生物燃料电池的应用范文

导语：如何才能写好一篇生物燃料电池的应用，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：建筑节能，化粪池，微生物燃料电池，产电

中图分类号： TU201.5文献标识码：A文章编号：

1 引言

近年来，中国房地产业蓬勃发展，每年新建房屋面积高达17～18亿平米，超过所有发达国家每年建成建筑面积的总和[1]。建设事业迅猛发展，建筑能耗随之迅速增长，1999年我国建筑能耗占社会总能耗的比例已达到20%～25%。随着人民生活水平的不断提高、城镇化进程的加快以及住房体制改革的深化，我国的建筑能耗必将进一步增加。为此，“建筑节能”概念应运而生。

建筑节能，在发达国家最初为减少建筑中能量的散失，现在则普遍称为“提高建筑中的能源利用率”，即在保证提高建筑舒适性的条件下，合理使用能源，不断提高能源利用效率[2]。我国建筑节能起步较晚，建筑能耗比发达国家高很多。因此，不断开发新的建筑节能技术，提高建筑物的能源利用效率至关重要，力求在减少建筑内能源总需求量的同时，大力开发利用可再生的新能源[3]。

微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells，MFCs）作为近年来发展起来的一种新能源，是一种利用微生物的酶将储存在有机物质中的化学能转化成电能的装置[4, 5]。本文将探讨MFC 在建筑节能领域应用的可行性，将其与化粪池联合作用，达到产能与处理粪水的双重效果。

2 MFC简介

如图1所示，阳极室的底物在微生物的呼吸作用下被代谢分解，产生的能量被微生物储存用于自身生长，而产生的电子被介体从微生物体内携带出来传递到阳极上，外部与用电器连接构成回路，电子在回路中流动，从而形成电流。这个过程中产生的质子通过质子交换膜传递进入阴极室，与氧气和电子反应生成水，从而实现化学能到电能的转化[6]。影响MFC产电的因素很多，如电池的结构及运行方式、产电微生物的种类、电极种类及比表面积、质子交换膜、底物种类等。

图1微生物燃料电池工作原理

3 以粪水为基质的MFC可行性及研究进展

人体排泄物主要成分中3/4为水，1/4为固体；固体中30%为死细菌，10%～20%为脂肪，2%～3%为蛋白质，10%～20%为无机盐，30%为未消化的残存食物及消化液中脱落的上皮细胞等固体成分[7]。其中大部分物质，如脂肪、蛋白质、碳水化合物等大分子物质，但都可以经过水解发酵转化成小分子物质，直接作为产电微生物电子供体[8, 9]，因此理论上粪水可以作为微生物燃料电池的燃料。

将微生物燃料电池应用于人体排泄物的处理是近些年才开始关注的技术，研究也刚处在起步阶段，仅有为数不多的研究小组在进行研究。Li等研究了以粪水为燃料的MFC产电性能，结果表明，利用厌氧发酵装置对粪水发酵，将大分子化合物分解为小分子有机物后再作为MFC的底物，其产电性能有了大幅度提升[10]。因此，可考虑利用化粪池作为厌氧发酵装置，构建“产酸发酵预处理单元”与“MFCs单元”，将生活粪便污水经发酵水解后作为MFC的燃料进行产电。

4 MFC在建筑中应用的探讨：

1）MFC与化粪池合用的可行性

目前建筑中采用的化粪池大多为砖砌或钢筋混凝土浇筑，内部一般分两格或三格，如图2。人体排泄物首先进入第Ⅰ池，比重较大的固状物及寄生虫卵等沉淀下来，利用池水中的厌氧细菌开始初步发酵分解，经第一格处理过的污水可分为三层：上层糊状粪皮、中层比较澄清的粪液和下层的固状粪渣。之后中层粪液经过粪孔溢流至第Ⅱ池，而将大部分未经充分发酵的粪皮和粪渣阻留在第Ⅰ池继续发酵。流入第Ⅲ池的粪液已基本腐熟，出水排入市政管网。

图2：三格化粪池剖面示意图[11]

粪水厌氧发酵阶段产生的小分子有机物主要存在于第Ⅱ池的中层粪液，因此，可利用中层粪液作为MFC的燃料。如图3所示，在化粪池Ⅱ格内设置连通管，中层粪液经滤网过滤后进入MFC电池组，经产电微生物作用后流入化粪池第Ⅲ格。连通管处设置流量调节阀，控制进入MFC阳极室的粪液量及流速，以达到最佳产电效果。研究表明，在相同条件下（电池体积、底物、接种微生物、外界温度等），单室电池比双室电池的产电高：Liu等采用单室（空气式阴极）微生物燃料电池处理城市废水，产能密度为146mW/m2，而采用双室（液体式阴极）微生物燃料电池产能密度仅为16～28mW/㎡[12]，同时考虑到占地面积，建议采用单室微生物燃料电池组与化粪池联合。化粪池一般埋地设置，因此MFC上空需安装格栅，保持阴极与空气的良好接触。

根据用电器的用电要求，MFC电池组的各单体电池可采取串联或并联方式，以求电压或电流的最大化。Du等以单体有效容积120 cm3的MFC处理人体粪水，最高可产生0.288 mW的电能[13]。若组装10 m³的MFC电池组，则可连续提供24 W的电能，可为LED灯等用电功率较低的电气设备提供长期电源。

图3：MFC与化粪池合用平面示意图

2）MFC与化粪池合用的理论依据

化粪池内理论上为厌氧环境，与MFC阳极室相同，因此将它们直接连通，不会造成内部环境的本质改变。

（1）温度：中温厌氧消化温度为30～36℃；而在30℃下，MFC的最大产电性能相对优良，其输出功率、库伦效率、COD去除率等均比20℃时有较大幅度的提高[14～16]。

（2）pH值：对污泥厌氧消化的影响很大[17]，水解与发酵菌对pH值的适应范围大致为5～6.5，甲烷菌对pH值的适应范围为6.6～7.5之间，即只允许在中性附近波动[18]；而产电微生物也是的近乎中性的环境中反应。

（3）微生物种群：目前大部分MFC中的产电微生物，都是从厌氧污泥中培养出来的，其中普通变形菌和埃希氏大肠杆菌被证明是很好的接种细菌[19]，而混合接种比纯种接种微生物产电要高很多。Park等向电池中分别接种污泥和埃希氏大肠杆菌时，产能密度分别为787.5 mW/m2和91 mW/m2[20]。一些已知的在化粪池中产酸发酵的微生物分属于以下几类：梭菌属（Clostridium）、产碱菌（Alcaligenes）、肠球菌（Enterococcus），也都已经从MFC中分离出来。

综上所述，将MFC与化粪池直接连通具备可行性。

3）MFC与化粪池合用的优势

（1）MFC可分担部分化粪池水解酸化后的污水，提高有机物去除率，提高出水水质，在一定程度上减小城市污水处理厂的负担。

（2）化粪池运行期间，池内污水保持流动状态，MFC阳极室中的溶液也会不停流动，相当于连续运行的MFC。MFC的运行方式是影响其产电的重要因素，连续运行比间歇运行产电性能高。

（3）产电微生物能将底物直接转化为电能，避免了受卡诺循环和现代材料的限制，保证了较高的能量转化效率；MFC内部反应生成的产物为二氧化碳和水，不需要进行废气处理，且无噪音、无异味，不存在二次污染的可能；在缺乏电力基础设施的局部地区，将MFC与化粪池合用，可提供基本的而宝贵的照明电能。

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早在1839年，英国人W.Grove就提出了氢和氧反应可以发电的原理，这就是最早的氢-氧燃料电池(FC)。但直到20世纪60年代初，由于航天和国防的需要，才开发了液氢和液氧的小型燃料电池，应用于空间飞行和潜水艇。近二三十年来，由于一次能源的匮乏和环境保护的突出，要求开发利用新的清洁再生能源。燃料电池由于具有能量转换效率高、对环境污染小等优点而受到世界各国的普遍重视。美国矿物能源部长助理克.西格尔说：“燃料电池技术在21世纪上半叶在技术上的冲击影响，会类似于20世纪上半叶内燃机所起的作用。”福特汽车公司主管PNGV经理鲍伯.默尔称，燃料电池必会给汽车动力带来一场革命，燃料电池是唯一同时兼备无污染、高效率、适用广、无噪声和具有连续工作和积木化的动力装置。预期燃料电池会在国防和民用的电力、汽车、通信等多领域发挥重要作用。美国Arthur D.Little公司最新估计，2000年燃料电池在能源系统市场将提供1 500～2 000MW动力，价值超过30亿美元，车辆市场将超过20亿美元；2007年燃料电池在运输方面的商业价值将达到90亿美元。 燃料电池的工作原理和分类、特点和优势

燃料电池发生电化学反应的实质是氢气的燃烧反应。它与一般电不同之处在于燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是起催化转换作用。所需燃料(氢或通过甲烷、天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油等石化燃料或生物能源重整制取)和氧(或空气)不断由外界输入，因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的装置。以熔融碳酸盐型燃料电池为例，图1为燃料电池的结构示意图。 图1　熔融碳酸盐燃料电池单电池结构示意图

在燃料电池电极上反应如下：

阳极反应：H2+CO32-＝H2O+CO2+2e-

阴极反应：1/2O2+CO2+2e-＝CO32-

总反应：1/2O2+H2＝H2O

燃料电池多种分类。按燃料类型可分为直接型、间接型和再生型。按电解质种类又可分为磷酸盐型燃料电池(PAFC)--第一代FC；熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)--第二代FC；固体氧化物型燃料电池(SOFC)--第三代FC。表1列出了几种主要类型燃料电池的燃料、电解质、电极和工作温度等基本特点。 表1　燃料电池的分类 类型 磷酸盐型燃料电池(PAFC) 融碳酸盐型燃料电池(MCFC) 固体氧化物型燃料电池(SOFC) 聚合物离子膜燃料电池(PEMFC) 燃料 煤气，天然气，甲醇等 煤气，天然气，甲醇等 煤气，天然气，甲醇等 纯H2 电解质 磷酸水溶液 KLiCO3溶盐 ZrO2-Y2O3(8 YSZ) 离子(Na离子) 阳极

电极

阴极 多孔质石墨

(Pt催化剂)

含Pt催化剂+多孔

质石墨+Tefion 多孔质镍

(不要Pt催化剂)

多孔NiO(掺锂) Ni-ZrO2金属陶瓷(不要Pt催化剂)

LaxSr1-xMn(Co)O3 多孔质石墨或Ni

(Pt催化剂)

多孔质石墨或Ni

(Pt催化剂) 工作温度 -200℃ -650℃ 800-1000℃ -100℃

近20多年来，燃料电池经历了碱式、磷酸、熔融碳酸盐和固体电解质等几种类型的发展阶段。美、日等国已相继建立了一些碳酸燃料电池电厂、熔融碳酸盐燃料电池电厂、质子交换膜燃料电池电厂作为示范(表2)。 表2　一些国家的燃料电池电厂 磷酸盐燃料电池电厂 ONSI公司建设的200KWPAFC电厂 质子交换膜燃料电池电厂 Ballard Generation System建设的250KW PEM燃料电池厂

Avista实验室建造的7.5W民用PEM燃料电池电厂，它具有60W热交换调制.

Northwest Power System建设的5KW民用PEM燃料电池电厂

Plug Power建造的7KW民用PEM燃料电池电厂 熔融碳酸盐烯料电池电厂 M-C Rower Corporation建造的熔融碳酸盐碳燃电孙电厂

Energy Research Corporation建造的250KW熔融碳酸盐燃料电池厂

Energy Research Corporation在加州Santa Clara建造的2M熔融碳酸盐燃料电池示范电厂 固体氧体物燃料电池电厂 Siemens Westinghouse建设的管状固体氧化物燃料电池电厂

燃料电池电厂所以具有如此大的吸引力，是因为它与传统的火力发电、水力发电或核能发电相比，具有无可比拟的特点和优势。

1.能量转换效率高　燃料电池能量转换效率比热机和发电机能量转换效率高得多。目前汽轮机或柴油机的效率最大值为40～50%，当用热机带动发电机时，其效率仅为35～40%，而燃料电池的有效能效可达60～70%，其理论能量转换效率可达90%。其他物理电池，如温差电池效率为10%，太阳能电池效率为20%，均无法与燃料电池相比。

2.污染小、噪声低　燃料电池作为大、中型发电装置使用时其突出的优点是减少污染排放(表3)。对于氢燃料电池而言，发电后的产物只有水，可实现零污染。另外，由于燃料电池无热机活塞引擎等机械传动部分，故操作环境无噪声污染。

表3　燃料电池与火力发电的大气污染比较

(单位：kg.10-6(KWh)-1) 污染成分 天然气火力发电 重油炎力发电 煤火力发电 燃料电池 SO2 2.5-230 4550 8200 0-0.12 NOx 1800 3200 3200 63-107 烃类 20-1270 135-5000 30-104 14-102 尘末 0-90 45-320 365-680 0-0.14

3.高度可靠性　燃料电池发电装置由单个电池堆叠至所需规模的电池组构成。由于这种电池组是模块结构，因而维修十分方便。另外，当燃料电池的负载有变动时，它会很快响应，故无论处于额定功率以上过载运行或低于额定功率运行，它都能承受且效率变化不大。这种优良性能使燃料电池在用电高峰时可作为调节的储能电池使用。

4.比能量或比功率高

5.适用能力强

燃料电池可以使用多种多样的初级燃料，如天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油；也可使用发电厂不宜使用的低质燃料，如褐煤、废木、废纸，甚至城市垃圾，但需经专门装置对它们重整制取。虽然燃料电池有上述种种优点，然而由于技术问题，至今一切已有的燃料电池均还没有达到大规模民用商业化程度。为此，美、日等国相继拨出巨资来发展燃料电池。

燃料电池开发现状与发展趋势

在燃料电池研究开发方面，美国、日本和德国处于世界领先地位。美国早在1967年就制定了TARGET和FCG-1燃料电池研究发展计划。近年美国能源部对燃料电池研究资助每年均在2 000万美元以上。日本在1981年制定了“月光计划”，进行燃料电池研究。1989年欧洲燃料电池集团成立。

在所有燃料电池中，磷酸盐型燃料电池(PAFC)由于磷酸易得，反应温和，成为发展最快、研究最成熟的一种燃料电池。1977年美国通用公司首先建成兆瓦级PAFC发电站。1991年日本电力公司在东京湾兴建的1MW PAFC发电站也已投入运行。目前美国已有少量销售，其商品化阶段已经开始。

熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)正处于10-20KW向兆瓦级发展阶段。1994年12月美国已建成迄今最大功率为250KW的MCFC电站。日本1989年已完成25KW的MCFC试验，按其“新阳光计划”-1MW的MCFC中间试验电厂现正在实施中。

聚合物电介质燃料电池(PEMFC)不仅是人造卫星上可靠、低成本的动力源，还可作为陆地上市区交通车辆和水下潜艇的动力源。1996年美国能源合作公司推出实验型的由三块薄膜组成的以1.5KW PEMFC为动力的“绿色轿车”。德国奔驰公司在前两年开发出NECARⅡ存储式燃料电池驱动电车(燃料电池生产电能为250KW，一次行程为250公里)，并在慕尼黑、斯图加特市作为试行公共电车之后，在1998年8月又作为世界首创，开发出NECARⅢ燃料电池驱动电车。它用质子交换膜(PEM)燃料电池为动力，以甲醇为原料，通过车辆后部的反应器产生氢气，再以氢和空气中氧反应产生电能来驱动，当压下踏脚板后，在不到2秒的时间内动力系统的能量将达到90%，其最大行程为400公里，预期2004年投放市场。最近，Daimler Chrysler设计的燃料电池和电池混合引擎轿车NECAR 4由于具有零污染、宽阔的操作范围和良好的驾驶特性等最佳的设计而获得北美“1999国际引擎年奖”。新近美国Ballard Power System开发的第二代燃料电池公共客车已在芝加哥运行。美国至今已开发的具有代表性的运输用的燃料电池公共客车、轿车已达30多种。

第三代燃料电池SOFC正在积极研制开发中，1991年6月美国能源部和威斯汀豪斯公司投资1.4亿美元加速固体燃料电池的商业化。目前美国西屋公司处于SOFC领先地位，它们所制造的一个由576个管式SOFC组成的25KW发电系统已创13 000多小时运行的世纪记录。其下一步计划是建立100KW的SOFC热电联产系统交付荷兰/丹麦电力公司使用。目前美国已有5KW的SOFC产品出售。一些公司还打算把SOFC和储氢合金结合起来，用于开发汽车用燃料电池。

近年因环境保护要求而新兴起的生物电池，用生物原料(包括林场杂木、稻草、麦杆、玉米杆、青草、草垃圾、含能源的植物、动物粪便等)生产电能。即将生物原料通过反应器转换成燃烧气体(主要是H2、CO、CH4)，经加工处理后作为燃料电池的原料用于建立分散电站，供家庭或城市用电；也可转换成H2，用于电动汽车。据〈Moder Power System〉报道，一个以垃圾场生产的燃料气体为燃料的燃料电池厂正在美国康涅狄州格罗顿镇运行，它生产国际燃料电池公司的200KW磷酸燃料电池。该电池厂装有燃料洁净系统，使垃圾场的燃气在进入燃料电池堆之前已被去除掉其中的氯化合物、硫化合物和共它污染物。目前德国巴伐利亚州的Bad Bruckenan正在建造一个生物能源-氢气工程。

燃料电池中另一亮点是细菌电池。其基本原理是通过细菌发酵，把酸或糖类转化为氢气，再将氢导入磷酸燃料电池后发电。美国1984年设计出一种供遨游太空用的细菌电池，原料是宇航员的尿液和活细菌。日本也研制过用特制糖浆作原料的细菌电池。

燃料电池今后的发展方向除了电动车辆(包括工交车辆、拖拉机、叉式装卸机、高尔夫车和军事车辆等)和热电站外，另一方向是使燃料电池小型化。燃料电池替代普通电池在膝上电脑、便携式电子器件等方面的应用列于表4。据《科学美国人》报道，美国洛斯阿拉芙斯国家实验室罗伯特.G.霍克最近研制成功微型燃料电池，其电池尺寸和价格可与传统的镍隔电池相比，重量仅为镍隔电池的一半，但供电能力为镍隔电池的50倍。预期这种微型燃料电池用于移动电话，可连续待机40天，而仅消耗不到2盎司的甲醇。霍克目前正把微电子技术引入微型燃料电池制作中，准备制作25μm厚的微型电池。另外，还有把燃料电池用于电子广告牌和电动自行车的报道。 表4　燃料电池替代普通小电池在膝上电脑、便携式电子器件等方面应用 便携式烯料电池 Warsitz制作的便携式燃料民池电源 替代电池用的燃料电池 Ballard的燃料电池膝上电脑

An H Power燃料电池电源公司提供的美国新泽西州高速公路广告牌

An H Power燃料电池电源公司提供的职业电神摄像机

Fraunise ISE发展的峰窝电话用微型燃料电池 教学用烯料电池 美国木醇研究所提供的教学用木醇燃料电池

Ecosoul提供的再生燃料电池教学用具

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1 燃料电池的特点

（1）能量转化效率高。效率高达50%一60%，通过对余热的二次利用，总效率可高达80%一85%。

（2）无污染，可实现零排放。工作过程的唯一产物是水。

（3）效率随输出变化的特性好。部分功率下运行效率可达60%，短时过载能力可达到200%的额定功率。

（4）运行噪声低，可靠性高。无机械运动部件，工作时仅有气体和水的流动。

（5）构造简单，便于维护保养。模块化结构，组装和维护方便；没有运动部件，磨损之类故障少。

（6）燃料（氢气）来源广泛。制备方法多样，可通过石油、甲醇等重整制氢，也可通过电解水、生物制氢等方法获取氢气。

（7）燃料补充方便。可以采用甲醇等液体为燃料，利用现有的加油站系统，采用与汽车加油大体相同的燃料补充方式短时间内完成燃料的补充。

（8）环境适应性强。它的功率密度高、过载能力大、可不依赖空气，因此可两栖使用，适应多种环境及气候条件。

2 燃料电池发展现状

在日本，日本经济产业省前几年就对燃料电池汽车开发与推广制定了时间表，其战略目标是：到2010年，日本使用的燃料电池汽车达到5万辆；2020年达到500万辆；到2030年，要全面普及燃料电池汽车。近期，日本又计划在5年内斥资2090亿日元开发以天然气为原料的液体合成燃料技术、车用电池，以及氢燃料电池科技。

在美国，燃料电池电动车曾被美国前总统布什作为“氢经济”论的“法宝”大肆宣传，但2006年2月他已改变了腔调，承认燃料电池电动车“不是近期的解决方法，也不是中期的解决方法，而确实是远期的方法”。在布什第二任总统任期的后3年里，“氢经济”论在美国已气息奄奄，燃料电池的研发重点已转向了基础性研究。2009年5月，美国政府正式宣布停止支持燃料电池电动车的研发。

在欧洲，欧盟2008年夏天决定斥资10亿欧元用于燃料电池和氢能源的研究和发展。欧盟此举旨在把燃料电池和氢能源技术发展成为能源领域的一项战略高新技术，使欧盟在燃料电池和氢能源技术方面处于世界领先地位，欧盟将力争在2020年前建立一个燃料电池和氢能源的庞大市场。

汽车业界普遍认同的一个观点是，燃料电池技术是内燃机技术最好的替代物，代表了汽车未来的发展方向。但如果将发展燃料电池汽车的几个制约因素考虑进来，则会发现燃料电池汽车目前和今后一段时问尚不具备商业化的条件。最乐观的预测，以纯氢为燃料的燃料电池汽车的商业化生产至少还需15年以上的时问，即使在一定程度上实现了商业化，也会是以一种高成本的方式。

3 燃料电池发展前景

燃料电池的特点决定了它具有广阔的应用前景。首先，它可以用作小型发电设备；其次，作为长效的“电池”；三是电动汽车上的应用。

燃料电池首先用作发电设备，是因为其价格有可能与一般的发电设备相竞争。但燃料电池在电动汽车上的商业应用前景是远期的，因为汽车需要的是发电机，发电机的价格远比燃料电池要便宜，因此在短期内，燃料电池汽车在价格上难以与其他汽车相竞争。现在燃料电池研究与开发集中在四大技术方面：（1）电解质膜；（2）电极；（3）燃料；（4）系统结构。日美欧各厂家开发面向便携电子设备的燃料电池，尤其重视（1）～（3）方面的材料研究与开发。第四方面的研究课题是燃料电池的系统结构，前三个方面是构成燃料电池的必要准备，而系统结构是燃料电池的最终结果。

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石油、煤炭等不可再生能源资源的日趋枯竭，引起的环境严重污染及直接影响国家经济发展、国防安全已是21世纪各国面临的三大问题。为解决经济发展与能源短缺及环境污染之间日益加剧的矛盾，发展清洁、高效、可持续发展的新能源动力技术已成为十分紧迫的任务。

采用氢能源是当前世界公认的可代替石油能源的主要出路之一。氢是一种可储藏运输、燃点较高，热值相当汽油的3倍，实质上是一种可再生能源。21世纪将成为氢能的时代。美国、欧洲、日本等强国在制定其未来能源政策时，都把发展氢能作为一个主要方向，而燃料电池正是氢能时代的最佳能量转换装置。作为燃料电池燃料的氢可从煤碳、天然气和石油中制取，也可从植物、生物排放物、太阳能、风能和电解水等过程中制取。因此隨着生产成本、可靠性、寿命等问题的逐步解决，燃料电池有望在2010年左右进入商品化，并逐渐成为一种世界范围内的重要能源之一。 燃料电池发电具有以下独特的优越性：

1．清洁。氢经过燃料电池电化学作用，一面释放电能推动机械作功，一面与空气中的氧化合又重新产生水，几乎无硫氧化合物(SOx)和氮氧化合物(NOx)的排放，温室气体CO2的排放量也远小于火力发电厂。由于燃料电池本身没有转动部件，因此其工作环境非常安静。

2．高效。从理论上讲，燃料电池可将燃料所含化学能的90%转化为可利用的电和能。已实现商业化的磷酸型燃料电池((PAFC)实际运行中发电效率接近46%；而熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)的发电效率可达到60%，而目前其他能源的效率大约是：核能30~33%、天然气30~40%、煤为33~38%、油为34~40%。

3．可靠。与燃烧涡轮机循环系统或内燃机相比，燃料电池发电系统其转动部件很少，因而系统更加安全可靠。燃料电池系统发生的唯一事故就是效率降低。

4．灵活－分散式供电。电力工业集中供电的模式越来越受到分散式供电的挑战。电力工业由于规模效益，发电厂(站)规模都很大，而且远离用户，电力要通过高压线及变电站输送到用户。分散式电站与用户距离很近，利于降低成本，改进服务。燃料电池发电厂就是属于分散式供电系统的一种。其效率与其规模无关，可根据用户需求而增减发电容量；其安全性和供电质量非常高。这对计算机、通讯、银行、连续生产等系统非常有利，因为它减少了由外部电网中断所可能引起的事故。

燃料电池按电解质的性质划分为五大类，它们各自处在不同的发展阶段。表1(略)显示了这五类电池的技术、用途与应用现状等特性。从中，我们知道可用作新能源的有质子交换膜燃料电池(PEMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)。

欧美都在大力发展燃料电池。2003年9月10日欧盟委员批准通过了一系列措施，加强能源系统和燃料电池的研究和开发，以便在中期内使欧盟减少对石油的依赖和保持可持续发展。这些措施包括首先是建立一个协调机构，对可行建议和计划进行协调；此外还确定了以氢为主的发展战略和日程表。氢燃料电池是欧盟实现2020年20%能源来自替代能源目标的主要办法。欧盟认为“燃料电池将有助于解决能源供应安全，环境和气候变化问题。此外，它还使能源生产不那么集中”。不过，欧洲在这方面的公共支持还处于较低水平。在2002~2006年期间内仅投资3亿欧元。

美国能源部于2002年9月5日正式“自由汽车合作计划”(Freedom Cooperative Automative Research Plan)。该计划支持制定有关氢能基础设施法规和标准的科学基础的研究，重点是燃料电池动力系统，氢能存储系统等同时确定2010年目标的技术指标：2003年2月6日美国布什总统在华盛顿举行的能源问题论坛上说，如果美国把氢动力发展成为一种实用的民用燃料，“我们就能在2040年以前把每天的石油需求量减少1100万桶以上”。布什的预算案建议今后5年里为氢燃料计划和“自由汽车合作计划”提供17亿美元的经费，其中包括用于氢研究的7.2亿美元新经费。

然而，目前燃料电池在国际范围内仍未进入大规模的商业化，主要有以下几个原因：

1．与传统的发电方式相比，燃料电池市场价格依然昂贵；

2．燃料电池的工作寿命及可靠性仍有待于进一步提高；

3．燃料电池技术不够普及，缺乏完善的燃料供应体系。

因此朝着解决上述问题的主要方向是：

1．研究新材料：如新的离子交换膜、新型电催化剂、新型双极板等，以降低燃料电池的制造成本，提高燃料电池的工作寿命及可靠性，增强其市场竞争力。

2．建立示范模型：如以燃料电池为动力的纯电动车；住宅或商用分散型燃料电池电站；便携式燃料电池动力源等。通过示范模型，普及燃料电池技术，政府在规划基础建设时，建立适合于燃料电池的燃料供应体系。

3．优化电池结构与发电系统。

二、燃料电池作为新能源在我国的研发现状

我国自90年代以来，多家研究机构开展了熔融碳酸盐燃料电池的研究工作。上海交通大学、大连化物所等单位在阴极、阳极、LiAlO2粉料、电解质隔膜，双极板等关健材料和部件的制备，在电池组的设计、组装及电池系统总体技术的开发上取得了一定的突破。上海交大2001年6月成功进行了kW电池组的发电试验。目前我国已具备了研制数十kW级熔融碳酸盐燃料电池发电系统的能力。

在“八五”、“九五”期间我国已有十几个单位进行了SOFC相关技术的研究，如大连化物所、中科院上海硅酸盐研究所，吉林大学、中国科技大学等。在材料和部件，在工艺方面都取得了较大的进展。2001年3月中科院上海硅酸盐所成功地进行了800W的发电试验。目前我国也已具备了研制数kW级固体氧化燃料电池发电系统的能力。

我国质子交换膜燃料电池的研发进展得更快些。由于受国际上发展趋势，特别是电动汽车的需求的影响。比较有影响的单位是大连化物所，北京世纪富源公司，上海神力公司及北京绿能公司等单位。他们研制的电池组最大功率均能做到30kW以上。上海神力公司的报告称他们已完成第二代燃料电池发动机的研制任务，与清华大学轿车配套的燃料电池发动机功率达到45kW与该校大巴车配套的功率则可达80kW。科技部非常重视和支持燃料电池汽车技术的研发，“十五”国家863计划中，特别设入电动汽车重大专项，投入近9亿元，无疑这将推动PEMFC在电动汽车上作为动力的研发工作。

2003年3月27日由中国政府、联合国开发计划署－全球环境基金(UNDP-GEF)合作项目“中国燃料电池公共汽车商用化示范”正式启动。这项目为时5年，采用全球招标方式购置6辆燃料电池公共汽车，并建立相应加氢设施。这项目最终将推动燃料电池公共汽车在中国产业化和推广应用。也将为燃料电池在我国的应用及其标准化工作起促进作用。

三、燃料电池的标准化状况

燃料电池作为新兴产业，其技术尚未完善，大规模商业化也还有待时日，因此其标准化工作历史不长。1998年国际电工委员会(IEC)才成立了燃料电池技术委员会(TC105)。迄今为止已有七个燃料电池技术标准的工作组在进行制定工作(见表2略)，去年8月22日又开始传递新的工作项目－“微型燃料电池发电系统－安全”标准(IEC105/61/NP　WG#？)。各个国家将借鉴这些标准编制本国在多个领域应用的燃料电池技术标准。2002年10月科技部在我国“九五”期间新能源和可再生能源领域安排的国家科技攻关项目、863计划项目等重大项目已取得阶段性成果，和拥有自主知识产权专利技术的基础上，下达了进行新能源和可再生能源关键技术标准研究国家科技攻关计划有关课题任务，包括了研究质子交换膜燃料电池的标准体系、“质子交换膜燃料电池术语”标准以及制定“质子交换膜电池组及系统”标准。这些标准已经按计划完成或在进行中。它们基本上是采纳IEC/TC105的有关标准制定，力图使我国燃料电池技术及标准与国际接轨。除此之外，我国上述几种燃料电池的标准大都仅仅是企业标准。

四、2005~2007燃料电池标准化发展重点

1．开展固体氧化物燃料电池(SOFC)和熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）体系的研究，术语标准及电池组、电池系统标准的制定工作。

篇5

很多人仍对去年那场笔记本电脑电池的大规模召回事件记忆犹新，一场类似的事件又开始再度袭扰业界：8月中旬，全球最大的手机生产商诺基亚公司宣布召回4600万块手机锂电池；同样是在8月中旬，东芝公司宣布，由于存在过热和火灾的隐患，该公司主动召回1400台笔记本电脑的电池；紧接着，8月下旬，一位美国用户使用的戴尔笔记本电脑的电池突然爆炸起火，虽然火灾并未造成人员伤亡，然而这位用户的文件和资料都付之一炬……

电池门事件再度来袭？

处惊不乱

诺基亚方面宣布，该公司产品中使用的部分由松下制造的锂电池，在充电时可能会出现过热的问题，公司将主动召回这些产品，并为用户更换电池。据悉，此次召回事件涉及的产品型号众多，数量多达4600万块，这也是业内最大规模的一起电池召回事件。该起事件与随后的东芝以及戴尔笔记本电脑事件，均明白无误地昭示出：电池工业正在面临着一场巨大的挑战。

松下方面则表示，电池的相关问题是在制造过程中产生的。具体来说，就是一个用于防止短路的绝缘层发生破损时，过热现象就会产生。诺基亚的统计也表明，迄今为止，松下锂电池造成的过热问题仅报告了100起（即百万分之二的比率），而且没有造成严重伤亡事件。

专家认为，不断发生的电池召回事件，一方面体现出企业对于用户更加审慎负责的态度，另一方面也表明电池生产方面仍然存在诸多问题。

20世纪90年代以来，可充电的锂电池一直是笔记本电脑和手机产业飞速发展的重要因素之一。由于价格相对便宜、重量轻、电量足、环保性能好，锂电池得到了用户和业界的广泛认可，成功跻身于主流市场，并应用于电脑、手机、PDA等产品。广泛使用的锂电池引发了便携电子产品的一场革命，它将大量的能源浓缩在非常小的空间中，并且能让用户得到更长的使用时间。然而，从另外一方面来看，由于锂电池产生的电流更大，制造工艺也更加复杂，因此它更容易出现发热甚至过热的情况，万一造成短路，其后果也更加严重。

一些分析人士指出，手机和笔记本电脑产业的发展速度，已经远远超过了电池技术的发展速度，在这些产品功能日趋完善的同时，它们对启动电流、工作电流、待机电压等指标，以及对锂电池的整体性能也提出了越来越高的要求。以个人电脑中的CPU为例，自从问世起至今，CPU的性能已经提升了几百倍，然而笔记本电脑的电池容量却始终变化不大。

对于目前的锂电池技术，也有一些专家提出质疑。日本东京理工大学教授Masataka Wakihara就认为，笔记本电脑和手机所使用的锂离子电池的底层技术是不安全的，根本达不到满足其使命所要求的标准，需要重新进行设计。Wakihara还抨击了电池制造商，他表示：“电池制造商还处在学习阶段，因为制造技术还不太成熟。问题是，当前锂离子电池在设计上存在根本性缺陷，要避免安全问题，就必须要彻底改变制造方式。”他将锂离子电池形容为“危险的能量盒”。Wakihara的观点得到了日本全国高级工业科技协会电池研究部门主管Kuniaki Tatsumi的支持，Tatsumi也认为：“电池制造商很少关注电池的安全性设计。”

尽管如此，主流舆论和多数专家仍然认为，锂电池虽然具有一定的局限性，但是在可预见的未来，它仍将是IT产品中最实用的电池技术。

后继有人

其实，技术人员找寻锂电池替代物的努力从来没有停止过，而在当前，看起来燃料电池技术似乎最具备承接锂电池衣钵的资质。

燃料电池并不是什么新鲜事务，早在180年前，英国人W.Grove就提出了氢和氧反应可以发电的原理，而这正是燃料电池的立身之本。

燃料电池是一种化学电池，它利用物质发生化学反应时释出的能量，直接将其转变为电能。从这一点来看，燃料电池和其他化学电池，譬如锰干电池、铅蓄电池等都是较为相似的。然而，燃料电池在工作时需要不断地向其提供燃料和氧化剂，这又和其他普通化学电池有着极大的不同。正是由于它把燃料通过化学反应释出的能量变为电能输出，因此被称为燃料电池。

多年前，就有一些日系厂商开始设想将燃料电池用于笔记本电脑，他们乐观地表示，将在未来几年大力推广采用燃料电池的笔记本电脑。遗憾的是，这一幕至今仍未成为现实，而且也少有证据表明我们距离燃料电池越来越近了。

在一些“概念型”产品上，我们倒是时常目睹到燃料电池的应用。三星最近就展示了其超便携式笔记本电脑Q35，据悉，有了其配套燃料电池的支撑，Q35能够在每天使用8小时的情况下，连续工作1个月的时间。与三星在去年底的同类展示相比，新型燃料电池在待机和工作方面的表现相差无几，但是“三围”明显小了不少，这也表明它距离商用越来越近了。三星方面也表示，Q35燃料电池笔记本电脑目前正在测试中，有望在2007年年底正式推向市场。

8月27日，索尼公司表示，该公司开发出一种使用食糖的环保型燃料电池，这种电池产生的电流足可以带动一个MP3音乐播放器和一对音箱。据了解，这种电池的外壳是由用蔬菜制造的塑料制成，只需在其中倒入糖溶液，生物酶就会分解糖溶液进而产生功率为50毫瓦的电流。索尼表示将把这种燃料电池投入商业应用，不过该公司没有披露具体的时间表。

专家表示，燃料电池兼备了无污染、高效率、适用广、无噪声和具有连续工作等优点，而且工作的副产品只有水和热量，无噪音，基本无污染，效率比起一般的发电系统也高得多，比起常用的锂电池和聚合物锂电池要干净和环保得多。另外，相对于一般的锂电池，燃料电池能够在容量相同的情况下，把电池做得更小，或者在电池体积和重量相同的情况下，把电池容量做得更大。

不过，燃料电池的优点尚不足以令它顺理成章地替代锂电池的地位。同时，燃料电池目前的一些缺点也将阻碍它的应用和普及。譬如，燃料电池用来在低温下生成氢所需的白金催化剂的成本比较昂贵，电力密度也较低，整体成本远远高于锂电池；其次，在工业生产中，燃料电池产生的水和热量可以轻而易举地进行循环再利用，但是在笔记本电脑、手机等IT产品中，这些热量和水如何进行处理将是一大难题；最后，燃料电池和我们现在使用的锂电池不同，它不可以充电，要想持续使用，必须不断补充燃料（电解质）。如何让用户方便地取得燃料，并不是件容易事，同时用户理念的转变也将是横亘在燃料电池普及路上的一座大山。

篇6

关键词：清洁新能源；公交行业；发展前景

前　言

在节能减排的压力下，在公交行业发展清洁新能源公交汽车势在必行。清洁新能源公交汽车有很多种.本文从混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车三方面对清洁新能源在公交行业的发展前景进行了探讨。

一、外充电式混合动力的发展

随着国内外的技术交流，我国清洁能源也得到迅速的发展，保证了外充电式混合动力公交汽车的技术上发展，以下是外充电式混合动力公交汽车发展的优势前景分析。

1.外充电式混合动力汽车双重模式

外充电式混合动力汽车不仅拥有全部的纯电动汽车的优点，而且拥有全部的混合动力汽车的优点。可以通过汽车的用途和正常使用大幅减少蓄电池数量，减少充电时间，提高车辆的有效载荷。

2.外充电式混合动力汽车的节能减排效果好

外充电式混合动力汽车的外充电运行模式可以使汽车对石油的依赖性降低。外充电式混合动力汽车的噪声和排放都很低，环境性能极好。放眼未来，外充电式混合动力汽车也有着非常明显的节能减排效果，同样在噪声的降低和二氧化碳等有害物的排放量上有出色的表现。

3.外充电式混合动力汽车的能源多样化

外充电式混合动力汽车的能源非常多样化，其混合动力发动机燃料的来源可以是天然气、甲醇、液化石油气、合成燃料等多种替代能源。可以摆脱汽车依赖石油的特性，对于垒球石油能源的日渐缺乏的今天，有着战略性的意义。

4.外充电式混合动力汽车可持续发展能力强

外充电式混合动力汽车所用蓄电的数量较纯电动汽车要少，质量少，造价低。蓄电池、内燃机及动力控制系统等技术，存在者不断完善和持续发展的潜力，届时外充电式混合动力汽车会发展为性能更好，经济性更优并且更低的排放的汽车。

5.外充电式混合动力汽车产业化优势比较明显

从传统内燃机向着纯电动汽车发展是新一代动力系统发展的主要趋势，并在国际上混合动力汽车技术已经成熟，而且大规模的产业化得到了实现，相比于纯电动和燃料电池汽车，整车造价低的混合动力汽车容易被市场接受，不仅可以作为过渡车型大力发展，也适合我国未来城市长期使用公交车的需求。

二、纯电动公交汽车的发展

以下五个方面剖析了在公交行业发展大力发展纯电动公交汽车的原因，揭示其光明的发展前景：

1.纯电动公交汽车能源效率高

以石油作能源与以电力作能源相比，综合能源利用率柴油汽车只有16％，纯电动汽车则能够达到的综合能源利用率为24％。由此可见，纯电动汽车的能源利用效率非常高，因此，纯电动汽车会在公交行业得到广泛应用。

2.纯电动公交汽车环境性能好

纯电动公交汽车可降低75％的二氧化碳排放量，低碳排放有利于对垒球气候变暖抑制。纯电动公交汽车发动机尾气排放问题根本不存在，减少了大气污染，净化了空气。与内燃机所产生的噪声相比纯电动公交汽车的驱动电机工作噪声极小，因此，纯电动公交汽车行驶噪声低。可见，环境性能好是发展纯电动公交汽车重要因素。

3.纯电动公交汽车有利于能源结构调整

石油资源将随着垒球发展越来越少，为此，推广纯电动汽车，可以降低汽车依赖石油的性质。一方面，纯电动汽车可以由多方面获得电力的来源，例如；水利、太阳能、风能以及核电等多种形式。另一方面，可以根据峰谷电价和公交行业对汽车的使用习惯，可以通过夜间充电来解决电力平衡问题。可见，此种提高电力资源利用效率的方法，有利于公交行业清洁新能源的发展。

4.纯电动公交汽车有利于改善城市环境

对于公交车来说，纯电动汽车的续航里程、成本等不会成为太大问题。公交车每天的行驶距离和行驶路段通常是固定的，在一定程度上能够预测电池剩余量的变化。通过适当设置充电器在站点和公交车终点站等处，电池容量限制的续驶里程问题就能够顺利解决。所以，纯电动汽车很适合应用在公交行业之中，有着很好的发展前景。

5.纯电动公交汽车可降低使用成本

传统内燃汽车相比纯电动汽车的使用成本很低。纯电动汽车在营运费用方面的耗费仅是主流的柴油燃料汽车的15％左右，纯电动公交汽车结构简单，运转部件和传动部件少，使用和维修都较内燃气车要方便，零部件维修费在整个寿命周期内也相对少很多。可见，纯电动公交车在传统内燃汽车节省很多的使用成本。采用这种清洁新能源纯电动公交汽车有利于公交行业的发展。

三、燃料电池公交汽车的发展

燃料电池公交汽车会在公交行业发展上会得到良好发展前景，因为燃料电池公交汽车有着如下五个方面的优势：

1.燃料电池公交汽车发电效率很高

燃料电池汽车的发电方式是燃料电池将化学能直接转换电能的方式.而火力发电则是将石油、煤炭燃烧产生的热能先转换成为动能，再由动能转换成电能.这样发电效率就会大打折扣。燃料电池公交汽车发电效率很高.为此研究、发展燃料电池公交汽车对公交行业的发展起着很大的作用。

2.燃料电池公交汽车无送电损失

在使用场所，燃料电池可直接转换燃料的化学能为电能，可以再远距离直接发电并直接传送给用电设备，不会有送电损失问题存在，与之相比火力发电则会有高达6％左右的远距离送变电损失。因此，应大力推广燃料电池公交汽车的应用。

3.燃料电池公交汽车环境负荷小

燃料电池以氧和氧为燃料，清洁的水则是其生成物，因此，不会有一氧化碳和二氧化碳产生，也不会排出硫和微粒。与之相比，火力发电会有大量二氧化碳和各种有害物质伴随着能源的燃烧排放到大气中。由此可见，清洁新能源应用干公交行业的重要性。

4.燃料电池公交汽车燃料类型广泛

氢和氧燃料是电池发电时所用的燃料，其中氧可以直接从空气中获取.所以，只有氢是实际工作时所需的燃料。制取氢有着多样化的燃料，例如：天然气、甲醇、酒精，煤炭以及石油等多种燃料。通过电解水制氢、生物制氢、太阳能电解制氢的再生能源制氢可以形成循环利用系统，尤其对于边远地区这种循环系统特别适用，降低了系统建设成本和运行成本。

5.燃料电池公交汽车经济性好

在能耗上，与传统汽油车的能耗相比氢燃料电池车辆的经济性非常好，氢燃料电池车辆的能耗节省是其二到三倍。燃料电池汽车在节约能源的方面明显好于普通内燃机汽车。可见，燃料电池公交汽车节省很多的使用成本。发展这种清洁新能源燃料电池公交汽车有利于公交行业的发展。

结语：发展清洁新能源公交汽车是公交行业发展的必经之路，目前，发展清洁新能源公交汽车还需要突破技术、降低成本、拓展市场。为此，必须秉着坚定的信念，克服万难，抢夺发展清洁新能源公交汽车的制高点，以发展壮大我国的清洁新能源公交行业。迎来光明发展的前景。

参考文献：

[1]顾建国，我国新能源公交车发展探讨(二)：纯电动(BEV)面临的课题与挑战[J].人民公交.2010(02)。

[2]顾建国，我国新能源公交车发展探讨(三)：燃料电池汽车的发展前景[J].人民公交，2010f03)。

[3]顾建国，我国新能源公交车发展探讨(一)：外充电式混合动力的优势[J].人民公交，2010(02)。

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现代化的生活离不开能源，现代化的发展也离不开电力。我国是人口大国，也是大力大国，2010年的发电总量超过美国。我国的能源供应和用能分布不匹配，西北地区是能源供应地，东部沿海是主要用能区域，这导致了我国的西电东输，北电南送的格局。当然，智能电网的发展能够提高电力输送的效率，减少损耗，但是现实却是电网事故无法完全避免；国家能源“十二五”规划明确提出要重视节能优先战略，提高能源生产和利用效率。大力发展分布式能源，是提高电能效率的有效途径。

一、分布式能源及分类

（一）分布式能源定义

对于分布式能源，不同机构和组织基于不同角度提出来不同的定义，主要表示分布于用户端的能源的综合利用系统；其中，一次性能源以液体或气体为主，可再生能源为辅，表示多源输入；二次能源以电力、冷力（热力）形态为主，代表多源输出，能效综合效率达到70%以上。因此，我们这里借用徐建中、邓建玲（2014）给出的定义，分布式能源是指靠近用户侧，由不同模块化设备组成的提供多种形式能源的供应系统 [1]。分布式能源具有靠近用户侧的特点，因此能够提高能源系统的安全性，减少意外事件造成的损失。

（二）分布式能源分类

目前，靠近用户端的发电方式有多种，在实际应用中，按照发电容量分为大型（≥MW）、中型（100kW-1MW）和小型（

1、太阳能光伏发电

地球上目前使用的能源从根本上说都来自于太阳能，比如石油、天然气也是以往太阳能的累积。现在所讲的太阳能一般是指当前接受的太阳辐射到地球的能源。太阳内部的核聚变产生的能量巨大，辐射到地球的能源仅仅为总能量的1/22000000，太阳每秒钟辐射到地球的能源为500 万吨煤。如果太阳能量能够完全利用，地球上一年的能量消耗只需太阳15分钟的能量传输。

太阳能光伏发电是利用太阳能电池的光伏效应直接将太阳光能转换成电能，这是一种新型的发电系统。太阳能光伏系统的发电容量，能够任意组合，最适合用户端客户的分散使用，还是一种清洁能源，可进行独立微网发电，也可以并网发电。我国在1958年便着手太阳能电池的研究，1971年将其应用于东方红2号卫星上，1973年后将其应用在地面上。我国的光伏产业发展快速，已经形成了较完整的产业体系。我国的太阳能资源丰富，国土面积的三分之二年日照时间达到2300小时以上，每年陆地表面接收的太阳能量约为17000亿吨标准煤。从长远来看，我国丰富的荒漠资源将是重要的能源宝地。太阳能光伏发电分为独立光伏发电系统和并网光伏系统，独立光伏发电系统仅靠太阳能电池供电；并网光伏系统将太阳电池发出的直流电变换成交流电，且与电网并联。

2、风力发电

风力发电是将风能经由机械能而转换成电能的过程。根据风力发电有不同的运行方式，主要有独立运行和并网运行，还有互补运行等方式。独立运行直接将风力发电产生的电能利用蓄电池储存起来，然后供用户使用。这种方式的成本较高，因为储能设施造价高昂，但是适用性较强，可以供主电网输送不到的地区，如牧区海岛等区域，其单机容量可以达到数百千瓦。并网运行是指将风力发电的电能经过变压器全部输送至主电网，这种方式适合在风力资源丰富的地区，比如沿海地区。互补运行方式是指将风力发电与其他发电方式互补，比如风力―太阳能光伏，风力――燃料电池，风力―柴油机组等，该种方式能够保证供电的连续性和稳定性，降低离网型的用户的发电成本，提高利用资源的利用率。

3、燃料电池发电

燃料电池是直接将化学能转化为直流电能的装置。其工作原理：当氢基燃料（如天然气）与氧气结合生成水时，氢离子和氧离子会发生定向移动，形成电路电流，好比是电解水的逆过程。实际上，燃料并不需要燃烧，通过电化学过程完成了化学能向电能的转化。目前主要有5中燃料电池，即PEM、AFC、PAFC、SOFC和MCFC，其中PAFC是目前应用最广的燃料电池。燃料电池具有很多优点，首次，在能量转化过程中，燃料电池的副产品是二氧化碳和热水，这些副产品还可以综合循环利用，其发电效率远高于传统发电效率；其次，废物排放量较小，属于清洁型能源利用方式；最后，安装简单，成本较低，效用较高。

4、生物质能发电

生物质能发电的能源来源于生物质，是将生物质能转化为其他能量形式（如沼气、酒精、燃气等），然后利用通用的发电技术，将电能供给给用户使用。生物质能发电有以下优点：其一，可以利用当地丰富的生物能源，比如麦秸，动物粪便等，节省了从外输入能源的成本，节约了资源；其二，生物质能发电设备容量相对较小，可以独立有运行，可以解决偏远地区或电网触不到的地区的用电；其三，生物能源属于可再生的，其发电的污染较小，对环境的伤害相对小一些。

5、微型燃气轮发电

微型燃气轮机是一种小型气轮机，一般以液体燃油为燃料，如，天然气，汽油、柴油等，这是应用较普遍的分布式发电电源。微型燃气轮机的发电功率范围一般在千瓦以下，发电效率约为30%，热电联产效率可达到75%。微型燃气轮机的工作原理是：在回热器内预热的高压空气在燃烧室与燃料混合燃烧，产生的高温燃气带动发电机发电，发电机先产生高频率交流电，然后将其转换成高压直流电，最后转换成60Hz/480V的交流电供应给用户使用。

6、其他能源发电

除了上面所说的能源发电之外，还有海洋能和地热能发电。海洋能包括波浪能、潮汐能、、海流能、海水盐差能等。目前，比较成的技术是是潮汐能发电。潮汐能发电与水力发电相类似，就是利用海水造成的水位差带动水轮机来发电。地热能来自地球内部，熔融岩浆以及放射性物质产生热能，属于可再生能源，地热发电与火力发电类似，不同的地方是地热发电的能源来自于地下热水和蒸汽。

二、分布式能源效率的评价指标

对于分布式能源效率评价，我们这里以典型的冷热电联产为分析对象。

（一）一次能源利用率（（PER）

这里采用的分布式发电技术是微型燃气轮发电，采用气体燃料（天然气等）。一次能源利用率 （PER ，Primary Energy Ratio）是属于非常直观的评价指标，它是基于物理热力学第一定律，不考虑能量的质的差别，公式为：，式中，Qe表示，系统总的发电量（kWh）；Qh表示系统总供热量（kWh）；Qc表示系统总制冷量（kWh）；Gu表示系统的燃料消耗总量（m3/h）；Hu表示燃料的低位发热量（kJ/m3）。

1、分产系统能源利用率

在传统上分产系统一般是指电网供电、锅炉（燃气）供热、电制冷机供冷，其一次能源消耗量为：

；

分产系统一次能源利用率为：

式中，ηb表示锅炉效率；ηce表示电网效率与发电效率乘积；COPec表示电制冷机性能系数；PERb=ηb，表示锅炉供热系统的一次能源利用率；PERb=ηce，表示发电系统的一次能源利用率；PERec=COPer・ηer，表示电制冷系统的一次能源利用率。

2、联产系统能源利用率

联产系统可以利用余热进行供热、制冷，其一次能源利用率为：

式中，ηle表示联产系统的发电效率；Qf表示联产系统的总能源消耗量。

（二）节能率

节能率=节能量/原燃料消耗量。在此，表示联产系统相对于分产系统的节能率，以PES表示，公式为：

（三）效率

效率也称二次能耗率，指系统各种能量之和与燃料的热能的比值。这是从物理热力学第二定律来对用能效率进行衡量的指标，重视能量的质。效率可以表示为：，式中：Ew表示系统总供电量（kW）；Eh表示系统输出有用热量（kW）；Ec表示系统输出有用冷量（kW）；Qge表示燃料总值（kW）。

三、结论

选取不同能源效率评价指标来衡量分布式能源的效率，结论会有所不同，有时甚至会出现大相径庭的结果。对冷（热）电联产的效率评价准则分为两类，一类是根据物理热力学第一定律，不考虑质的差别，常用的有一次能源利用率、节能率；另一类是根据物理热力学第二定律，考虑质的差别，如效率。目前，应用较多，效率评价相对简单的指标是第一类，尤其以一次能源利用率指标评价和仿真的研究较多。

参考文献

[1]徐建中，邓建玲.分布式能源定义及其特征[J].华电技术，2014，01：3.

[2]王敏，丁明.分布式发电及其效益.合肥工业大学学报，2004，7（4）：354-358

[3]雷亚洲.风力发电与电力市场.电力系统自动化，2005，29（10）：1-5

[4]毕道治.中国燃料电池的发展.电源技术，2000，24（2）：103-107

[5]刘万琨.微型燃气轮机和分布式电源.东方汽轮机，2004，5（3）：26-41

[6]蒋润花.分布式能源系统研究[D].中国科学院研究生院（工程热物理研究所）， 2009.

篇8

目前，大多数大汽车市场的监管机构都要求大幅度减少汽车尾气的二氧化碳排放，而蓄势待发的新一轮的汽车进化正是与汽车的排放量密切相关。

管窥节能环保汽车

发展低碳汽车，意味着要实现动力系统的电气化，这需要经历几个阶段：微混合动力/起停汽车、轻度混合动力汽车、完全混合动力电动车、插电式混合动力电动车、里程扩展型混合动力电动车、电池电动汽车和燃料电池电动汽车。本文介绍“液压混合动力”之外的一些技术发展及相关应用，以窥探全球节能环保汽车的发展现状。

【混合动力电动车】 混合动力电动车可以显著提高燃油效率并减少温室气体的排放量，特别是在城市中使用时，它们还可以减少其他空气污染物的排放量，并降低城市中的噪音水平。目前已经有多种车型，比如丰田Prius、本田Insight、本田Jazz混合动力、雷克萨斯CT200H、保时捷卡宴S混合动力车、标致508HYbrid4和奔驰E300B luetecHybrid等。可以说，从丰田1997年首次大规模生产第一代Prius至今，混合动力技术已经确立了坚固的市场地位。2009年，Prius是日本最畅销的汽车，而混合动力汽车也占据了当年11%的市场份额。据报道，Prius是2012年第一季度全球销量第三的汽车。随着更多的车型的出现，混合动力技术将在全球范围内获得更大的市场份额。在推出高档的Lexux混合动力车并把Prius的范围扩大到包括七座的同时，丰田现在已经推出了混合动力版本的Auris和Yaris。2012年9月，丰田宣布它计划到2015年底前推出21款新的混合动力车型，并预计在2013～2015年间，其混合动力汽车的年销售量至少为一百万台，这大约相当于丰田15%的汽车生产。

【插电式混合动力电动车】 插电式混合动力电动汽车结合了短距离时（如每天上下班）电动模式的优势与长距离时汽油/柴油动力汽车的优势（运行距离远，加油时间短）。该车在纯电动模式下运行时不产生任何直接影响空气质量的污染物，同时降低噪音污染；与低碳电力结合使用时，可大大减少温室气体排放。但插电混合动力电动汽车购买价格明显高于同类的内燃机汽车。因为需要容纳内燃式发动机，一个电动马达和一个大电池，所以它比传统汽车重；而且，这可能会导致降低车辆内部空间和负载能力，并增加车辆的能源消耗。虽然更大的电池的生产增加了插电混合动力电动汽车的碳排放，但车辆整个生命周期的整体净排放量仍是比传统的汽油/柴油动力车显著降低。由于是混合动力，因此它非常适合那些需要很多较短距离（如每天上下班）车程，但同时还需要传统内燃机汽车的行驶距离和公用设施的车主。目前市场上有少量的车型可购买，比如沃尔沃V60、丰田Prius插电式混合等。

【里程扩展型混合动力电动车】 与插电式混合动力电动汽车类似，该车在纯电动模式下运行时不产生任何直接的影响空气质量的污染物，而且在低速行驶时能减少噪音污染；当与低碳电力和生物燃料一起使用时，可以实现显著的温室气体减排。同样，与内燃发动机汽车相比，前期的购买价格比较高。里程扩展型混合动力电动车在制造中可能会产生比同级别的内燃发动机汽车多达34%的温室气体排放量，这主要是由于电池生产造成的，但车辆生命周期的整体净排放量仍然显著降低。全电动情况下更长的行驶距离，结合汽油/柴油扩展，使得该类车辆非常适合每天有定期的较短行程的驾驶者。当需要长途旅行时，该类车辆有传统内燃机汽车的行驶里程和公用设施可用。但如果推广，则需要通过技术创新来降低电池成本和重量，从而让车辆价格与替代车型接近，并且提高性能。目前有一些可选车型，如沃克斯豪尔的Ampera、雪佛兰的Volt、菲斯克的Kama。

【纯电池电动汽车】 2013年4月，Detroit Electric在上海汽车展上向公众推出了新的高性能电动跑车SP：01。该限量版的两座纯电动跑车为电动汽车的性能和操控性树立了新的标杆。它的最高时速可达250公里，加速到100公里每小时只需要3.7秒，据称是当今世界速度最快的纯电动汽车，但高昂的价格（起价13.5万美元）使得在车展或电视节目以外的地方看到SP：01电动跑车的机会相当渺茫。纯电池电动汽车几乎无污染，且每公里行驶成本较低。由于运动部件的减少、液体变化的需求减少和刹车片磨损的降低，需要的维修成本也比内燃机动力车低。与汽油/柴油或混合动力汽车相比，它最大的劣势是价格过高。中型纯电池电动汽车（如日产LEAF）比同级别的汽油或柴油动力车要贵大约2万美元，这主要是由于电池成本高。随着技术创新和电池产量增加，纯电池电动汽车的成本溢价可能会随着时间的推移而减少，到2020年降至约8000美元，到2030年降至约4000美元。与汽油/柴油动力车相比，目前纯电池电动车行驶里程有限（通常160公里左右就需要充电，但范围从80～400公里不等）；在极冷或极热条件下，行驶里程可能更有限。另外，汽车生命周期内电池的耐用性还是个未知数。

【燃料电池电动汽车】 汽车制造商越来越担心制造电池为动力的汽车将无法满足苛刻的排放和燃油经济性标准，因此或许我们需要燃料电池电动汽车。使用氢气作为燃料——实际上更准确地说是用它作为能量载体，因为生产氢气要消耗其他能源——有潜力减少温室气体和其他污染物的排放量，因为燃料电池电动汽车在使用阶段没有空气污染物排放，水蒸汽是惟一的反应产物。正如戴姆勒公司首席技术官Thomas Weber所言，燃料电池技术具有无排放行驶的最大潜力。美国能源部长最近对氢气技术表示出越来越浓厚的兴趣。与此同时，德国政府已经拨款给全国可替代能源的服务站，用其提供电池充电器和氢泵服务。由于较短的加油时间和较长的行驶里程，燃料电池汽车适合于需要定期长途运行的车主。预期到2050年燃料电池电动电动车可能会占据超过30%的中型汽车市场。

2013年1月下旬，丰田和宝马透露说计划在氢燃料电池研究方面进行合作。早些时候，福特、戴姆勒和日产宣布它们共同努力，并最早于2017年将它们自己的燃料电池技术推向市场。它们希望通过协作发出明确的信号，让供应商、政策制定者和行业鼓励进一步发展氢气补给站和其他必要的基础设施，从而使氢气动力车大众化成为可能。

估计目前燃料电池汽车的成本溢价约为10万美元。随着时间的推移，溢价会减少，预计到2030年降至4500美元左右。2012年，英国研制成功聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC），它能在较低的温度下操作，比其它燃料电池更小、更轻，使得它们更适合用于小汽车和货车。英国的聚合物电解质膜燃料电池系统可将汽车总拥有成本降到低于36美元/kW，从而让燃料电池电动汽车足以在成本上与内燃机动力汽车竞争。如果使用该技术，到2050年可以将燃料电池电动汽车的市场总份额从原有预期的25%提高到34%，相当于在全球增加了200万辆燃料电池电动汽车，这等同于300亿美元的聚合物电解质膜燃料电池市场价值，以及全球2.6亿吨的二氧化碳节余。

目前还没有可供购买的氢燃料电池汽车，但氢燃料电池汽车已经开始试运行。例如在南加州，本田已经向一组选定的消费者出租其FCX氢燃料电池汽车。在夏威夷，通用汽车测试了氢动力雪佛兰汽车Equinox，该车在2010年温哥华冬季奥运会中试用。2013年2月现代开始有限生产供公共和私人车队租赁的车辆。丰田表示会在2015年燃料电池轿车，其他厂商也有类似期望。它们的目标市场定在英国、日本、德国和美国等国家，因为这些国家已经有了这类汽车加燃料所需的氢基础设施建设计划。

氢气动力的待解难题

虽然有足够的吸引力，但是氢能源自身也存在问题。

首先，氢气不是燃料，它只是燃料传输的一种方法。作为宇宙中最丰富的元素，氢气并不是单独存在的，它必须从其他化合物—如水或烃分子—中提取，需要其他能源。最清洁彻底的方法当然是利用太阳光将水分解为氢和氧，或者使用太阳能电解水。这意味着要有一个可行的“氢经济”，太阳能的使用一定要便宜。当然制造氢气的能量也可以来自煤炭或核能，但其后的副产品必须加以处理。

新的提取氢气的技术也在不断涌现。例如2013年3月，瑞典隆德大学（Lund University）的研究人员开发出一种方法，可以将发电站运行中产生的燃烧垃圾底灰分解成氢气。由燃烧垃圾形成的重的砂粒状底灰经常被用来覆盖垃圾填埋场或作为建筑材料，由于存储时会逐渐释放氢气，因此为了避免爆炸危险，这些垃圾底灰通常被放置在开放空间以确保氢气可以逸出。这项新技术不是让氢气缓慢释放到空气中，而是在无氧环境中用水浸湿底灰使其迅速释放氢气，然后收集并存储，从而将垃圾底灰变为一种资源。该技术不仅消除了氢气爆炸的风险，还降低了垃圾填埋场的压力。研究人员估计，使用这种技术每年可产生200亿升的氢气，相当于56千兆瓦时（GWh）的能量，有助于更环保的氢生成。

其次，氢的存储运输有问题。氢气需要压缩存贮，携带氢加压罐相当于携带炸弹，非常危险，因此必须为氢气运输制造一个安全的氢存储介质。

第三，使用氢须使用燃料电池，因此燃料电池一定要便宜，但目前用铂作催化剂的成本相当高。同时，为了鼓励消费者对燃料电池汽车的大规模接受，必须有大型加氢基础设施的网络，以确保车主可以方便地为车辆加氢。

核心在于电池技术

动力系统电气化的进展速度主要取决于电池技术，或者说储能技术。如何让电动汽车的市场占有率迅速增长，改进电池技术和降低成本被广泛认为是最重要的因素之一。这需要四个方面的突破：降低成本、提高能量比（从而提高既定电池重量下车辆的行驶和性能）、提高可用的运行寿命和减少充电时间。同时，制造商必须确保最高的安全水平。由于许多锂离子化学物质的不稳定性，这一挑战相当大，这也正是当前插电式汽车的主要关注点。动力系统电气化的进展速度因素很多，有政府因素，比如树立运输业碳减排的长远眼光和战略，确保提供必要的加油/电/氢等的基础设施；有技术因素，比如降低成本并提高能源存储（和燃料电池）技术的性能，减少车辆的能源消耗，开发加油/充电的技术和标准等。

消费者考虑购买电动汽车时考虑的主要因素包括：所使用“燃料”（即电池等）的价格（90%）、方便充电（86%）、行驶里程（82%）、汽车使用寿命（即电池生命周期，78%）和汽车控制单元（即电池管理，73%）等。尤其电池，因为它占电动汽车总成本的比重很大，而电动汽车车主或潜在车主都还无法确定电池使用寿命有多久，折旧率如何。

虽然以电池为动力的汽车的发展让人失望：它们依然价格昂贵、行驶里程有限、充电时间长、电池寿命不确定以及车型少等，但是，随着电池技术的改进，全电动汽车足以满足那些短途的、日常行驶需求可预测的驾驶者的需求，而且更经济。而对于其他驾驶者，也会有一系列的选择来满足他们的需求，包括改进的汽油或柴油内燃发动机汽车、混合动力电动车、插电式混合动力电动车、燃料电池车及其他。根据KPMG的预测，到2018年，插电式混合动力车被认为具有最大的销售潜力，而纯电动汽车的吸引力最小（KPMG，2013）。比如日本，已经大力采用混合动力，2012年5月，所有新登记的汽车中有五分之一是混合动力车（此数字不包括微型车）。尤其是在福岛核灾难之后，纯电动车更加不被日本汽车业的高管看好。随着消费者越来越适应电子技术，他们的购买习惯很可能会改变。当前电动车的成本高的一个解决方案是买车，但可租赁电池，目前雷诺Twizy已经提供了这种模式。

从短期来看，预计传统的汽油/柴油车仍将继续主导个人交通工具。发动机技术的创新结合车辆效率的改进，可以实现高水平的燃料经济性。同时，全混合动力技术的市场份额会继续增加。

篇9

【关键词】燃料电池；质子交换膜；质子交换膜燃料电池

0.前言

燃料电池可直接将化学能转化为电能，能量转换效率高达60%～80%，实际使用效率是普通内燃机的2～3倍。同时，还具有燃料多样化、噪音低、可靠性强、维修性好等优点。因此开发燃料电池这种洁净能源技术是实现高效、合理使用资源和保护环境的一个重要途径，燃料电池技术是21世纪最具竞争力的能源新技术之一。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种低温燃料电池，除了具有一般燃料电池的能量转化率高、环境友好等特点外，还具有可在室温下快速启动、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率与比能量高等特点。

1.质子交换膜

质子交换膜是质子交换膜燃料电池的关键部分，它能起到分隔燃料和氧化剂、传导质子和绝缘电子的作用，其性能和寿命直接决定电池的性能和寿命。

质子交换膜的分类：

1.1含氟主链聚合物膜

C-F键的键能是485kJ/mol，高于C-H键的键能（350～435kJ/mol）和C-C键的键能（350～410kJ/mol），同时氟原子的半径较大（0.64×10-10m），氟在C-C键附近形成一道保护屏障，因此含C-F键的聚合物具有较高的热稳定性和化学稳定性。这类聚合物膜主要有全氟磺酸膜和部分含氟聚合物膜两类。

（1）全氟磺酸膜。

目前PEMFC中应用的质子交换膜几乎全为全氟磺酸膜，广泛应用的是美国Dupont公司生产的Nafion系列膜。在全氟磺酸膜中，磺酸根是固定离子，它与质子结合形成的磺酸基团既可提供反离子，又能吸引水分子。氟原子具有强的电负性，使磺酸基具有强酸性，其强度与硫酸相当，因此膜中的磺酸基团处于完全解离状态，具有较好的质子导电性。全氟磺酸膜的电导率强烈地依赖于含水量，全氟磺酸膜在含水量较低或温度较高（>100℃）又无水补充的情况下，电导率会明显下降[1]，很多研究者通过掺杂氧化硅等无机物来提高全氟磺酸膜在高温下的性能[2]。全氟磺酸化合物制备困难，成本较高，全氟磺酸质子交换膜的价格成为制约质子交换膜燃料电池商业化的一个重要因素。因此，开发性能优良的全氟磺酸膜的替代产品非常重要。

（2）部分含氟聚合物膜。

部分含氟聚合物膜的制备可采用全氟或偏氟材料为基膜，通过电子或等离子辐射，产生活性点后与带有质子交换基团（如-SO3H）的单体发生共聚反应，将其接枝到基膜上；或先接枝上不带有功能团的单体侧链，再通过磺化等反应在侧链上引入离子交换基团[3]。聚合物基膜一般采用偏氟乙烯（PVDF）、交联聚四氟乙烯（PTFE）以及乙烯-四氟乙烯的共聚物（ET-FE）等，从而保证膜在电池中具有足够的热稳定性、化学稳定性和机械强度。侧链多为含有苯环结构的化合物单体，如苯乙烯，以便于磺化。用ETFE的磺化接枝膜组装的直接甲醇燃料电池在90～130℃下的性能与Nafion膜相当。但是，电池阴极产生的HO、HO2等自由基易于进攻辐射接枝膜支链上的苄基，导致聚苯乙烯磺酸支链脱落使膜降解，尤其在高温下降解更容易发生。

1.2元素有机聚合物膜

元素有机聚合物是指高分子主链没有碳原子，完全由Si、O、S、N和P等组成。该类聚合物中用于制备质子交换膜的主要有硅氧聚合物膜和聚膦腈膜。

（1）硅氧聚合物膜。

Si-O键的键能为445kJ/mol，因此含有该键的聚合物具有较高的稳定性。通常无机Si-O网状结构（即陶瓷）在高温下形成。在常温下，该结构的聚合物可通过溶胶-凝胶过程在有机溶剂或水溶液中生成。有机基团可以通过化学键连接到氧化硅上，这样得到的产物叫作有机改性硅酸盐（ORMOSIL）或有机改性陶瓷（OR-MOCER）。将芳基磺酸或烷基磺酸阴离子[4]接枝到与硅原子连接的甲基上，得到一系列可用于燃料电池的质子导电聚合物膜。聚苯磺酸硅烷膜在室温下的电导率为10-2S/cm，具有无定型网络结构，200℃以内可稳定存在，是一种化学稳定性良好的透明膜材料。该类材料还可用于全氟磺酸膜的改性，或者制备无机复合膜。但至今还没有聚硅氧烷用于燃料电池测试的报道。

（2）聚膦腈膜。

聚膦腈是一类具有特殊性能的无机高分子功能材料，磺化和磷酸化聚膦腈主链是由交替的P、N原子以及交替的单双键组成的-（P=N）-长链，共轭双键使主链具有较高的化学稳定性，但双键的存在并不影响键的旋转，因此主链又具有较高的扭转柔顺性。聚膦腈主链的P上可以连接2个相同或不同的侧链，合成多种具有不同功能的新材料。这类材料具有较好的机械和热稳定性，且甲醇透过率大大低于Nafion膜。

1.3芳香族碳氢主链聚合物膜

碳氢主链的化合物作为制膜材料主要有以下优点：有多种材料已经商业化，价格便宜；其中包含的极性基团在很宽的温度范围内具有较好的持水性；可以从分子设计的角度减少其使用过程中的降解；与含氟的材料相比，更容易回收利用，环境友好。

（1）苯环的碳氢主链聚合物。

含有苯环的碳氢主链聚合物具有较好的氧化稳定性，主要是由于苯环上的C-H键的键能为435kJ/mol，高于脂肪链上的C-H键的键能350kJ/mol。磺化聚苯乙烯膜的致命缺陷是主链中三取代的C-H键不能耐受氧气和电池反应产生的自由基的强氧化性，材料的使用寿命较短。完全由苯环组成的聚合物聚苯（PP）具有很好的氧化稳定性，但其软化点为500℃，通常状态下该聚合物非常坚硬，不易加工。商业化含苯环聚合物含有为聚合物提供一定柔性的X原子或基团。

（2）磺化改性的碳氢主链聚合物膜。

为了使聚合物具有一定的导电性，必须对它进行改性，最常见的方法是磺化。磺化反应为亲电反应，反应容易在电子云密度较大的位置上发生。直接与有供电子作用的官能团连接的苯环具有较大的电子云密度，更易于磺化。目前研究的磺化碳氢主链聚合物膜主要有磺化聚砜（SPSF）膜、磺化聚醚醚酮（SPEEK）膜或磺化聚醚醚酮酮（SPEEKK）膜、磺化聚苯并咪唑（SPBI）膜、磺化聚酰胺（SPI）膜、磺化聚（4-苯氧苯甲酰基-1，4-亚苯）（SPPBP）膜以及磺化杂萘联苯聚醚酮（SPPEK）膜和磺化杂萘联苯聚醚砜（SPPES）膜等[5]。

（3）无机酸掺杂碱性聚合物膜。

有些聚合物中含有如醚、醇、氨基、酰胺、亚酰胺等具有碱性的基团，可与磷酸、硫酸等强酸作用。由于磷酸和硫酸具有自质子化和自脱水的独特性能，即使在无水条件下它们仍具有一定的质子传导性。在碱性聚合物中，聚合物和酸通过氢键或质子化相互作用，酸的解离度比无水时增大，对质子的传导能力增强。

目前研究的用于制备无机酸掺杂膜的碱性聚合物主要有PEO、PVA、PAAM和PEI等，近年来对硫酸与壳聚糖复合膜的研究也有报道[6]。磷酸掺杂PBI膜的研究受到人们的广泛重视。该膜的电导率随酸的掺杂量、温度及相对湿度的改变而变化。

（4）酸碱聚合物共混膜。

酸性聚合物和碱性聚合物可以通过交联形成柔韧的离子网络，在保证膜的较高电导率的前提下可提高膜的稳定性，若用于直接甲醇燃料电池时，膜的阻醇性能也得到提高。磺酸基团与碱性聚合物以氢键P-SO3…H…N-P′的形式结合。研究所选用的酸性聚（下转第137页）（上接第22页）合物有SPSF、SPES或SPEEK，碱性聚合物有商业化的PBI、PEI、聚4-乙烯基吡啶（P4VP）以及通过NH2-或N（CH3）2-改性PSF得到的胺化聚砜（PSF（NH2））。Kerres等[7]制得了SPEEK/PBI膜、SPEEK/P4VP膜、SPEEK/PSF（NH2）2膜、SPSF/PBI膜和SPSF/P4VP膜。研究表明，相同条件下，SPSU/PBI和SPEEK/PBI共混膜的甲醇透过系数分别是Nafion117膜的13%和7%。同时，这类膜具有很好的热稳定性和较高的质子电导率。将这类膜用于氢氧PEMFC性能测试时，70℃下与Nafion112膜的电池性能相当；用于直接甲醇燃料电池时，70～110℃下与Nafion105膜的电池性能相当。

2.结语

目前，质子交换膜燃料电池（PEMFC）领域的研究广泛采用Dupont公司的Nafion膜或其它全氟磺酸聚合物膜。但是，现有的全氟磺酸膜在温度超过100℃时，由于膜内水的过分蒸发，造成其质子传导速率急剧下降，质子传导性能极差。另外全氟磺酸膜还存在环境污染严重、膜成本高及制备工艺复杂等问题，不是最理想的质子交换膜材料。未来质子交换膜的发展会朝着“低成本、高温高导电率、吸水保水性”方向进行开发和改性。

【参考文献】

[1]Yoshit sugu S，Per E，Daniel S.Proton conductivity of Nafion117 as measured by a four-electrode AC impedance method.J Elect rochem Soc，1996，143（4）：1254.

[2]Adjemian K，Lee S，Srinivasan S，et al.Silicon oxide Nafioncomposite membranes for proton-exchange membrane fuel cell operation at 80～140 degrees.J Elect rochem Soc，2002，149（3）：A256.

[3]Kim D S，Robert son G P，Guiver M D，et al.Synthesis ofhighly fluorinated poly（arylene ether）s copolymersfor proton exchange membrane materials.J Membr Sci，2006，281：111.

[4]Depre L，Kappel J R，Popall M.Inorganic-organic protonconductors based on alkylsulfone functionalities and their patterning by photoinduced methods.Elect rochim Acta，1998，43（10211）：1301.

[5]杨萌等.化学与生物改性合成质子交换膜.化学进展，2009，1，21（1）：244.

篇10

关键词：新能源；汽车；发展现状

一、新能源汽车的诞生背景

1.1能源紧缺、石油价格高昂

石油能源将出现供需矛盾，汽车使用成本越来越高，寻找既绿色环保又低廉价格的能源成了当务之急，新能源汽车便在这种情形下走进了历史舞台。

1.2环保问题

随着时代的发展，大家越来越意识到：维护生态平衡，保护环境是根本性问题。汽车尾气排放标准的高要求使得各大汽车厂商采取各种方法以提高排放质量，减少污染物，新能源汽车便进入了人们的视野。

二、新能源汽车的种类

2.1引言

新能源汽车又称代用燃料汽车，包括全部或部分使用非石油燃料的汽车。根据《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》[4]的规定，新能源汽车包括混合动力汽车（HEV）、纯电动汽车（BEV）、燃料电池电动汽车（FCEV） ，氢能源动力汽车、燃气汽车以及其他新能源汽车等各类别产品。

2.2新能源汽车的种类

2.2.1燃气汽车：其排放污染大大低于以油为燃料的汽车；抗爆震性好，可以提高动力性能；燃料以气态进入气缸，燃烧较充分，热效率高；采取了多项有效的技术措施和设施，使燃气使用起来更安全；天然气资源丰富，价格便宜。

2.2.2燃料电池汽车：利用氢气等燃料与氧气在催化剂的作用下经电化学反应产生的电能为主要动力源的汽车。燃料电池的反应不经过燃烧过程，能量转化效率高；并且它的排放主要是水，不产生有害物质。

2.2.3纯电动汽车：纯电动汽车已发展到较成熟阶段[5-6]。在各国政府的大力支持下，锂离子电池技术迅猛发展，己经成为电动汽车车用动力电池的主要发展方向[7]。

2.2.4混合动力汽车：指由多于一种的能量转换器能提供驱动动力的混合型电动汽车，即使用蓄电池和副能量单元的电动汽车，其副能量单元实际上是一部燃烧某种燃料的原动机或动力发电机组[8]。

2.2.5氢能源动力汽车； 以氢为主要能量作为移动的汽车，行车路远，使用的寿命长，最大的优点是不污染环境。虽然现在技术原因，在氢气的提取上有严重的阻碍，但是由于氢气燃烧后释放的完全没有污染的水，因此氢燃料电池汽车还是非常受重示。

2.2.6太阳能汽车：顾名思义，太阳能汽车就是使用太阳能电池把光能转化成电能并以此为驱动能源的汽车。太阳能发电在汽车上的应用，将能够有效降低全球环境污染。直接采用太阳能为能源，间接采用电能作为能源，可有效的节约化石燃料。

三、新能源汽车发展现状

3.1现状存在的问题：

新能源汽车产业发展战略不是很清晰；核心技术不甚成熟；发展项目重叠；基础配套设施不完善；价格昂贵；民众的环保理念知之甚少；补给能源的储存、生产问题；电动汽车的续航问题。

3.2国内外的发展：

（1） 据我国发展新能源汽车以来，2001 年， 国家把新能源汽车研究列入“十一五” 期间的 “863” 重大研究课题， 同时规划出了以汽油车为基点，向氢动力汽车大力发展的战略。

（2） 美国始终致力于提高乙醇以及生物柴油等可再生资源使用量。

（3） 日本为推进新能源汽车以及环保汽车，从 2009年 4 月1日起日本实施了 “绿色税制”。

（4） 欧盟在 2003 年了 《欧洲未来氢能图景》 ，并制订了 《欧盟氢能发展路线图》。

（5） 国务院决定免征新能源汽车车辆购置税，电解液已经实现国产化[14]。

（6） 成本较之前已经逐步下降，极大的提升了竞争优势。

结论：

目前，中国汽车产业出现了发展节能汽车和发展新能源汽车相结合，能源多元化、动力电气化、排放洁净化必将推动中国新能源汽车迅速发展，中国有望在不久的将来将成为新能源汽车的研究中心。（作者单位：南京农业大学）

参考文献：

[1]中国新能源汽车产业研究.高铭泽.2013-04-01，吉林大学硕士论文

[2]李大元.低碳经济背景下我国新能源汽车产业发展的对策研究[J].经济纵横，2011，（2）.

[3]我国工业和信息化部，《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》，2009.

[4]邓平.快速充电技术，圆你电动客车商业化之梦[J].人民公交，2013，3：95-98.

[5]崔淑娟.燃料电池汽车的关键技术[J].汽车工程师，2009，9：15：17.

[6]卢世刚.刘莎.电动汽车车用动力电池的主要发展方向[J].新材料产业，2005，4：49-54.