形成的石油資源所引發(fā)的即將到來的能源危機(jī)，中國及全世界必須認(rèn)識到要采取開源節(jié)流的戰(zhàn)略，即一方面節(jié)約能源，另一方面開發(fā)新能源。為解決能源短缺、環(huán)境污染等問題，開發(fā)清潔、高效的新能源和可再生能源已十分緊迫。氫能因燃燒熱值高、污染小、資源豐富成為新能源的對象，氫燃料電池作為氫能利用的有效手段，已被美國《時代》周刊評為21世紀(jì)有重要影響的十大技術(shù)之一燃料電池本質(zhì)是水電解的“逆”裝置，主要由3部分組成，即陽極、陰極、電解質(zhì)，如圖1。其陽極為氫電極，陰極為氧電極。通常，陽極和陰極上都含有一定量的催化劑，用來加速電極上發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)。兩極之間是電解質(zhì)。ELi.門I』土_口圖I燃料胞池基本單元的組成示贏圖以質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)為例，其工作原理如下：氫氣通過管道或?qū)獍宓竭_(dá)陽極；在陽極催化劑的作用下，1個氫分子解離為2個氫質(zhì)子，并釋放出2個電子，陽極反應(yīng)為：H2—2H++2e。在電池的另一端，氧氣(或空氣)通過管道或?qū)獍宓竭_(dá)陰極，在陰極催化劑的作用下，氧分子和氫離子與通過外電路到達(dá)陰極的電子發(fā)生反應(yīng)生成水，陰極反應(yīng)為：1/2O2+2H++2e-H2O總的化學(xué)反應(yīng)為：H2+1/2O2=H2O燃料電池種類較多，PEMFC以其工作溫度低、啟動快、能量密度高、壽命長等優(yōu)點特別適宜作為便攜式電源、機(jī)動車電源和中、小型發(fā)電系統(tǒng)。PEMFC發(fā)電機(jī)由本體及其附屬系統(tǒng)構(gòu)成。本體結(jié)構(gòu)除上述核心單元外，還包括單體電池層疊時為防止汽、水泄漏而設(shè)置的密封件，以及壓緊各單體電池所需的緊固件等。附屬系統(tǒng)包括：燃料及氧化劑貯存及其循環(huán)單元，電池濕度、溫度調(diào)節(jié)單元，功率變換單元及系統(tǒng)控制單元。圖2是一個典型的PEMFC發(fā)電系統(tǒng)示意圖。號一華電拴古?:寓|'L拴古?:寓|'L沮度.，溟.婦—近三活Ti.TE-：K.n"-I：T,'.圍2PEMFC：發(fā)電系統(tǒng)示芨圖電子在外電路形成直流電。因此，只要源源不斷地向燃料電池陽極和陰極供給氫氣和氧氣，就可以向外電路的負(fù)載連續(xù)地輸出電能PEMFC作為移動式電源的應(yīng)用領(lǐng)域分為兩大類：一是可用作便攜式電源、小型移動電源、車載電源等。適用于軍事、通訊、計算機(jī)等領(lǐng)域，以滿足應(yīng)急供電和高可靠性、高穩(wěn)定性供電的需要。實際應(yīng)用是手機(jī)電池、筆記本電腦等便攜電子設(shè)備、軍用背負(fù)式通訊電源、衛(wèi)星通訊車載電源等。二是用作自行車、摩托車、汽車等交通工具的動力電源，以滿足環(huán)保對車輛排放的要求。從目前發(fā)展情況看，PEMFC是技術(shù)最成熟的電動車動力電源。國際上，PEMFC研究開發(fā)領(lǐng)域的權(quán)威機(jī)構(gòu)是加拿大Ballard能源系統(tǒng)公司。美國H-Power公司于1996年研制出世界上第一輛以PEMFC發(fā)電機(jī)為動力源的大巴士。近年來，我國對燃料電池電動車的研發(fā)也極為重視，被列入國家重點科技攻關(guān)計劃。上海神力公司、富原燃料電池有限公司、清華大學(xué)、中科院大連化物所已分別研制出游覽觀光車、中巴車樣車，其性能接近或達(dá)到國際先進(jìn)水平。PEMFC除適用于作為交通電源外，也非常適合用于固定式電源。既可與電網(wǎng)系統(tǒng)互聯(lián)，用于調(diào)峰；也可作為獨立電源，用作海島、山區(qū)、邊遠(yuǎn)地區(qū)、或作為國防（人防）發(fā)供電系統(tǒng)電源。采用多臺PEMFC發(fā)電機(jī)聯(lián)網(wǎng)還可構(gòu)成分散式供電系統(tǒng)。分散式供電系統(tǒng)有很多優(yōu)點：①可省去電網(wǎng)線路及配電調(diào)度控制系統(tǒng)；②有利于熱電聯(lián)供（由于PEMFC電站無噪聲，可就近安裝，PEMFC發(fā)電所產(chǎn)生的熱可進(jìn)入供熱系統(tǒng)），可使燃料總利用率高達(dá)80%以上；③受戰(zhàn)爭和自然災(zāi)害等影響比較小，尤其適宜于現(xiàn)代戰(zhàn)爭條件下的主動防護(hù)需要；④通過天燃?xì)狻⒚簹庵卣茪?，可利用現(xiàn)有天燃?xì)狻⒚簹夤庀到y(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施PEMFC提供燃料；通過再生能源制氫（電解水制氫、太陽能電解制氫、生物制氫）則可形成循環(huán)利用系統(tǒng)（這種循環(huán)系統(tǒng)特別適用于邊遠(yuǎn)地區(qū)、人所），使系統(tǒng)建設(shè)成本和運(yùn)行成本降低。國際上普遍認(rèn)為，隨著燃料電池的推廣應(yīng)用，發(fā)展分散型電站將是一個趨勢。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展及其在軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，以數(shù)字化技術(shù)為核心的新興信息技術(shù)將滲透到戰(zhàn)場的各個領(lǐng)域，從偵察、監(jiān)視到預(yù)警，從通信、指揮到控制，從武器裝備的自動化、精確制導(dǎo)和智能化到各種電子戰(zhàn)手段，信息技術(shù)裝備已經(jīng)成為覆蓋整個戰(zhàn)場的、決定戰(zhàn)爭勝負(fù)的重要因素，它不僅構(gòu)成總體作戰(zhàn)的“神經(jīng)系統(tǒng)”而且成為總體作戰(zhàn)能力的“倍增器”。電源作為信息技術(shù)裝備的命脈，能否連續(xù)、可靠、安全、靈活地供電是至關(guān)重要的，它是信息技術(shù)裝備密不可分的一部分。由于PEMFC發(fā)電機(jī)工作溫度低，紅外輻射少，無震動，沒有噪音，因此特別適合用作為現(xiàn)代軍用電源。1998年8月，美國國防部在向國會國防委員會呈遞的報告中指出：移動電力是永久性防御設(shè)施最基本的五大要素之一；燃料電池發(fā)電技術(shù)替代常規(guī)發(fā)電裝置的迅速演變，給未來發(fā)電系統(tǒng)采用氫氣作為主燃料開辟了道路；由于能量轉(zhuǎn)換效率（超過60%）很高，操作維護(hù)極為簡單，燃料電池發(fā)電機(jī)使氫能源作為主燃料的應(yīng)用極為可靠而高效。因此，把作戰(zhàn)燃料改為氫，將獲得更加高效可靠的發(fā)電系統(tǒng)、更低的排放、更低的噪音、極大地減小熱輻射和紅外成像，便于偽裝和隱蔽作戰(zhàn)。PEMFC發(fā)電機(jī)的諸多優(yōu)越性能，使其在航空航天及超級移動設(shè)備、水下潛艇、軍事工程、通訊工程、車輛動力電源、單兵和部（分）隊便攜電源、邊遠(yuǎn)地區(qū)、海防哨所以及人防工程中都具有極好的應(yīng)用前景。早在1960年代，美國航空航天局（NASA）就與通用電氣公司（GE）聯(lián)合開發(fā)PEMFC發(fā)電機(jī)，并多次用于雙子星座衛(wèi)星計劃的飛行，特別是1968年采用Nafion膜后在發(fā)射的生物衛(wèi)星上使用PEMFC發(fā)電機(jī)，其壽命在實驗室已達(dá)57000h。后來，NASA又與Hamilton標(biāo)準(zhǔn)公司合作研制RFC（再生燃料電池）系統(tǒng)，目的是配合太陽能發(fā)電系統(tǒng)組成用于火星探測飛行器或月球基地的動力電源（太陽能電解水裝置功率35kW，PEMFC發(fā)電機(jī)功率25kW）。美國空軍也與Treadwell公司簽訂協(xié)議研究用于衛(wèi)星的RFC系統(tǒng)（PEMFC功率12kW，電壓28V）。在超級移動裝備（EMU）應(yīng)用方面，NASA與EPSI公司合作開發(fā)采用金屬氫化物儲氫的200Wh和1500Wh能量的PEMFC系統(tǒng)，以替代現(xiàn)有裝備中采用的可充電電池，可有效提高能量儲存密度和一次性充能能量以及循環(huán)壽命、充能速度。PEMFC在軍事領(lǐng)域的一個重大用途是作為海軍艦艇的動力電源。PEMFC發(fā)電機(jī)作為潛艇不依賴于空氣的推進(jìn)動力（AIP）源與斯特林發(fā)動機(jī)和閉式循環(huán)柴油機(jī)相比，具有效率高、噪音低和紅外輻射小等優(yōu)點，在攜帶相同重量或體積的燃料氣時，潛艇續(xù)航能力最強(qiáng)（大約為斯特林發(fā)動機(jī)的2倍），且沒有污染，因此PEMFC是潛艇AIP系統(tǒng)的最佳選擇。德國從1980年（也是世界上最早）開始研究基于PEMFC發(fā)電機(jī)的潛艇，目前德國已能生產(chǎn)212、214型號的基于PEMFC發(fā)電機(jī)的潛艇。而美國海軍與AP公司合作開始研制以柴油重整制氫為氫源的PEMFC發(fā)電機(jī)，還與Treadwell公司合作設(shè)計并制造了用于水下探測器的PEMFC電源。PEMFC的諸多優(yōu)點，使其在重要的民用設(shè)施如智能大廈、醫(yī)院、賓館等以及國防（人防）領(lǐng)域都具有極好的應(yīng)用前景。目前這些地方的供電系統(tǒng)均采用以外電為主、柴油發(fā)電機(jī)組為輔的供電方式。當(dāng)外電毀壞啟用柴油發(fā)電機(jī)組時，由于柴油發(fā)電機(jī)組存在煙氣排放，隱蔽性差、震動大、噪音高、環(huán)保性能差等許多缺點，更不適合在未來高科技戰(zhàn)爭中使用。因此，研究基于PEMFC的發(fā)電系統(tǒng)可有效利用氫能實現(xiàn)環(huán)保，對民