燃料電池的發(fā)展及其應(yīng)用
慧聰網(wǎng) 電動(dòng)車商情網(wǎng) 俠名 電動(dòng)車維修 2004-6-30
| 燃料電池經(jīng)過165年的漫長(zhǎng)發(fā)展歷程，已從實(shí)驗(yàn)室走向宇航尖端領(lǐng)域，走向民用，逐步形成產(chǎn)業(yè)化、商品化，為新世紀(jì)汽車業(yè)的大發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。燃料電池汽車將引發(fā)21世紀(jì)新能源與環(huán)保的綠色革命，已經(jīng)成為國(guó)際汽車業(yè)高技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中的熱點(diǎn)和奪取未來(Futura)市場(chǎng)(Rialto)的殺手锏，這是現(xiàn)代汽車發(fā)展的新動(dòng)向和必然趨勢(shì)。本文較為詳細(xì)地介紹了燃燒電池的優(yōu)點(diǎn)、發(fā)展簡(jiǎn)史、發(fā)展前景及其在汽車上的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：燃料電池 應(yīng)用 縱觀世界(Mondi)，燃料電池汽車即將以其“清潔、安靜、微笑”的形象駛?cè)?1世紀(jì)，而成為新世紀(jì)的機(jī)動(dòng)車明星(Stellar)和人們夢(mèng)寐以求的理想交通工具之一，這是現(xiàn)代汽車發(fā)展的新動(dòng)向和必然趨勢(shì)。 自從電動(dòng)汽車誕生的那天起，鉛酸電池就一直統(tǒng)治了電動(dòng)汽車動(dòng)力源的大好江山，但是由于鉛酸蓄電池儲(chǔ)存能量少，報(bào)廢后的酸液和重金屬鉛嚴(yán)重污染環(huán)境，所以開發(fā)清潔無污染、高效率、長(zhǎng)壽命的新能源已經(jīng)成為世界(Mondi)汽車業(yè)的重要責(zé)任，燃料電池就是最被看好的一種新型鉛酸電池替代品。 一、何為燃料電池 燃料電池是一種不經(jīng)過燃燒而以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料的化學(xué)能直接變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置，亦即通過氧與氫結(jié)合成水的簡(jiǎn)單電化學(xué)反應(yīng)而發(fā)電。它的種類可以多種多樣，但都基于一個(gè)基本的設(shè)計(jì)，即它們都含有二個(gè)電極，一個(gè)負(fù)陽極和一個(gè)正陰極。這二個(gè)電極被一個(gè)位于它們之間的、攜帶有充電電荷的固態(tài)或液態(tài)電解質(zhì)分開。電極上的催化劑（如白金），常用來加速電化學(xué)反應(yīng)。只要向燃料電池不斷供給燃料，就可以在電極上連續(xù)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，并產(chǎn)生電流。單個(gè)燃料電池塊的電壓小于1V，因而要將多個(gè)燃料電池組合在一起，制成電池堆，并根據(jù)電壓和電流的需要將電池堆進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)，以產(chǎn)生足夠的電力。 二、燃料電池的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)及發(fā)展前景 燃料的電池具有傳統(tǒng)鉛酸電池?zé)o可比擬的獨(dú)特優(yōu)越性，高效率、無污染、低噪聲、建設(shè)周期短、易維護(hù)以及成本低是其誘人特點(diǎn)。 首先是它的高效率。從理論上講，燃料電池可將燃料能量的90%轉(zhuǎn)化為可利用的電和熱。實(shí)際上，直接甲醇燃料電池的發(fā)電效率已經(jīng)達(dá)到40%，磷酸燃料的電池的發(fā)電效率接近46%；熔融碳酸鹽燃料電池的發(fā)電效率也超過60%；固體氧化物燃料電池與汽輪發(fā)電機(jī)聯(lián)合使用，其效率更高，能達(dá)到70%。如此高的發(fā)電效率可以說是史無前例的。 其二，具有良好的環(huán)保效益。近年來，隨著世界(Mondi)汽車的生產(chǎn)量和保有量的急劇增加，其排放污染物占大氣污染物的50%以上，其中CO、HC、NOX和揮發(fā)性有機(jī)物是影響空氣質(zhì)量的主要?dú)⑹�，可�?dǎo)致臭氧層破壞，是溫室效應(yīng)的最主要根源，已經(jīng)成為危害人體健康的“罪魁禍?zhǔn)住�，全世�?Mondi)人們對(duì)其均“深惡痛絕”，各國(guó)都紛紛頒布愈來愈嚴(yán)格的法規(guī)予以控制。因此，解決環(huán)境污染問題的關(guān)鍵是要從根本上解決能源結(jié)構(gòu)問題，研究開發(fā)清潔能源，而燃料電池正好符合這一環(huán)保需求。燃料電池中的氫氣是唯一直接應(yīng)用的燃料，它和氧氣在鉑催化劑的觸發(fā)下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)的副產(chǎn)物是水，幾乎不產(chǎn)生其它有害物質(zhì)，將其應(yīng)用到汽車上，完全可以達(dá)到“零排放、零污染”。它不僅是汽車最有前途的替代清潔能源，還能廣泛用于航天飛機(jī)、潛艇、水下機(jī)器人、通訊系統(tǒng)、中小規(guī)模電站、家用電源，又非常適合提供移動(dòng)、分散電源和接近終端用戶的電力供給，還能解決電網(wǎng)調(diào)峰問題，市場(chǎng)(Rialto)前景十分廣闊。 其三，據(jù)專家預(yù)測(cè)，21世紀(jì)中、下葉世界(Mondi)石油資源將面臨枯竭，以石油產(chǎn)品為燃料的現(xiàn)代汽車即將面臨“饑餓”和“死亡”的威脅。而燃料電池可以用天然氣、石油液化氣、煤氣、煤、生物質(zhì)和醇類等作為燃料。這些燃料的儲(chǔ)存量大，有些還可以再生（如生物質(zhì)、醇類），已經(jīng)成為解決這一世界(Mondi)難題的重要途徑之一。 縱觀全球，目前世界(Mondi)上幾乎所有發(fā)達(dá)國(guó)家都在燃料電池的研究和開發(fā)上投入巨資和人力，燃料電池技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)際高技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中的熱點(diǎn)和奪取未來(Futura)市場(chǎng)(Rialto)的殺手锏，越來越受到研究、產(chǎn)業(yè)界的高度重視，將引發(fā)21世紀(jì)新能源與環(huán)保的綠色革命。美國(guó)將燃料電池技術(shù)列為涉及國(guó)家安全的技術(shù)之一，《時(shí)代》周刊將燃料電池電動(dòng)汽車列為21世紀(jì)10大高技術(shù)之首；日本政府認(rèn)為燃料電池技術(shù)是21世紀(jì)能源環(huán)境領(lǐng)域的核心；加拿大計(jì)劃將燃料電池發(fā)展成國(guó)家的支柱產(chǎn)業(yè)。近十年來，國(guó)外政府和企業(yè)在燃料電池方面的投資額超過100億美元。為開發(fā)燃料電池，戴姆勒－克萊斯勒(佳士拿)公司一家近年來每年就投入10億美元，豐田(TOYOTA)公司的年投資額超過50億日元。美國(guó)礦物能源部長(zhǎng)助理克·西格爾說：“燃料電池技術(shù)在21世紀(jì)上半葉在技術(shù)上的沖擊(Impuise)影響，會(huì)類似于20世紀(jì)上半葉內(nèi)燃機(jī)所起的作用。”可以想象，如果燃料電池真能在汽車上普遍應(yīng)用，那么“污染”將會(huì)成為一個(gè)遙遠(yuǎn)的名詞。 三、燃料電池的發(fā)展簡(jiǎn)史 燃料電池的歷史可以追溯到19世紀(jì)英國(guó)法官和科學(xué)家William Robert Grove 爵士的工作。1839年，Grove所進(jìn)行的電解作用實(shí)驗(yàn)- - 使用電將水分解成氫和氧- - 是人們后來稱之為燃料電池的第一個(gè)裝置。后來，人們很快發(fā)現(xiàn)，如果要將這一技術(shù)商業(yè)化，必須克服大量的科學(xué)技術(shù)障礙。因此，人們對(duì)Grove 發(fā)明的早先興趣便開始淡漠了。直到19世紀(jì)末，內(nèi)燃機(jī)的出現(xiàn)和大規(guī)模使用礦物燃料使得燃料電池被論為僅僅是一次科學(xué)上的奇特事例。 燃料電池的現(xiàn)代發(fā)展史可以論為起始于20世紀(jì)60年代初期。當(dāng)時(shí)，美國(guó)政府的新機(jī)構(gòu)國(guó)家航空和宇宙航行局（NASA）正尋找為其即將進(jìn)行的一系列無人航天飛行提供動(dòng)力的方法。由于使用干電池太重，太陽(solara)能價(jià)格昂貴，而核能又太危險(xiǎn)，燃料電池正好吸引了他們的視線，在空間領(lǐng)域的應(yīng)用取得了巨大的成功，特別是在1968年，美國(guó)宇航局完成了阿波羅載人登月計(jì)劃后，對(duì)燃料電池的研究便熱了起來，研究項(xiàng)目也逐年增多。 20世紀(jì)80年代，燃料電池就開始從空間應(yīng)用轉(zhuǎn)入民用，除了60年代已在空間應(yīng)用方面達(dá)到最高水平的堿性燃料電池（AFC）之外，還有燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽電池（MCFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC）等新型燃料電池相繼問世。它們被成功地用于發(fā)電站和與內(nèi)燃發(fā)電機(jī)聯(lián)網(wǎng)共同發(fā)電的民用領(lǐng)域，其功率達(dá)到兆瓦極，運(yùn)行效率高達(dá)70%以上。90年代燃料電池最大的突破是質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的發(fā)展，因?yàn)閺男阅堋⑿�、重量、成本等多方面綜合考察發(fā)現(xiàn)，PEMFC最適合燃料電動(dòng)車技術(shù)。 燃料電池經(jīng)過165年的漫長(zhǎng)發(fā)展歷程，已從實(shí)驗(yàn)室走向宇航尖端領(lǐng)域，走向民用，逐步形成產(chǎn)業(yè)化、商品化，為新世紀(jì)汽車業(yè)的大發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。 四、燃料電池在汽車摩托車上的應(yīng)用 我國(guó)燃料電池研究始于1958年，70年代在航天事業(yè)推動(dòng)下，燃料電池研究呈現(xiàn)第一次高潮�！熬盼濉逼陂g，科技部與中科院將燃料電池技術(shù)列入“科技攻關(guān)”重大發(fā)展項(xiàng)目，目標(biāo)是利用我國(guó)的資源優(yōu)勢(shì)，從高起點(diǎn)做起，加強(qiáng)創(chuàng)新。在"九五"期間，使我國(guó)燃料電池的技術(shù)發(fā)展接近國(guó)際水平。內(nèi)容包括"質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)"、"熔融碳酸鹽燃料電池技術(shù)"及"固體氧化物燃料電池技術(shù)"三大項(xiàng)目， 其中用于電動(dòng)汽車的“5kW質(zhì)子交換膜燃料電池"列為開發(fā)的重點(diǎn)。此項(xiàng)任務(wù)由中國(guó)科學(xué)院及部門所屬若干研究所承擔(dān)，所定目標(biāo)業(yè)已全部實(shí)現(xiàn)�！笆濉逼陂g，在“科技攻關(guān)”、“863”、“973”等國(guó)家計(jì)劃中都安排了有關(guān)燃料電池技術(shù)的計(jì)劃和項(xiàng)目。 在質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）方面，我國(guó)研究開發(fā)的這類電池已經(jīng)達(dá)到可以裝車的技術(shù)水平，可以與世界(Mondi)發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)，而且在市場(chǎng)(Rialto)份額上，可以并且有能力占有一定比例。我國(guó)自把質(zhì)子交換膜燃料電池列為"九五"科技攻關(guān)計(jì)劃的重點(diǎn)項(xiàng)目以后，以大連化學(xué)物理研究所為牽頭單位，在全國(guó)范圍內(nèi)全面開展了質(zhì)子交換膜燃料電池的電池材料與電池系統(tǒng)的研究，取得了很大進(jìn)展，相繼組裝了多臺(tái)百瓦、1kW～2kW、5kW、10kW至30kW電池組與電池系統(tǒng)。5kW電池組包括內(nèi)增濕部分,其重量比功率為100W/kg，體積比功率為300W/L。質(zhì)子交換膜燃料電池自行車已研制成功，現(xiàn)已開發(fā)出200w電動(dòng)自行車用燃料電池系統(tǒng)。由6臺(tái)5kW電池組構(gòu)成的30kW電池系統(tǒng)已成功地用作中國(guó)首臺(tái)燃料電池輕型客車動(dòng)力源。裝車電池最大輸出功率達(dá)46kw。目前該車最高時(shí)速達(dá)60.6km/h，為燃料電池電動(dòng)汽車以及混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。該電池堆整體性能相當(dāng)于奔馳(mercedes-benz)、福特(Ford)與加拿大巴拉德公司聯(lián)合開發(fā)的MK7質(zhì)子交換膜燃料電池電動(dòng)車的水平�！笆濉逼陂g，國(guó)家科技部把燃料電池電動(dòng)汽車列為國(guó)家“863”計(jì)劃，我國(guó)目前正在進(jìn)行大功率質(zhì)子交換膜燃料電池組的開發(fā)和燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)集成的研究。據(jù)報(bào)導(dǎo)中美合作的“中國(guó)燃料電池公共汽車商業(yè)化示范項(xiàng)目”已經(jīng)實(shí)施，北京市和上海市分別選擇一條公共汽車路線進(jìn)行示范試驗(yàn)。這個(gè)項(xiàng)目不僅包括燃料電池汽車本身，也將對(duì)燃料電池商業(yè)化過程中各種基礎(chǔ)設(shè)施、能力建設(shè)、培訓(xùn)等進(jìn)行全方位的試驗(yàn)示范，這將大大推動(dòng)我國(guó)燃料電池汽車的商業(yè)化發(fā)展的進(jìn)展，業(yè)內(nèi)人士預(yù)測(cè)10年后我國(guó)燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)有望形成。 1、燃料電池（PEMFC）在汽車上的應(yīng)用 燃料電池最早應(yīng)用于汽車上是在20世紀(jì)50年代General Electric公司發(fā)明的質(zhì)子交換膜燃料電池。目前這種燃料電池是汽車公司最喜歡使用的一類燃料電池，用來取代原來使用的內(nèi)燃機(jī)。質(zhì)子交換膜燃料電池有時(shí)也叫聚合物電解質(zhì)膜，或固態(tài)聚合物電解質(zhì)膜，或聚合物電解質(zhì)膜燃料電池。 質(zhì)子交換膜燃料電池 在質(zhì)子交換膜燃料電池中，電解質(zhì)是一片薄的聚合物膜，例如聚[全氟磺]酸（poly [perfluoro sulphonic]acid），和質(zhì)子能夠滲透但不導(dǎo)電的NafionTM ，而電極基本由碳組成。氫流入燃料電池到達(dá)陽極，裂解成氫離子（質(zhì)子）和電子。氫離子通過電解質(zhì)滲透到陰極，而電子通過外部網(wǎng)路流動(dòng)，提供電力。以空氣形式存在的氧供應(yīng)到陰極，與電子和氫離子結(jié)合形成水。在電極上的這些反應(yīng)如下： 陽極：2H2 → 4H+ + 4e- 陰極：O2 + 4H+ + 4e- → 2 H2O 整體：2H2 + O2 → 2 H2O + 能量 質(zhì)子交換膜燃料電池的工作溫度約為80℃。在這樣的低溫下，電化學(xué)反應(yīng)能正常地緩慢進(jìn)行，通常用每個(gè)電極上的一層薄的白金進(jìn)行催化。 這種電極/電解質(zhì)裝置通常稱做膜電極裝配（MEA），將其夾在二個(gè)場(chǎng)流板中間便能構(gòu)成燃料電池。這二個(gè)板上都有溝槽，將燃料引導(dǎo)到電極上，也能通過膜電極裝配導(dǎo)電。每個(gè)電池能產(chǎn)生約0.7伏的電，足夠供一個(gè)照明燈泡使用。驅(qū)動(dòng)一輛汽車則需要約300伏的電力。為了得到更高的電壓，將多個(gè)單個(gè)的電池串聯(lián)起來便可形成人們稱做的燃料電池存儲(chǔ)器。 質(zhì)子交換膜燃料電池?fù)碛性S多特點(diǎn)，因此成為汽車的理想能源，它可代替充電電池。它能在較低的溫度下工作，因此能在嚴(yán)寒條件下迅速啟動(dòng)。其電力密度較高，因此其體積相對(duì)較小。此外，這種電池的工作效率很高，能獲得40～50%的最高理論電壓，而且能快速地根據(jù)用電的需求而改變其輸出。當(dāng)一輛汽車使用以甲醇或天然氣重整的氫為燃料的燃料電池而不用汽油內(nèi)燃機(jī)時(shí)，其二氧化碳的排放量可以減少高達(dá)72%，與內(nèi)燃機(jī)的效率25%左右相比，它們的效率可高達(dá)60%。以甲醇為燃料的燃料電池，其燃料利用率是用汽油內(nèi)燃機(jī)車的1.76倍。唯一的潛在問題是燃料的質(zhì)量，為了避免在如此低溫催化劑受到污染，質(zhì)子交換膜燃料電池必須使用沒污染的氫燃料。 當(dāng)前，世界(Mondi)各地都在立法強(qiáng)迫汽車制造商生產(chǎn)能極大限度地降低排放的車輛，質(zhì)子交換膜燃料電池為這種要求帶來實(shí)質(zhì)性機(jī)遇。現(xiàn)在，大多數(shù)汽車生產(chǎn)商視質(zhì)子交換膜燃料電池為內(nèi)燃機(jī)的后繼者。在這一進(jìn)程中，運(yùn)用不同車輛和使用不同地區(qū)的試驗(yàn)進(jìn)展順利，用質(zhì)子交換膜燃料電池為公共汽車提供動(dòng)力的試驗(yàn)已在溫哥華和芝加哥取得成功。德國(guó)的城市也進(jìn)行了類似的試驗(yàn)，還有另外十個(gè)歐洲城市也將在公共汽車上進(jìn)行試驗(yàn)，倫敦和加利福尼亞也將計(jì)劃在小型車輛上進(jìn)行試驗(yàn)。目前，能產(chǎn)生50 kW電力的示范裝置業(yè)已在使用，能產(chǎn)生高達(dá)250 kW的裝置也正在開發(fā)。 2、燃料電池在摩托車的應(yīng)用 開發(fā)燃料電池摩托車，實(shí)際上是對(duì)其核心技術(shù)——燃料電池的研發(fā)。氫氣是唯一在燃料電池中直接應(yīng)用的燃料，但是自然界中并沒有氫氣資源，只能從其它能源如天然氣、液化石油氣、汽油、柴油、煤、生物質(zhì)及醇類中，用各種途徑生產(chǎn)出來。但也不是所有途徑都可行，其成本也不低。尤為重要的是至今還無法突破技術(shù)瓶頸，其燃料液態(tài)氫的制取、存儲(chǔ)、運(yùn)輸(Tran Sport)和添加是天大的難題。因此，尋求能夠替代氫氣直接用于燃料電池的其它燃料，從而降低燃料電池系統(tǒng)的體積和造價(jià)，是燃料電池摩托車研究的重點(diǎn)。試驗(yàn)證實(shí)，甲醇是目前較為理想的替代燃料。因?yàn)�，甲醇燃料只生成二氧化碳和水，并且甲醇是最�?jiǎn)單的液體有機(jī)化合物，在市場(chǎng)(Rialto)上有完整的銷售網(wǎng)絡(luò)，貯存安全、攜帶方便。同時(shí)，由于摩托車的功率只須1.5～3kw，將直接甲醇燃料電池用在摩托車上是完全可能的。因此，人們對(duì)直接甲醇燃料電池非常感興趣。 直接甲醇燃料電池不需甲醇重整而直接作為燃料。甲醇在陽極轉(zhuǎn)換成二氧化碳和氫，如同標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)子交換膜燃料電池一樣，氫再與氧反應(yīng)。在電極上的這些反應(yīng)如下： 陽極反應(yīng)：CH3 OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e- 陰極反應(yīng)：O2 + 6H+ + 6e- → 3 H2O 電池反應(yīng)：CH3OH + O2 → CO2 + 2 H2O 這種電池的期望工作溫度為120℃，比標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)子交換膜燃料電池略高，其效率大約是40%左右。其缺點(diǎn)是當(dāng)甲醇低溫轉(zhuǎn)換為氫和二氧化碳時(shí)要比常規(guī)的質(zhì)子交換膜燃料電池需要更多的白金催化劑。不過，這種增加的成本可以因方便地使用液體燃料和勿需進(jìn)行重整便能工作而相形見拙。 目前，直接甲醇燃料電池技術(shù)已經(jīng)獲得突破。我國(guó)在中科院"九五"重大應(yīng)用發(fā)展項(xiàng)目和吉林省應(yīng)用發(fā)展項(xiàng)目的支持下，長(zhǎng)春應(yīng)化所在國(guó)內(nèi)率先開展了"直接甲醇燃料電池關(guān)鍵材料及其制備技術(shù)"項(xiàng)目的研究工作。2000年該項(xiàng)目在直接甲醇燃料電池陽極催化劑方面的研究工作成效顯著。日前，由長(zhǎng)春應(yīng)化所、北京科技大學(xué)、清華大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、南京師范大學(xué)共同組成的國(guó)家“863"直接甲醇燃料電池關(guān)鍵材料及其制備技術(shù)項(xiàng)目組，在關(guān)鍵材料新型質(zhì)子交換膜，陽極及陰極催化劑、電極/膜集合體、雙極板等多方面研究取得進(jìn)展的基礎(chǔ)上，成功地組裝成20W級(jí)的組合電池- - 10個(gè)單電池組合的電池堆。其單體電池性能為：在80℃～90℃下400mV時(shí)電流密度可達(dá)150mA/cm2～200mA/cm2；在中溫時(shí)400mV下電流密度可達(dá)100mA/cm2～150mA/cm2，達(dá)到20世紀(jì)90年代末的國(guó)際水平，在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先地位。他們改進(jìn)了直接甲醇燃料電池的關(guān)鍵材料- - 新型質(zhì)子交換膜和催化劑，電池結(jié)構(gòu)采用電路串聯(lián)、物流并聯(lián)的方式，催化劑中白金的含量進(jìn)一步降低到1mg/cm2～4mg/cm2，電池壽命明顯延長(zhǎng)，最佳工作狀態(tài)時(shí)電池堆發(fā)電電壓2.0V，電流為10A，可以不間斷地驅(qū)動(dòng)許多電器設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。目前，該成果已申請(qǐng)6項(xiàng)中國(guó)發(fā)明專利，1項(xiàng)美國(guó)發(fā)明專利。 更令人欣慰的是一種具有原始創(chuàng)新性和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的，直接把燃料和氧化劑中的化學(xué)能連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)換成電能的直接甲醇燃料電池，也已在山東理工大學(xué)山東省清潔能源工程技術(shù)研究中心研發(fā)成功。 這種新型燃料電池，是應(yīng)用山東理工大學(xué)清潔能源工程技術(shù)研究中心提出的模擬生物酶燃料電池催化劑的思路，采用廉價(jià)、性能高的模擬生物酶代替當(dāng)今燃料電池中使用的價(jià)格高、資源受限的鉑催化劑制成的。經(jīng)過近4年的實(shí)驗(yàn)，終于取得實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)發(fā)電成功。其工作原理為直接將甲醇和水混合物送至DMFC陽極，發(fā)生電催化氧化反應(yīng)生成CO2,并釋放出電子和質(zhì)子，電子從陽極經(jīng)外電路轉(zhuǎn)移至陰極形成直流電。其工作溫度從室溫到135℃。甲醇用完后，只要補(bǔ)充甲醇水溶液就可以。 據(jù)山東理工大學(xué)校長(zhǎng)姚福生院士介紹，直接甲醇燃料電池是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的電化學(xué)連續(xù)反應(yīng)裝置，具有能量轉(zhuǎn)化效率高，可靠性強(qiáng)，質(zhì)能比高，清潔，易啟動(dòng)，無噪音，低輻射，隱蔽性強(qiáng)，模塊化結(jié)構(gòu)，靈活方便，可水、電、熱聯(lián)供等優(yōu)點(diǎn)。 2004年初，日本雅馬哈公司宣布成功試制出了配備直接甲醇式燃料電池（DMFC）的摩托車。現(xiàn)在，首批燃料電池摩托車正在雅馬哈公司試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，但是還要經(jīng)過1年才能批量生產(chǎn)。關(guān)于燃料為何選擇了甲醇而不是汽車制造商所用的氫，該公司表示：“由于氫燃料電池系統(tǒng)的重量和體積均較大，在摩托車上安裝壓縮氫油箱非常復(fù)雜和不安全，因此對(duì)于摩托車使用的功率不超過1kW的電池系統(tǒng)采用直接甲醇方式更好一些”。該車功率為500w，質(zhì)量為20kg，最高速(High Speed)度為40km/h。燃料箱貯存濃度為50%的甲醇水溶液，在實(shí)際發(fā)電時(shí)，利用燃料電池發(fā)電反應(yīng)所產(chǎn)生的水，把甲醇水溶液稀釋到3%以后再使用。添加一次燃料（油箱可裝5L甲醇）摩托車可行駛200km。今后雅馬哈公司打算將摩托車質(zhì)量減少到10kg，并給燃料電池附加一個(gè)鋰離子蓄電池以改善啟動(dòng)和加速性能。 據(jù)報(bào)導(dǎo)由NASA/嘉德克噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）與南加利福尼亞州大學(xué)（USC）聯(lián)合開發(fā)的直接甲醇燃料電池（DMFC）已獲得22個(gè)專利和40多個(gè)正在申請(qǐng)中的美國(guó)和外國(guó)專利，這些專利包括了使用溶解于水中的甲醇為燃料的原始和基礎(chǔ)的專利，并已通過設(shè)在美國(guó)加利福尼亞州Pasadena的直接甲醇燃料電池公司（DMFCC）實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。 2002年，美國(guó)曼哈頓科技公司宣布，該公司與歐洲第二大摩托車廠商——意大利阿普利亞（APRILIA）公司聯(lián)合開發(fā)了使用燃料電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)摩托車，并在巴黎車展上展出。此次開發(fā)的電動(dòng)摩托車名為"MOJITOFC"，配備有曼哈頓科技公司生產(chǎn)的輸出功率為3kw的燃料電池。使用的燃料為純氧，批量生產(chǎn)時(shí)的連續(xù)行駛距離為193km、最高速(High Speed)度可達(dá)56.3km/h。早在2001年，這兩家公司就共同開發(fā)了燃料電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)自行車，這款車使用ENJOY質(zhì)子交換膜燃料電池，輸出功率為 600w，使用的燃料為氫氣，氫氣存放于一個(gè)重0.78kg、壓力為30Mpa的高壓碳纖維燃料罐中，續(xù)航能力為75km（25km/h），全車重量24kg。此次推出的是第二款，配備的燃料電池由曼哈頓科學(xué)公司的德國(guó)相關(guān)公司NOV-ARS開發(fā)，具有小而輕的特點(diǎn)。包括電子裝置、閥門、風(fēng)扇等在內(nèi)的燃料電池系統(tǒng)總重量為6kg，燃料電池本身重4.3kg。 2001年美國(guó)曼哈頓科技公司與意大利阿普利亞公司聯(lián)合開發(fā)的燃燒電池自行車 德國(guó)AQWON汽車公司在“2003年漢諾威工業(yè)展”上展示了使用氫氣作為燃料的輕便摩托車。最高時(shí)速為45km/h。在車輛下部配備了氫氣燃料罐。內(nèi)部為吸收氫氣的金屬合金構(gòu)成。在6個(gè)大氣壓及20℃下可以貯藏2600L氫氣。燃料充滿時(shí)可以行駛100km。 2002年底，國(guó)內(nèi)第一輛燃料電池自行車由上海綠亮電動(dòng)自行車有限公司和美國(guó)POWERZINC公司博信電池上海有限公司合作開發(fā)成功。據(jù)介紹，這輛燃料電動(dòng)自行車裝備的是鋅空氣燃料電池。所謂鋅空氣燃料電池，就是通過鋅離子與空氣反應(yīng)，把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。該車的比能量可達(dá)200w·h/kg，在同樣電壓條件下連續(xù)行駛里程超過200km，相當(dāng)于鉛酸電池的4～5倍。 綜上所述，從世界(Mondi)燃料電池迅猛發(fā)展的勢(shì)頭看，本世紀(jì)頭十年將是燃料電池技術(shù)商品化、產(chǎn)業(yè)化的重要階段，其技術(shù)實(shí)用性、生產(chǎn)成本等都將取得重大突破。高效率、環(huán)保型燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化、商品化必將成為不可阻擋的大趨勢(shì)。 |
品牌專修:( 關(guān)鍵字：燃料電池的發(fā)展及其應(yīng)用電動(dòng)車維修燃料電池,質(zhì)子,甲醇,燃料,電池)
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