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未來世界的綠色能源燃料電池

1、質子交換膜燃料電池的基本工作原理

質子交換膜燃料電池(PEMFC)的工作原理很簡單,(1)氫氣通過管道或導氣板到達陽極,在陽極催化劑作用下,氫分子解離為帶正電的氫離子(即質子)並釋放出帶負電的電子。

(2)氫離子穿過電解質(質子交換膜)到達陰極;電子則通過外電路到達陰極。電子在外電路形成電流,通過適當連接可向負載輸出電能。

(3)在電池另一端,氧氣(或空氣)通過管道或導氣板到達陰極;在陰極催化劑作用下,氧與氫離子及電子發生反應生成水。

燃料電池有多種,各種燃料電池之間的區別在於使用的電解質不同。質子交換膜燃料電池以質子交換膜為電解質,其特點是工作溫度低(約70-800C),啟動速度快,特別適於用作動力電池。電池內化學反應溫度一般不超過80度,故稱為"冷燃燒"。

2、PEMFC的優點

質子交換膜燃料電池是一種不需經過燃燒而將燃料中蘊藏的化學能直接連續地轉化為電能的發電裝置。它以氫氣為燃料,也可以附帶一個燃料重整制氫轉化器直接使用甲醇、天然氣、汽油等作燃料,隻要將燃料和空氣(或純氧)連續提供給PEMFC,就能夠連續穩定地產生電能。

質子交換膜燃料電池通過氫氧化合作用直接將化學能轉化為電能,能量轉化效率高;其副產物是純淨水,無污染物排放;無機械運動部件,運行噪聲低;發電效率受負荷變化影響小,適合於用作分散發電裝置。此外,氫是世界上最多的元素,氫氣的來源極廣,可以通過石油、天然氣重整制氫,也可利用太陽能、風能發電制氫,還可通過生物方法制氫,是一種可再生能源資源。

3、PEMFC的應用

PEMFC應用十分廣泛:可用作便攜電源、移動電源、應急電源、不間斷電源、分散型電站等,也可用於助動車、摩托車、汽車、火車、船舶等交通工具動力;三是可用作,特別是用作電站。

與集中供電方式相比,分散供電方式有較多的優點:(1)可省去電網線路及配電調度控制繫統;(2)有利於熱電聯供(由於PEMFC電站無噪聲,可以就近安裝,PEMFC發電所產生的熱可以進入供熱繫統),可使燃料總利用率高達80%以上;(3)受戰爭和自然災害等的影響比較小;(4)通過天然氣、煤氣重整制氫,使得可利用現有天然氣、煤氣供氣繫統等基礎設施為PEMFC提供燃料;(5)通過生物制氫、太陽能、風能電解制氫方法則可形成可再生循環利用繫統,使繫統建設成本和運行成本大大降低。因此,PEMFC電站的經濟性和環保性均很好。國際上普遍認為,隨著PEMFC的推廣應用,發展分散型電站將是一個趨勢。

PEMFC的另一項潛力巨大的應用是用作新一代交通工具(特別是電動車)的動力。由於汽車是造成能源消耗和環境污染的首要原因,因此,世界各大汽車集團競相投入巨資,研究開發電動汽車和代用燃料汽車。從目前發展情況看,PEMFC是技術最成熟的電動車動力源,被業內公認為是電動車的未來發展方向。PEMFC可以實現零排放。

4、PEMFC的重要意義

第一代動力繫統蒸汽機和第二代動力繫統內燃機消耗了大量不可再生的自然能源資源,且造成了嚴重的環境污染。人類社會的可持續發展問題正面臨嚴峻挑戰。根據國際能源機構預測,隨著經濟的發展、社會的進步和人口的增長,全世界的能量消耗在今後二十年至少增加一倍。如果沒有新型的能源動力,世界將從目前的能源短缺很快走向能源枯竭。為解決經濟發展與能源短缺及環境污染之間日益加劇的矛盾,發展清潔、高效的新能源技術和動力繫統已經成了十分緊迫的任務。鋻於現代經濟發展與國家安全對能源的依賴性較強,因此,能源安全問題日益受到各國的重視。

PEMFC是具有能源革命意義的新一代能源動力繫統。由於PEMFC對解決"能源"與"環保"這兩大世界難題以及人類社會可持續發展有重要意義,國際能源界預測:21世紀人類社會將告別化石能源時代而進入氫能經濟時代。此外:PEMFC應用前景廣闊,市場潛力巨大,對產業結構調整和技術升級也有重要意義。

鋻於其重要性,燃料電池已經被美國列為使美國保持經濟繁榮和國家安全而必須發展的27項關鍵技術之一;並被美國、加拿大等發達國家認定為21世紀首選的清潔能源繫統;還被美國《時代周刊》評為21世紀對人類生活有重要影響的十大技術之一。

值得一提的是:早在130多年前,儒勒.凡爾納就指出:"Water is the coal of the future(水是未來的煤)",他還進一步指出:"首先,我們必須能夠成功地利用構成水的元素--氫和氧。這是多麼地具有真知灼見。

5、PEMFC發展概況

燃料電池的工作過程實際上是電解水的逆過程,其基本原理早在1839年由英國律師兼物理學家威廉.羅泊特.格魯夫(William Robert Grove)提出,他是世界上第一位實現電解逆反應並產生電流的科學家。一個半世紀以來,燃料電池除了從1960年代被用於宇航等特殊領域外,極少受到人們關注。隻是到近十年來,隨著環境保護、節約能源、保護有限自然資源的意識的加強,燃料電池開始得到重視和發展。

PEMFC研究開發領域的權威機構是加拿大的Ballard能源繫統公司。從1989年起,該公司經過近十年的研究開發,成功地研制出了多種繫列的PEMFC。1994年以來,Ballard公司先後與奔馳、大眾、通用、福特、豐田、日產等著名汽車公司合作,開發出多種PEMFC汽車。從1997年起,Ballard公司與奔馳、福特等公司共同投資建立了PEMFC發動機公司,在溫哥華和多倫多,年產20萬臺電動車發動機的兩個生產企業已在建設之中,計劃2003年把PEMFC電動車正式推向市場。Ballard公司還與美國、法國的大型供電公司共同投資組建了合資企業,生產250KW級分散型PEMFC電站設備。這些公司的建立標志著PEMFC氫能源繫統已經走出實驗室,進入了加速產業化的階段。在美國,H-Power,Plug-Power公司生產的5-10KW PEMFC小型電站即將投放市場,這種電站適於家庭住宅使用,或用作後備電源或應急電源。

除美國、加拿大外,日本、德國、意大利、英國、俄羅斯等國以及一些著名跨國企業也加入了研制PEMFC繫統和PEMFC電動車的行列。在我國,PEMFC和電動車被列為"九五"國家科技攻關項目,最近,"氫能的規模制備、儲運及相關燃料電池的基礎研究"已入選2000年"國家重點基礎研究項目",PEMFC電動車也已被列為國家"十五"期間重大科技攻關"863"專項。

      |科教衛新聞|未來世界的綠色能源燃料電池(24日 00:42) |國際新聞|美新政府將履行美朝核框架協議(24日 00:41)




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