2025年高考燃料電池——環(huán)保新能源

　　人類正面臨有史以來(lái)最嚴(yán)重的環(huán)境危機(jī)，由于人口急劇增加，資源消耗日益擴(kuò)大，人口與資源的矛盾越來(lái)越尖銳；此外，人類的物質(zhì)生活隨著工業(yè)化而不斷改善的同時(shí)，大量排放的工業(yè)污染物及生活污染物使人類的生存環(huán)境更迅速惡化。因此，有必要引入一個(gè)概念，環(huán)境友好催化技術(shù)。而且這一概念的重要性日益突出，燃料電池是環(huán)境友好催化技術(shù)的重要應(yīng)用之一。目前，對(duì)環(huán)境催化作用的研究正在實(shí)現(xiàn)從降低污染向阻止污染的方向轉(zhuǎn)變。對(duì)燃料電池及催化燃燒正在進(jìn)行的深入廣泛的研究也是如此。

　　FC以氫氣為燃料、空氣中的氧氣作為氧化劑，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)得到電能并生成純凈水。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，F(xiàn)C將是氫無(wú)污染地轉(zhuǎn)化成電能的最佳方案，可以真正做到零排放。

　　我國(guó)FC的研究始于1958年，當(dāng)時(shí)人們憑著一股熱情推動(dòng)燃料電池上馬，不過(guò)很快就堰旗息鼓了。70年代初，在航天計(jì)劃的帶動(dòng)下，我國(guó)FC的研究掀起高潮，武漢大學(xué)、中科院大化所，原電子部天津電源研究所等單位研制AFC并取得一定的成果，后因航天計(jì)劃改變，F(xiàn)C研究也就基本中止。90年代，環(huán)境保護(hù)、能源短缺的雙重壓力，以及國(guó)際上FC的突破性進(jìn)展的帶動(dòng)，我國(guó)第二次FC研制高潮逐漸形成。

　　通常，按FC的電解質(zhì)將其分為：堿性燃料電池（AFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC）。AFC的工作溫度一般為80℃，KOH為電解質(zhì)）因?qū)�CO2很敏感，有被PEMFC取代的趨勢(shì)。PEMFC又稱為固體聚合物燃料電池（SPFC），在50-100℃下工作，其電解質(zhì)是一種固體有機(jī)膜，用鉑做催化劑，但在該溫度下鉑對(duì)CO極其敏感。PEMFC是最有前途的交通工具的動(dòng)力，目前全世界已有PEMFC大公共汽車在示范運(yùn)行。1998年，德國(guó)奔馳、美國(guó)福特和加拿大巴拉德（BALLARD）合資組成DBB公司，計(jì)劃到2005年年產(chǎn)10萬(wàn)臺(tái)汽車用PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)。PAFC工作在200℃左右，磷酸為電解質(zhì)，PAFC常用鉑作催化劑，也有CO中毒問(wèn)題，己建成的11MWPAFC電站表明，因排放熱的溫度低，而使其經(jīng)濟(jì)性不佳。從目前技術(shù)水平看，PAFC適合作小住宅區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)電站。MCFC使用熔融的堿性碳酸鹽作為電解質(zhì)，鎳做催化劑，工作溫度在650℃左右，材料腐蝕是MCFC的難點(diǎn)。SOFC電解質(zhì)和電極都是陶瓷材料，工作溫度在1000℃左右。目前己制成100k電堆，SOFC的優(yōu)點(diǎn)是不用催化劑而直接使用天然氣為原料，電池效率較高。因此，它是未來(lái)大規(guī)模清潔發(fā)電站的優(yōu)選對(duì)象，缺點(diǎn)是1000℃高溫下材料較難解決，目前人們也在研究800℃左右的中溫SOFC。

　　燃料電池汽車的技術(shù)難點(diǎn)

　　1．燃料電池反應(yīng)堆組件

　　2．氣泵：用來(lái)輸送氧氣參加反應(yīng)。和一般的氣泵一樣，噪聲及價(jià)格是兩大難點(diǎn)。

　　3．PEM薄膜：目前反應(yīng)溫度為80℃～85℃，應(yīng)向90℃～95℃方向發(fā)展，材料的耐高溫性及壽命，以及成本降低是其難點(diǎn)。

　　4．熱交換器：對(duì)燃料電池反應(yīng)時(shí)所產(chǎn)生的低等級(jí)廢熱，如何加以收集并利用，需要新型的設(shè)計(jì)。

　　5．催化金屬

　　雖然燃料電池電級(jí)表面積總和很大，但是并不見得全部要用貴金屬，某些金屬氧化物可作為候選方案以降低成本。我國(guó)豐富的稀土金屬資源可能一顯身手。

　　6．過(guò)濾裝置

　　假如以甲醇為原料，那么為防止燃料電池不被硫及一氧化碳所玷污，需要加裝過(guò)濾裝置或分離裝置，而且要易于更換。

　　7．燃油箱：在能直接加氫的加氣站普遍建成以前，大部分車輛仍將用石油類燃油或燃?xì)鈦?lái)制氫，因此，油箱的結(jié)構(gòu)、材料、成本及安全性均需研究。液態(tài)氫由于超低溫貯存，其使用看來(lái)并不現(xiàn)實(shí)。

　　8．加氫裝置：專家預(yù)計(jì)將來(lái)加氫過(guò)程將由機(jī)器人自動(dòng)完成，因此需要開發(fā)接合裝置及輸氣系統(tǒng)。

　　9．管路、卡子、緊固件：其規(guī)格及要求均要高。

　　10．驅(qū)動(dòng)電機(jī)：雖然電機(jī)技術(shù)己是成熟技術(shù)，但要求進(jìn)一步降低重量、成本以及提高緊湊性以利于在車輪上的布置。

　　11．車載制氫裝置（燃油轉(zhuǎn)換器）用來(lái)將油、氣等燃料轉(zhuǎn)換成氫。目前最迫切的問(wèn)題是重量及體積都太大。

　　12．傳感器：需要快速的化學(xué)型傳感器、隨身診斷用傳感器以及測(cè)漏傳感器。

　　13．冷卻劑：需要在零下40℃不結(jié)凍，同時(shí)不能損害反應(yīng)堆。某種乙二醇混合物可能被找到。

　　14．電控裝置：與內(nèi)燃燒機(jī)電控裝置要求一樣，但處理的功率要足夠，響應(yīng)要快，以保證司機(jī)對(duì)動(dòng)力的隨時(shí)需要。

　　15．電瓶：為了冷起動(dòng)需要，應(yīng)有一小型電瓶通過(guò)加熱裝置使反應(yīng)堆預(yù)熱。

　　16．動(dòng)力裝置托架

　　要結(jié)實(shí)牢固，以容納和固定燃料電池，特別是要求它輕，能方便地從車上整體拆下，用來(lái)維護(hù)保養(yǎng)燃料電池。

　　17．密封件：主要是防止氧氣在氫進(jìn)入的主應(yīng)堆以前與之接觸，需要更為先進(jìn)的元件。

　　燃料電池的應(yīng)用不僅限于汽車電池，普通電池能干的它幾乎都能干，而普通電池不行的它也行。譬如它既能夠?yàn)橛钪骘w船提供高效的能量，又能為機(jī)組人員的飲用、洗滌、濕潤(rùn)干燥食品提供足夠的水。預(yù)計(jì)燃料電池汽車到2020年會(huì)來(lái)到大家的身邊，或許燃料電池能夠作為一種高效環(huán)保的新能源方式比太陽(yáng)能更早地走進(jìn)我們的生活。

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