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(wèn)題，開(kāi)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(duì)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(shí)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(jí)移動(dòng)設(shè)備、水下潛艇、軍事工程、通訊工程、車(chē)輛動(dòng)力電源。內(nèi)容：石油是不可再生的能源，其儲(chǔ)藏量和可開(kāi)采量資源正面臨枯竭。如今人類(lèi)社會(huì)高度依賴(lài)于石油工業(yè)，包括汽車(chē)在內(nèi)的各個(gè)行業(yè)的發(fā)展都離不開(kāi)石油工業(yè)。地球上的石油到底還能供人類(lèi)用多久？據(jù)美國(guó)石油業(yè)協(xié)會(huì)估計(jì)，地球上尚未開(kāi)采的原油儲(chǔ)藏量已不足兩萬(wàn)億桶，可供人類(lèi)開(kāi)采不超過(guò)95年的時(shí)間。在2050年到來(lái)之前，世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展將越來(lái)越多地依賴(lài)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(guó)已經(jīng)超過(guò)日本成為世界第二大汽車(chē)市場(chǎng)。但在中國(guó)汽車(chē)市場(chǎng)領(lǐng)跑全球汽車(chē)市場(chǎng)榮耀的背后，是中國(guó)過(guò)快消耗著祖先留下的資源。面對(duì)即將到來(lái)的能源危機(jī)，中國(guó)的汽車(chē)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(chē)產(chǎn)業(yè)才能持續(xù)發(fā)展。實(shí)施替代能源戰(zhàn)略，有助于我國(guó)汽車(chē)逐漸擺脫對(duì)原油的依賴(lài)，從能源安全的角度看，無(wú)疑是非常必要的中國(guó)石油資源不及世界人均水平的1/6,從1993年開(kāi)始，中國(guó)成為石油凈進(jìn)口國(guó)，供需矛盾日益突出。2004年中國(guó)石油消費(fèi)量達(dá)到了2.92億噸，進(jìn)口原油1.23億噸。其中，車(chē)用燃油消耗已經(jīng)達(dá)到了中國(guó)石油消費(fèi)量的1/3左右。此后石油進(jìn)口仍呈上升趨勢(shì)，進(jìn)口量約占使用量的20%左右，預(yù)計(jì)到2010年前后將達(dá)到40%，車(chē)用汽油年消耗量為6400萬(wàn)噸。面對(duì)人類(lèi)即將消耗完需幾百萬(wàn)年才形成的石油資源所引發(fā)的即將到來(lái)的能源危機(jī)，中國(guó)及全世界必須認(rèn)識(shí)到要采取開(kāi)源節(jié)流的戰(zhàn)略，即一方面節(jié)約能源，另一方面開(kāi)發(fā)新能源。為解決能源短缺、環(huán)境污染等問(wèn)題，開(kāi)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(duì)象，氫燃料電池作為氫能利用的有效手段，已被美國(guó)《時(shí)代》周刊評(píng)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(yáng)極、陰極、電解質(zhì)，如圖1。其陽(yáng)極為氫電極，陰極為氧電極。通常，陽(yáng)極和陰極上都含有一定量的催化劑，用來(lái)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(mén)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(guò)管道或?qū)獍宓竭_(dá)陽(yáng)極；在陽(yáng)極催化劑的作用下，1個(gè)氫分子解離為2個(gè)氫質(zhì)子，并釋放出2個(gè)電子，陽(yáng)極反應(yīng)為：H2—2H++2e。在電池的另一端，氧氣(或空氣)通過(guò)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(guò)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(lèi)較多，PEMFC以其工作溫度低、啟動(dòng)快、能量密度高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)特別適宜作為便攜式電源、機(jī)動(dòng)車(chē)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(shí)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(gè)典型的PEMFC發(fā)電系統(tǒng)示意圖。號(hào)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(yáng)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(dòng)式電源的應(yīng)用領(lǐng)域分為兩大類(lèi)：一是可用作便攜式電源、小型移動(dòng)電源、車(chē)載電源等。適用于軍事、通訊、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域，以滿(mǎn)足應(yīng)急供電和高可靠性、高穩(wěn)定性供電的需要。實(shí)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(chē)載電源等。二是用作自行車(chē)、摩托車(chē)、汽車(chē)等交通工具的動(dòng)力電源，以滿(mǎn)足環(huán)保對(duì)車(chē)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(dòng)車(chē)動(dòng)力電源。國(guó)際上，PEMFC研究開(kāi)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(guó)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(dòng)力源的大巴士。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)燃料電池電動(dòng)車(chē)的研發(fā)也極為重視，被列入國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)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(chē)、中巴車(chē)樣車(chē)，其性能接近或達(dá)到國(guó)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(dú)立電源，用作海島、山區(qū)、邊遠(yuǎn)地區(qū)、或作為國(guó)防（人防）發(fā)供電系統(tǒng)電源。采用多臺(tái)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(diǎn)：①可省去電網(wǎng)線(xiàn)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(wú)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(zhēng)和自然災(zāi)害等影響比較小，尤其適宜于現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)條件下的主動(dòng)防護(hù)需要；④通過(guò)天燃?xì)狻⒚簹庵卣茪?，可利用現(xiàn)有天燃?xì)?、煤氣供氣系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施PEMFC提供燃料；通過(guò)再生能源制氫（電解水制氫、太陽(yáng)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(guó)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(gè)趨勢(shì)。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(chǎng)的各個(gè)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(dòng)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(gè)戰(zhàn)場(chǎng)的、決定戰(zhàn)爭(zhēng)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(wú)震動(dòng)，沒(méi)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(guó)國(guó)防部在向國(guó)會(huì)國(guó)防委員會(huì)呈遞的報(bào)告中指出：移動(dòng)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(lái)發(fā)電系統(tǒng)采用氫氣作為主燃料開(kāi)辟了道路；由于能量轉(zhuǎn)換效率（超過(guò)60%）很高，操作維護(hù)極為簡(jiǎn)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(jí)移動(dòng)設(shè)備、水下潛艇、軍事工程、通訊工程、車(chē)輛動(dòng)力電源、單兵和部（分）隊(duì)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(guó)航空航天局（NASA）就與通用電氣公司（GE）聯(lián)合開(kāi)發(fā)PEMFC發(fā)電機(jī)，并多次用于雙子星座衛(wèi)星計(jì)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(shí)驗(yàn)室已達(dá)57000h。后來(lái)，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(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)組成用于火星探測(cè)飛行器或月球基地的動(dòng)力電源（太陽(yáng)能電解水裝置功率35kW，PEMFC發(fā)電機(jī)功率25kW）。美國(guó)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(jí)移動(dòng)裝備（EMU）應(yīng)用方面，NASA與EPSI公司合作開(kāi)發(fā)采用金屬氫化物儲(chǔ)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?jī)?chǔ)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(gè)重大用途是作為海軍艦艇的動(dòng)力電源。PEMFC發(fā)電機(jī)作為潛艇不依賴(lài)于空氣的推進(jìn)動(dòng)力（AIP）源與斯特林發(fā)動(dòng)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(diǎn)，在攜帶相同重量或體積的燃料氣時(shí)，潛艇續(xù)航能力最強(qiáng)（大約為斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的2倍），且沒(méi)有污染，因此PEMFC是潛艇AIP系統(tǒng)的最佳選擇。德國(guó)從1980年（也是世界上最早）開(kāi)始研究基于PEMFC發(fā)電機(jī)的潛艇，目前德國(guó)已能生產(chǎn)212、214型號(hào)的基于PEMFC發(fā)電機(jī)的潛艇。而美國(guó)海軍與AP公司合作開(kāi)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(jì)并制造了用于水下探測(cè)器的PEMFC電源。PEMFC的諸多優(yōu)點(diǎn)，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(guó)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(shí)，由于柴油發(fā)電機(jī)組存在煙氣排放，隱蔽性差、震動(dòng)大、噪音高、環(huán)保性能差等許多缺點(diǎn)，更不適合在未來(lái)高科技戰(zhàn)爭(zhēng)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(shí)現(xiàn)環(huán)保，對(duì)民