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生物燃料電池的應(yīng)用范文第1篇

關(guān)鍵詞:環(huán)保;生物燃料電池;污水同步處理發(fā)電

收稿日期:2010-07-28

作者簡介:陳丁丁(1982―),男,江西武寧人,助理工程師,主要從事環(huán)境工程方面研究。

中圖分類號:Tk01

文獻標識碼:C

文章編號:1674-9944(2010)08-0207-03

1 引言

環(huán)保生物燃料電池并非剛剛出現(xiàn)的一項技術(shù)。1910年英國植物學(xué)家馬克•比特首次發(fā)現(xiàn)了細菌的培養(yǎng)液能夠產(chǎn)生電流,于是他用鉑作電極放進大腸桿菌和普通酵母菌培養(yǎng)液里,成功制造出了世界第一個微生物燃料電池。1984年美國制造了一種能在外太空使用的微生物燃料電池,使用的燃料為宇航員的尿液和活細菌,不過放電率極低。傳統(tǒng)的燃料電池是利用氫氣發(fā)電,但從來沒有嘗試使用富含有機物的污水來發(fā)電。環(huán)保生物燃料電池是一種特殊的燃料電池,以自然界的微生物或酶為催化劑,直接將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。

2 環(huán)保生物燃料電池的工作原理

環(huán)保生物燃料電池(Microbial Fuel Cell MFC)是以微生物作為催化劑將碳水化合物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置,由陽極區(qū)和陰極區(qū)組成,中間用質(zhì)子交換膜(Proton Exchange Membrane,PEM)分開,如圖1所示。環(huán)保生物燃料電池的工作過程分為幾個步驟:在陽極區(qū),微生物利用電極材料作為電子受體將有機底物氧化,這個過程要伴隨電子和質(zhì)子(NADH)的釋放;釋放的電子在微生物作用下通過電子傳遞介質(zhì)轉(zhuǎn)移到電極上;電子通過導(dǎo)線轉(zhuǎn)移到陰極區(qū),同時,由NADH釋放出來的質(zhì)子透過質(zhì)子交換膜也到達陰極區(qū);在陰極區(qū),電子、質(zhì)子和氧氣反應(yīng)生成水,隨著陽極有機物的不斷氧化和陰極反應(yīng)的持續(xù)進行,在外電路獲得持續(xù)的電流[1],其反應(yīng)式如下:

陽極反應(yīng):

C.6H.12O.6 + 6H.2O 6CO.2 + 24H++24e-,

E.0=0.1014V

陰極反應(yīng):

6O.2+24H++24e-12H.2O,

E.0=1.123V

圖1 生物燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖

3 環(huán)保生物燃料電池的利用領(lǐng)域

3.1 廢水同步的處理與發(fā)電

3.1.1 單一槽設(shè)計

電池裝置和氫燃料電池有點相似,是一個圓柱形的樹脂玻璃密閉槽。微生物燃料電池是單一反應(yīng)槽,里面裝有8條陽極石墨棒,圍繞著一個陰極棒,密閉槽中間以質(zhì)子交換膜間隔。密閉槽外部以銅線組成的閉合電路,用作電子流通的路徑。當(dāng)污水被注入反應(yīng)槽后,細菌酶將污水中的有機物分解,在此過程中釋放出電子和質(zhì)子。其中電子流向陽極,而質(zhì)子則通過槽內(nèi)的質(zhì)子交換膜流向陰極,并在那里與空氣中的氧以及電子結(jié)合生成干凈的水。從而完成對污水的處理。與此同時,反應(yīng)槽內(nèi)正負極之間的電子交換產(chǎn)生了電壓,使該設(shè)備能夠給外部電路供電。單一反應(yīng)槽是微生物燃料電池設(shè)計的創(chuàng)新。大部分燃料電池的設(shè)計以兩反應(yīng)槽為主,分別為陽極槽和陰極槽,在陽極槽中以厭氧方式維持微生物生長;陰極槽中則需維持在有氧環(huán)境下,使電子與氧結(jié)合并且與質(zhì)子形成水分子。而單一反應(yīng)槽以質(zhì)子交換膜連接兩槽,其功能不僅可分開兩槽水溶液,還可以避免氧氣擴散至另一槽內(nèi)。兩槽式的電解槽,需以外力方式提供溶氧至陰極,而單一槽微生物燃料電池可以以連續(xù)注水方式將空氣帶入陰極,從而減少通氧設(shè)備的花費。在發(fā)電量方面,在實驗室里,該設(shè)備能產(chǎn)生72W的電流,可以驅(qū)動一個小風(fēng)扇。雖然目前產(chǎn)生的電流不多,但該設(shè)備改進的空間很大。從提交發(fā)明報告到現(xiàn)在,已經(jīng)把該燃料電池的發(fā)電能力提高到了350W,這一數(shù)值最終能達到500~1000W。技術(shù)成熟后,可以批量生產(chǎn)的微生物燃料電池的發(fā)電能力將獲得很大提高,可以產(chǎn)生500kw的穩(wěn)定電流,大約是300戶家庭的用電量。

3.1.2 不間斷上流微生物燃料電池

華盛頓大學(xué)的研究人員日前稱,他們把利用廢水發(fā)電的微生物燃料電池技術(shù)又向前推進了一步。去年他們已研究出了這一利用廢水發(fā)電的新技術(shù),現(xiàn)在,他們又把新技術(shù)的發(fā)電量比去年提高了10倍。如果利用這一技術(shù)能使發(fā)電量再提高10倍的話,食品和農(nóng)業(yè)加工廠就有望能安裝這種設(shè)備用于發(fā)電,并能為附近居民提供清潔和可再生電能[2]。華盛頓大學(xué)環(huán)境工程學(xué)項目成員、化學(xué)工程助教拉思安晉南特博士在“環(huán)境科學(xué)技術(shù)”網(wǎng)站上介紹了這種不間斷上流微生物燃料電池(UMFC)的設(shè)計以及工作原理。同過去那些讓微生物在含有營養(yǎng)液的封閉系統(tǒng)中工作的實驗不同的是,安晉南特為微生物提供的是源源不斷的廢水。由于食品和農(nóng)業(yè)加工中會不停排放廢水。因此,安晉南特的技術(shù)更容易在這些工廠得到應(yīng)用。利用廢水發(fā)電的微生物燃料電池技術(shù),是在陽極室內(nèi)安裝價格低廉的U型質(zhì)子交換膜,將陽極和陰極分開。廢水中含有的有機物,可為細菌群提供豐富食物,使其得以生存和繁衍。這些細菌在電池陽極電極上形成生物膜,同時在食用廢水中有機物時向陽極釋放電子,電子通過與陽極和陰極相連的銅導(dǎo)線移動到陰極,廢水中的質(zhì)子則穿過質(zhì)子交換膜回到陰極,同電子和氧原子結(jié)合生成水。而電子在導(dǎo)線中的運動過程就形成了人們所需要的電流。繼2005年首次完成了廢水發(fā)電的微生物燃料電池設(shè)計后,安晉南特新推出的U型設(shè)計增加了質(zhì)子交換膜的面積、縮短了兩極距離,因此降低了因阻力引起的能耗,使電池發(fā)電能力提高了10倍,每立方米溶液的發(fā)電量從3W/m3增加到了29W/m3。如果微生物燃料電池系統(tǒng)能夠維持20W/m3的電力輸出,就可以點亮小功率的燈泡。

3.1.3 利用太陽能和光和細菌的環(huán)保生物燃料電池

Noguera與土木與環(huán)境工程教授Marc Anderson、助理教授Trina McMahon,細菌學(xué)教授Timothy Donohue,研究員Isabel Tejedor Anderson,以及研究生Yun Kyung Cho和Rodolfo Perez合作發(fā)展出一種能在污水處理廠應(yīng)用的大規(guī)模微生物燃料電池系統(tǒng)。目前,研究人員們把微生物封裝在密閉的無氧測試管中,測試管的形狀被做成類似電路的回路。當(dāng)處理廢物時,先把有機廢水通入管中,作為副產(chǎn)品電子向陽極移動,然后通過回路流到陰極。另外一種副產(chǎn)品質(zhì)子通過一塊離子交換膜流到陰極。在陰極中,電子和質(zhì)子與氧氣發(fā)生反應(yīng)形成水。一塊微生物燃料電池理論上最大可以產(chǎn)生1.2V電壓。但是可以像電池一樣把足夠多的燃料電池并聯(lián)和串聯(lián)起來產(chǎn)生足夠高的電壓來作為一種有實際應(yīng)用的電源。目前該研究小組正在利用他們在材料科學(xué)、細菌學(xué)和環(huán)境工程方面的優(yōu)勢來最優(yōu)化微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)。

3.2 新型的環(huán)保燃料電池

英國牛津大學(xué)科研人員研制出一種新的環(huán)保生物電池,這種環(huán)保生物電池裝有一種生化酶,可以吸收空氣中的氫和氧來發(fā)電。這種生化酶是從一種需要氫氣來維持新陳代謝的細菌中分離出來的。這種酶的獨特之處在于可以與那些如一氧化碳和硫化氫等常規(guī)的電池催化劑并存。這種酶是“生長型”的,因此能夠以價格低廉、可再生等特點取代傳統(tǒng)價格昂貴的鉑基催化劑。這種電池消耗的是大氣中的氧氣和氫氣。所使用的酶是從自然界中利用氫氣進行新陳代謝的細菌中分離出來的。這種酶的特性是具有高選擇性,能夠忍受對傳統(tǒng)的燃料電池催化劑具有毒害作用的氣體,例如一氧化碳和硫化氫。研究人員表示,由于這種酶能夠生長,所以對比于其他的氫燃料電池所使用昂貴的鉑催化劑而言,這是一種廉價的、可更新的環(huán)保燃料電池。

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3.3 生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用

環(huán)保生物燃料電池還可以造出另一種重要產(chǎn)品,根據(jù)電信號立即測出病人血糖水平的儀器。對于向包括起博器和胰島素生成器等在內(nèi)的可植入電控醫(yī)學(xué)設(shè)備供電來說,環(huán)保生物燃料電池非常有用。這些設(shè)備需要無限的電源,這是因為更換這些設(shè)備的電池可能需要外科手術(shù)。BFC從活的生物體內(nèi)提取燃料(例如從血流中提取葡萄糖)來產(chǎn)生電流。只要生物個體是活的,這種燃料電池就可以持續(xù)起作用[5]。

2010年8月 綠 色 科 技

第8期

4 結(jié)語

盡管環(huán)保生物燃料電池經(jīng)數(shù)十年研究仍距實用遙遠,燃料電池研究從20世紀90年代初開始又成為熱門領(lǐng)域,現(xiàn)在仍在升溫階段。幾種燃料電池已經(jīng)處在商業(yè)化的前夜。另外,近20年來生物技術(shù)的巨大發(fā)展,為環(huán)保生物燃料電池研究提供了巨大的物質(zhì)、知識和技術(shù)儲備。所以,環(huán)保生物燃料電池有望在不遠的將來取得重要進展。隨著生物和化學(xué)學(xué)科交叉研究的深入,特別是依托生物傳感器和生物電化學(xué)的研究進展,以及對修飾電極、納米科學(xué)等研究的層層深入,環(huán)保生物燃料電池研究必然會得到更快的發(fā)展。環(huán)保生物燃料電池作為一種綠色環(huán)保的新能源,在生物醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域的應(yīng)用的理想必然會實現(xiàn)。

參考文獻:

[1] 韓保祥,畢可萬.采用葡萄糖氧化酶的生物燃料電池的研究[J].生物工程學(xué)報,1992,8(2):203~206.

[2] 賈鴻飛,謝 陽,王宇新.生物燃料電池[J].電池,2000,30(2):86~89.

[3] 連 靜,祝學(xué)遠.直接微生物燃料電池的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2005(22):162~163.

[4] 尤世界,趙慶良.廢水同步生物處理與生物燃料電池發(fā)電研究[J].環(huán)境科學(xué),2006,9(9):17~18.

[5] 寶 ,吳霞琴.生物燃料電池的研究進展[J].電化學(xué),2004,2(1):1~8.

The Research and Foreground of Biofuel Cell

Chen Dingding

(Wuning Environmental Protection Bareau, Wuning JiangXi 332300,China)

Abstract:Biofuel cell is a device converting chemical energy into electrical energy directly with the biocatalysts, which has the advantages of abundant fuel resource, mild reaction condition and goodbiology consistence. And, Biofuel cell are capable of converting chemical energy presented in organic wastewater into electricity energy with accomplishments of wastewater treatments simultaneously , which possibly captures considerable benefits in terms of environments and economics.

生物燃料電池的應(yīng)用范文第2篇

關(guān)鍵詞 新能源汽車；鋰離子電池；燃料電池；生物燃料

中圖分類號 F4 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）172-0194-02

當(dāng)下，我國汽車保有量增長快速，一方面導(dǎo)致對石油的需求量大幅增長，自上世紀以來我國石油進口依存度迅速上升，1993年尚處于原油凈出口國，1995年石油進口依存度則變?yōu)?.3%，2007年達到49%[ 1 ]，2015年我國石油進口量超越美國，達到740萬桶/日，成為世界上最大的石油進口國[ 2 ]。另一方面汽車在生產(chǎn)和使用的過程中加重了環(huán)境污染，危及了人類的日常生活。2013年我國只有約1%的城市空氣質(zhì)量符合世界衛(wèi)生組織的標準，2014年國家減災(zāi)辦、民政部于正式將霧霾天氣列為自然災(zāi)情，2015年我國東北部、華北中南部、黃淮及陜西北部等地陸續(xù)出現(xiàn)重度污染天氣。因此迫于資源、環(huán)境的雙重壓力，開發(fā)節(jié)能環(huán)保的新能源汽車已成為我國汽車產(chǎn)業(yè)的必然選擇。按照動力提供方式的不同，新能源汽車主要可分為充電式電動汽車、燃料電池汽車、燃氣汽車、生物燃料汽車等類別分述如下。

1 新能源汽車的分類

1.1 充電式電動汽車

充電式電動汽車以蓄電池為動力源，通過電機驅(qū)動，提供動力。這種汽車具有結(jié)構(gòu)簡單、噪聲小、排放少、能量轉(zhuǎn)換效率高、適用范圍廣等等優(yōu)點。但其缺點也較多，比如過分依賴充電設(shè)施，充電時間長，續(xù)駛里程短，電池壽命短、制造成本較高等，因而在商業(yè)化的過程中困難重重。目前，研制經(jīng)濟的、持久的、高效的電池是充電式電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵性問題，經(jīng)過20多年的研究發(fā)展，目前已開發(fā)出多種適用性較強的蓄電池，如早期的鉛酸電池、在混動汽車中采用的鎳氫電池以及在當(dāng)前及以后有著極大發(fā)展空間的鋰離子電池等等。鋰的原子序數(shù)為3，是最輕的堿金屬元素，其化學(xué)特性十分活潑，易形成電荷密度很大的氦型離子結(jié)構(gòu)。鋰離子電池的儲能能力是在電動自行車上廣為應(yīng)用的鉛酸電池的3倍，其在地殼中的蘊藏量第27位，可利用資源較豐富，因此有很大的發(fā)展前景。

以目前應(yīng)用最為廣泛的磷酸鐵鋰電池為例，鋰離子電池的工作原理如下：整個電池以含鋰的磷酸鐵鋰作為正極材料，負極為碳素材料（常用石墨）。兩極之間為聚合物隔膜，一方面可分隔正負極，另一方面也是鋰離子在正負極往返的通道所在。當(dāng)對電池充電時，正極發(fā)生脫嵌，形成的鋰離子在電解液的幫助下，通過隔膜，進入負極碳層的微孔中，同時正極產(chǎn)生的電子也會通過外電路向負極遷移。放電時，鋰離子從負極碳層中脫嵌，又嵌回正極。

目前，歐洲、美國、日本等主要發(fā)達國家均斥巨資進行鋰電池技術(shù)的研發(fā)，在中國由于國家新能源產(chǎn)業(yè)政策的推動鋰離子電池制造業(yè)也得到了篷勃發(fā)展，各種鋰離子電池技術(shù)不斷涌現(xiàn)，生產(chǎn)商業(yè)化電動汽車用鋰離子電池的企業(yè)更是達到300家之多，但是鋰離子電池的核心材料比如正負極材料、電池隔膜以及電解液卻“技不如人”，過度依賴進口，因而生產(chǎn)成本難以下降，目前其價格3倍于鉛酸電池，因此，產(chǎn)品難以規(guī)?；a(chǎn)。近幾年來，我國鋰離子電池核心技術(shù)取得巨大突破，所有關(guān)鍵性材料均初步實現(xiàn)了自動生產(chǎn)，生產(chǎn)成本降幅較大，不少產(chǎn)品價格僅為剛面市的1/3左右，這與鉛酸電池相比，已形成明顯的性價比優(yōu)勢。鋰離子電池成本的下降，使得充電式電動汽車的商業(yè)化規(guī)?；a(chǎn)不再是一句空話。

1.2 燃料電池汽車

在諸多的新能源汽車中，燃料電池汽車目前被公認為是21世紀最核心的技術(shù)之一，可以說它對汽車工業(yè)發(fā)展的重要性，不亞于微處理器之于計算機業(yè)。燃料電池汽車直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，中間不經(jīng)過燃燒過程，不受卡諾循環(huán)的限制，能量利用率高達45%～70%，而火力發(fā)電和核電的效率大約在30%～40%；燃料電池汽車最終排放物為H2O，幾乎不排放氮氧化物和硫化物，CO2排放量遠低于汽油的排放量（約其1/6）。

整車的核心部件燃料電池并不需要充放電的操作，在一定程度上它很類似于汽油汽車，直接將燃料（常用H2、甲醇等等小分子燃料）注入貯存箱，即可獲得動力。根據(jù)所用電解質(zhì)類型的不同分為五個大類，分別為熔融碳酸鹽燃料電池、聚合物電解質(zhì)燃料電池、堿性燃料電池、磷酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池。目前在汽車工業(yè)中應(yīng)用的多為聚合物電解質(zhì)燃料電池，它以荷電的薄膜狀高分子聚合物作為電解質(zhì)，以離子交換的形式選擇性地傳導(dǎo)離子（H+，OH-），達到導(dǎo)電的目的[3]。工作時與直流電源相當(dāng)，陽極作為電池負極，燃料在陽極發(fā)生氧化反應(yīng)；陰極作為電池正極，氧化劑在陰極發(fā)生還原反應(yīng)；反應(yīng)生成的離子通過隔膜在電池內(nèi)遷移，而電子則通過外電路對外做功輸出電能，整個體系形成回路。

燃料電池但其在商業(yè)化的過程中仍存在著一些困難與瓶頸急需解決，比如由于采用貴金屬催化劑鉑及造價高昂的全氟磺酸膜，因此生產(chǎn)成本極高；再如由于工作環(huán)境多為酸堿性較強的溶液，對部分元件具有一定的腐蝕性，因而耐久性較差。目前隨著非鉑催化劑及無氟耐久性膜材料研發(fā)的成功，生產(chǎn)成本呈下降趨勢，燃料電池汽車的市場普及率逐年上升。雖然以家用小汽車的形式進入普通家庭尚有一段時間，但燃料電池大巴已經(jīng)完全可以產(chǎn)業(yè)化。目前，國外生產(chǎn)一輛燃料電池大巴造價約在400萬元左右，若引入其核心部件及技術(shù)，采用國內(nèi)人工生產(chǎn)，采用國內(nèi)輔件及包裝，可將其成本降至100萬元左右，這一價格已與傳統(tǒng)大巴接近，如果我國能搶占先機，與行業(yè)內(nèi)先進的外企緊密合作，加快研發(fā)核心技術(shù)，假以時日，燃料電池大巴完全可能成為我國經(jīng)濟綠色增長的支柱產(chǎn)業(yè)。

1.3 燃氣汽車

燃氣汽車是以液化石油氣、壓縮天然氣及氫氣為燃料的氣體燃料汽車。目前市場供應(yīng)以天然氣為主要燃料。與常規(guī)燃油汽車相比，燃氣汽車的排放污染很小，鉛，CO排放量減少90%左右，碳氫化合物排放減少60%以上，氮氧化合物排放減少35%以上，且尾氣中無硫化物和鉛，因此它是一種較為實用的低排放汽車。此外這種汽車能大幅度降低使用成本，一方面由于目前天然氣的價格低于汽油及柴油，營運過程中能使燃料費用下降50%左右；另一方面由于發(fā)動機采用天然氣做功，運行平穩(wěn)、無積碳，發(fā)動機壽命長、也無需頻繁更換火花塞及機油，維修費用亦可下降50%以上。但它也有不少缺點，比如由于存有大量高壓系統(tǒng)使用的零部件，安全系數(shù)及密封性要求高；天然氣汽車動力性比常規(guī)燃油下降約5%～15%；受到能源不可再生的約束限制；燃氣缸占地面積大等。

天然氣汽車工作時，高壓天然氣經(jīng)過減壓調(diào)節(jié)器減壓后送到混合器中，與凈化后的空氣混合后，利用傳感器、動力閥和計算機調(diào)節(jié)混合氣的空燃比，以使燃燒更加充分，再經(jīng)化油器通道進入發(fā)動機氣缸燃燒做功。我國于1988年正式推行燃氣汽車，多采用氣/油混動改裝的形式，并于同年建造了第一座加氣站。發(fā)展迄今，我國已經(jīng)加氣站近千座，改造汽車數(shù)十萬輛。中國從對燃氣汽車的推廣力度仍逐年上升，各大城市均有部署，可見目前以氣代油，是最切實可行的一條新能源汽車之路。

1.4 生物燃料汽車

生物燃料汽車的創(chuàng)新之處在于從農(nóng)林產(chǎn)品、工業(yè)廢棄物和生活垃圾中提取燃料，比如從玉米出發(fā)制備的汽車用乙醇燃料，利用回收食用油為源料獲得的生物柴油等等。生物燃料與傳統(tǒng)的石油燃料不同，它是一種可再生能源。近年來，生物燃料汽車得到了迅速發(fā)展，美國認為生物燃替代汽油切實可行并將其列為國家重點發(fā)展項目，目前使用生物柴油燃料的汽車己經(jīng)累計運行1 600萬km；歐盟于2005年也推行法規(guī)，要求成員國2010年生物柴油消費量從占交通運輸油料總消費量的2%提高到5.75%，2020年進一步提高到占20%。生物燃料汽車降低了對石油的需求，且其運行中的排放污染也大大降低，以常規(guī)燃油汽車相關(guān)數(shù)據(jù)為分母，生物燃料汽車尾氣中有毒物含量僅為10%，顆粒物約20%以下，CO和CO2排放量僅為10%，硫化物和鉛含量為0，同時，燃料燃燒較為徹底，對發(fā)動機的維護保養(yǎng)要求低[4]。

盡管生物燃料有較多的優(yōu)點，但其發(fā)展遇到難以克服的瓶頸。第一，產(chǎn)能有限。在生物燃料汽車推行力度最大的美國，據(jù)有關(guān)資料顯示，即便將所有玉米和大豆都拿來制造生物燃料，也僅能滿足國家柴油需求量的6%和汽油需求量的12%。而玉米和大豆首先是糧食產(chǎn)品，只能將其少量產(chǎn)品用于生產(chǎn)生物燃料。在我國，若能將農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品秸桿加以利用，則將對生物燃料汽車的推廣有很大的促進。第二，耗水量太大。生物燃料主要來源于農(nóng)業(yè)，每年農(nóng)業(yè)消耗掉的水資源高達70%，若將其產(chǎn)品大量用于制造燃料，往往是得不償失的。而我國是人均水資源擁有量位于世界后列，用大量的水換回少量燃料，只能說看上去很美，實際操作性較低。第三，存在與糧爭地的問題，生物燃料的推廣已經(jīng)造成美國和墨西哥玉米價格上漲，并可能導(dǎo)致發(fā)展中國家糧食短缺，因此有業(yè)內(nèi)人士指出使用糧食生產(chǎn)生物燃料是“反人類的罪行”。

2 結(jié)論

當(dāng)下，我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)迎來了篷勃發(fā)展的大好機遇。但由于多數(shù)新能源汽車造價過高，許多關(guān)鍵技術(shù)還未完全攻克，而且配套基建設(shè)施遠不足以支撐行業(yè)的發(fā)展，這些因素嚴重阻碣了新能源汽車行業(yè)的良性發(fā)展。從我國新能源汽車近幾年發(fā)展的態(tài)勢來看，目前還難以實現(xiàn)大規(guī)模的量產(chǎn)。從價格方面來看，新能源汽車的造價普遍高于傳統(tǒng)汽車，如果國家不提高購車補助，很難提高民眾對新能源汽車的購買熱情。從技術(shù)角度來看，我國的電池、燃料等相關(guān)技術(shù)的研發(fā)才剛剛起步，遠遠落后歐美等發(fā)達國家。從配套設(shè)施角度來看，我國目前的配套設(shè)施基本處于空白狀態(tài)，比如很多城市未建設(shè)電動車充電站，如果不能及時充電，電動車無法前行，這給使用帶來不便。雖然在當(dāng)今中國新能源汽車的推廣困難重重，但從國家對汽車工業(yè)的發(fā)展部署來看，發(fā)展新能源汽車己經(jīng)被確定為汽車工業(yè)未來的發(fā)展方向。因此，我國汽車企業(yè)和相關(guān)科研機構(gòu)必須抓住機遇，在提高自身實力的同時，推動我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。

參考文獻

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[2]中國石油新聞中心.“中國成為最大石油進口國”意味著什么[EB/OL].[2015-05-19（7）：59].http：//pc. /system/2015/05/19/001542111.shtml.

生物燃料電池的應(yīng)用范文第3篇

[關(guān)鍵詞] 汽車新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系變革發(fā)展戰(zhàn)略電動汽車

一、引言

汽車作為現(xiàn)代重化工業(yè)技術(shù)體系的代表產(chǎn)品,不僅是不可再生石油資源的主要消耗者,而且也是造成城市空氣污染的主要禍首。汽車所排放的尾氣中含有大量NOX(氮氧化物)、CO(一氧化碳)、PM(顆粒物)和HC(碳氫化合物)等有害物質(zhì),對城市大氣環(huán)境造成了嚴重的污染和破壞。解決汽車的環(huán)境污染和石油的短缺問題需要尋找可替代石油燃料的潔凈能源或改變傳統(tǒng)的內(nèi)燃機技術(shù)。然而,由于方法眾多,每一種方法都存在各自的優(yōu)缺點,眾說紛紜,爭執(zhí)不下。究竟哪一種新能源適合我國汽車未來能源的發(fā)展方向呢?

我們認為,內(nèi)燃機技術(shù)以及汽車產(chǎn)業(yè)在產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系中占有核心地位,從整個產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系的發(fā)展戰(zhàn)略角度出發(fā),分析現(xiàn)有的汽車各種替代能源的優(yōu)缺點,分階段實施汽車新能源的發(fā)展戰(zhàn)略,對于我國實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的跨越發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實意義。

二、汽車代用能源的分類及特點

目前,可代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽油和柴油的汽車代用能源有許多種,可將其歸納為三類:第一類是不可再生能源,包括液化石油氣、天然氣、煤基液體燃料、甲醇;第二類是可再生能源,包括乙醇、生物柴油、太陽能;第三類是性質(zhì)不確定能源,其性質(zhì)的歸屬取決于生產(chǎn)該能源的原料,包括燃料電池、電能和氫能。

1.不可再生能源

(1)液化石油氣(LPG)。LPG分為石油煉制過程中的副產(chǎn)品和油田伴生氣兩種。

LPG的優(yōu)點:①能效高。與汽油相比,LPG辛烷值較高;②減少污染。LPG可降低CO2排放25%、CH80%、SO270.5%、SO99.99%、Pb100%、CO89.72%、顆粒物41.67%、噪音40%;不需改變內(nèi)燃機;石油廢棄物利用,有一定的經(jīng)濟價值。

LPG的缺點:能量密度低;車用LPG的質(zhì)量要求較高,需要提純處理;存在一定的爆燃危險性,安全性較差;仍然以石油資源為依托,屬于不可再生資源。

(2)天然氣(NG)。汽車使用的天然氣按儲存方式主要分:壓縮天然氣(CNG )、液化天然氣(LNG)和吸附天然氣(ANG)三種。

①壓縮天然氣(CNG)。CNG是將常態(tài)下的天然氣以20MPa以上壓力壓縮在高壓罐內(nèi)供汽車使用。

CNG的優(yōu)點:污染排放低。天然氣汽車尾氣中NOX及CO2排放量很低,且無PM固體微粒排放;工藝簡單。供汽車使用的CNG是用壓縮機將天然氣壓縮儲存,燃燒時通過減壓裝置減壓釋放,工藝比較簡單;天然氣儲量相對豐富。我國目前天然氣資源量約為54萬億立方米,探明的天然氣地質(zhì)儲量為3.9萬億立方米,資源探明率為7.2%。并且,天然氣的勘探潛力很大,儲量較石油豐富。

CNG的缺點:存儲體積較大,能量密度低;汽車充氣時間較長,一次行駛里程短;儲氣鋼瓶因壓力大,有一定的危險性;車用充氣源受天然氣管網(wǎng)限制;屬不可再生資源。

②液化天然氣(LNG)。LNG是將天然氣在-161℃的低溫下液化,并進行凈化處理而成。

LNG的優(yōu)點:更潔凈環(huán)保。LNG燃盡后無灰渣和焦油,主要排放物是二氧化碳和水蒸氣,NO2、CO2等有害物質(zhì)的含量極少;能量密度大。LNG液化后的體積僅是原氣態(tài)體積的1/625,能量密度高于CNG三倍多;安全性能好。LNG無需高壓,不易自燃自爆,安全性能好;車用充氣源不受天然氣管網(wǎng)限制;具有循環(huán)利用能源效應(yīng)。LNG在汽化至常態(tài)過程中將釋放出大量的冷能,可回收用于汽車空調(diào)或汽車冷藏。

LNG的缺點:生產(chǎn)與運輸成本較高。LNG是在低溫下液化、縮小體后裝入特殊運輸設(shè)備運送到目的地,并再次氣化后方可使用。因此,LNG在中短途運輸方面成本過高。屬不可再生資源。

③吸附天然氣(ANG)。吸附儲氣的原理是在儲氣容器中以特殊方法裝填超級活性炭作為吸附劑。利用吸附劑表面分子與氣體之間的作用力吸附氣體分子。

ANG的優(yōu)點:儲存壓力低。ANG的壓力一般只有4~6MPa,有利于安全;不必使用笨重的鋼瓶,減少儲氣設(shè)備重量。

ANG缺點:能量密度低;ANG技術(shù)難度較大,目前還處于研究階段。

(3)煤基液體燃料。煤基液體燃料是將煤炭通過直接或間接方法液化成液體燃料油,俗稱“煤變油”。

煤基液體燃料的優(yōu)點:我國富煤少油,利用煤變油技術(shù)可緩解石油緊張。

煤基液體燃料的缺點:煤變成液態(tài)燃料單位成本高;煤轉(zhuǎn)化成液態(tài)燃料的生產(chǎn)過程中要消耗大量的能源;煤變油技術(shù)僅是將一種不可再生能源轉(zhuǎn)化為另一種形式,不符合能源發(fā)展方向;煤變成液體燃料只是將煤炭轉(zhuǎn)變?yōu)槠?、柴?依然不能降低環(huán)境污染。

(4)甲醇。甲醇是一種含氧化合物,溶解性強,可與汽油、柴油溶解混合為新型燃料。甲醇可從煤、天然氣和油頁巖中制取。

甲醇的優(yōu)點:甲醇作為燃料具有辛烷值高、汽化潛熱大、熱值較低等特點;作為車用燃料,甲醇的CO、HC和NOx排放較汽油和柴油低,幾乎無碳煙排放;溶解性好,可與汽油、柴油混合使用。

甲醇的缺點:對環(huán)境即有正面影響也有負面影響。甲醇汽油可以減少尾氣中CO、CH、NOx排放,但尾氣中總?cè)┡欧旁黾?甲醇具有毒性。人攝入5～10毫升就會發(fā)生急性中毒,30毫升即可致死;甲醇對金屬有腐蝕作用,對橡膠皮革有溶脹作用;制取甲醇要消耗不可再生資源。

2.可再生能源

(1)乙醇。乙醇是玉米、小麥、薯類、高粱、甘蔗、甜菜等經(jīng)發(fā)酵、蒸餾、脫水后再在其中加入變性劑而成。車用乙醇汽油是將燃料乙醇和組分汽油按一定比例混配而成。

乙醇的優(yōu)點:減少污染。使用乙醇汽油的汽車尾氣中CO降低30%,NOX減少10%,苯系物質(zhì)、氮氧化物、酮類等污染物濃度明顯降低;屬可再生能源。

乙醇的缺點:乙醇需要與汽油混合使用,不能成為汽油的完全替代品;燃燒乙醇會產(chǎn)生懸浮顆粒,不是完全的綠色燃料;消耗大量土地資源。

(2)生物柴油。生物柴油是采用動物或植物油脂與甲醇(或乙醇)經(jīng)酯交換反應(yīng)而得到的脂肪酸甲(乙)酯,是一種可以替代石油柴油的可再生清潔燃料。

生物柴油的優(yōu)點:環(huán)保特性優(yōu)良。根據(jù)美國科學(xué)家的研究結(jié)果,使用生物柴油可降低90%的空氣毒性,二氧化碳排放要比柴油減少60%;車輛成本低。使用生物柴油的汽車與普通柴油車相同,車輛無須任何修改;安全性好。生物柴油的閃火點較高,毒性較低;是一種環(huán)境友好的可再生燃料。

生物柴油的缺點:燃燒效果差。生物柴油的粘度約為#2石化柴油的12倍,影響噴射時程,導(dǎo)致噴射效果不佳。由于生物柴油的低揮發(fā)性,造成燃燒不完全,影響汽車燃燒效率;制取生物柴油的成本較高;消耗大量耕地資源。

(3)太陽能。太陽能資源豐富,隨處可得,無需運輸,對環(huán)境無任何污染,是未來汽車能源的發(fā)展方向。

目前,制約太陽能汽車發(fā)展的主要障礙:一是汽車的動力常受時間、地點、季節(jié)、氣候影響;二是太陽能的采集與轉(zhuǎn)換效率難以滿足汽車高速行駛所需要的足夠動力;三是太陽能電池板造價昂貴。

3.性質(zhì)不確定能源

(1)燃料電池。燃料電池是直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置。燃料電池常用的燃料有氫、天然氣、甲醇等,常用的氧化劑有氧氣、空氣。

燃料電池的優(yōu)點:潔凈、污染低。純氫和氧結(jié)合的燃料電池,可實現(xiàn)零放排。以甲醇、天然氣為燃料的燃料電池汽車造成的大氣污染僅為內(nèi)燃機汽車的5%;燃料電池能量轉(zhuǎn)換效率較高;噪音低。燃料電池屬于靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換裝置,除了空氣壓縮機和冷卻系統(tǒng)以外無其他運動部件,噪音小;燃料多樣化。燃料電池所使用的燃料可以是氫、甲醇、天然氣,也可以是丙烷、汽油、柴油、煤以及可再生能源;利用生物制氫、水制氫的燃料電池可實現(xiàn)能源再生化。

燃料電池的缺點:成本高。質(zhì)子交換膜電池中的膜材料和催化劑均十分昂貴;燃料的質(zhì)量不過關(guān)。質(zhì)子交換膜燃料電池必須使用沒污染的氫燃料,而目前純凈氫的制取技術(shù)還存在困難。

(2)電能。以電能為動力的汽車分為三種:純電動汽車(BEV)、燃料電池電動汽車(FCV)和混合動力電動汽車(HEV)。純電動汽車是指以車載蓄電池為電源,用電動機驅(qū)動的車(本文中的電動汽車指的是純電動汽車)。

電能是一種潔凈能源,電動汽車完全可以實現(xiàn)零排放、無污染,但是,目前的電能還不屬于可再生能源,主要是因為電能還有相當(dāng)一部分是通過煤炭、石油等化石類能源轉(zhuǎn)換而來。

電動汽車的優(yōu)點:潔凈無污染。目前,只有電動汽車完全符合零排放,而且電動汽車噪音很低;電能是取之不盡、用之不竭的能源。如果用再生能源(太陽能、水能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、潮汐)發(fā)電,電能可永續(xù)使用;電能的利用技術(shù)成熟。人類利用電能已有很長一段歷史,遍布全國的電網(wǎng)可為電動汽車的充電帶來極大的方便;電動汽車結(jié)構(gòu)簡單,維修方便。

電動汽車的不足:電池性能還無法滿足電動汽車產(chǎn)業(yè)化的要求。目前,電動汽車的蓄電池主要有:鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄電池、鋰離子電池等。鉛酸蓄電池比能量低,質(zhì)量和體積太大,一次充電行駛里程較短,且壽命短,污染嚴重;鎳鎘蓄電池中的重金屬鎘對環(huán)境有污染;鎳氫蓄電池有高溫使用電荷量急劇下降的缺點;鋰離子的問題是安全性和穩(wěn)定性,此外,大功率鋰電池存在技術(shù)難度;價格昂貴。蓄電池的價格是目前制約電動汽車產(chǎn)業(yè)化的障礙;電池充電時間長,蓄電能力有限;動力性差;電能還沒有解決完全可再生和無污染問題。電能的生產(chǎn)還大量依賴煤炭、石油等不可再生資源,此外,汽車廢棄蓄電池還有污染問題。

(3)氫能。氫是自然界存在最普遍的元素,在自然界中多以化合物形態(tài)出現(xiàn),主要貯存于水,特別是海水中富含大量的氫,石油、天然氣、煤炭、動植物體也含氫。氫的發(fā)熱值是所有燃料中最高的,而且燃點高,燃燒速度快,是十分優(yōu)質(zhì)的二次能源。以氫氣為能源驅(qū)動汽車,主要有三種方法:汽車攜帶貯氫罐,以氫氣在發(fā)動機中直接燃燒產(chǎn)生動力;汽車電池放電電解出氫作燃料;以氫作燃料電池的燃料,用電力驅(qū)動汽車。

氫能的優(yōu)點:氫是潔凈能源。氫燃燒非常清潔,除生成水和少量氮化氫外不會產(chǎn)生其他對環(huán)境有害的污染物質(zhì);氫是高效燃料。每公斤氫燃燒產(chǎn)生的能量為33.6kW?h,是汽油的2.8倍;不需要對現(xiàn)有的技術(shù)裝備作重大的改造?，F(xiàn)在的內(nèi)燃機稍加改裝即可使用氫。

氫能的缺點:廉價的制氫方法是氫能利用的一大障礙。目前,氫的制取需要大量能量,而且制氫效率很低;氫的安全性能差。氫氣是一種無色無臭的氣體,而且著火界限寬、著火能低、燃燒速度快,容易引發(fā)火災(zāi)及爆炸。此外,氫特別容易泄漏,加油站、管道和純化工廠很難完全消除泄漏隱患。

三、發(fā)展我國汽車新能源的思路

汽車產(chǎn)業(yè)在整個工業(yè)體系中占有核心地位,汽車新能源的發(fā)展戰(zhàn)略不僅關(guān)系到汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,而且對于整個工業(yè)的發(fā)展方向具有舉足輕重的作用,因此,我們還需要從產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系角度考慮汽車新能源的發(fā)展戰(zhàn)略。

產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系是指在工業(yè)生產(chǎn)部門各個產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域所使用的各種產(chǎn)業(yè)技術(shù),因其生產(chǎn)過程中的必然聯(lián)系而構(gòu)成的統(tǒng)一的有機整體。產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系中的產(chǎn)業(yè)技術(shù)因其在生產(chǎn)部門生產(chǎn)過程中的影響范圍和程度不同而分為源技術(shù)、主干技術(shù)、旁支技術(shù)三個層次。其中,源技術(shù)是最核心的、最具影響力的技術(shù),它決定整個工業(yè)部門產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系的性質(zhì)和本質(zhì)特征,決定了工業(yè)部門內(nèi)部其他產(chǎn)業(yè)部門核心技術(shù)的產(chǎn)生、變革和地位。而主干技術(shù)是在源技術(shù)之下,直接與源技術(shù)配套的工業(yè)部門內(nèi)部各產(chǎn)業(yè)技術(shù),它們只是對一個或幾個工業(yè)部門有重大作用。而旁支技術(shù)則是為主干技術(shù)服務(wù)的、處于次要地位的各產(chǎn)業(yè)技術(shù)。

人類歷史上的歷次產(chǎn)業(yè)技術(shù)革命都因產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系中的源技術(shù)發(fā)生重大變革,推動產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系中各層次的產(chǎn)業(yè)技術(shù)逐步改變,最終導(dǎo)致整個產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系發(fā)生變革。第一次工業(yè)技術(shù)革命正是因蒸汽機的出現(xiàn),導(dǎo)致人類生產(chǎn)的重心從農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)向工業(yè);第二次工業(yè)技術(shù)革命由于內(nèi)燃機和電力技術(shù)的發(fā)明,使人類生產(chǎn)走上了重化工業(yè)道路,也導(dǎo)致今天的資源危機和環(huán)境惡化;以微電子、新材料、新能源、生物工程、航天技術(shù)、海洋技術(shù)等為代表的第三次工業(yè)技術(shù)革命,并沒有改變第二次工業(yè)技術(shù)革命所奠定的重化工業(yè)技術(shù)體系性質(zhì),卻使消耗不可再生資源、污染環(huán)境的重化工業(yè)技術(shù)體系加速發(fā)展。今天,人類經(jīng)濟社會面臨的生存危機,在本質(zhì)上是產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系性質(zhì)造成的,是迄今為止歷次產(chǎn)業(yè)技術(shù)革命都在產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用上忽視了人與自然的關(guān)系,從而導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系各層次的產(chǎn)業(yè)技術(shù)都消耗不可再生資源、排放污染環(huán)境的廢棄物造成的。

當(dāng)前的產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系還屬于重化工業(yè)技術(shù)體系。重化工業(yè)技術(shù)體系中的源技術(shù)――電力技術(shù)和內(nèi)燃機具有消耗不可再生資源、破壞環(huán)境的性質(zhì),帶動了汽車、鋼鐵、能源、化工、機械加工等主干技術(shù)以及旁支技術(shù)也具有同樣的性質(zhì)。因此,要實現(xiàn)人與自然和諧相處,必須從根本上針對重化工業(yè)技術(shù)體系的源技術(shù)――電力技術(shù)和內(nèi)燃機進行革命。

傳統(tǒng)的內(nèi)燃機是直接建立在石油、天然氣等不可再生能源結(jié)構(gòu)上的工業(yè)動力,是現(xiàn)代大工業(yè)各種產(chǎn)品生產(chǎn)的母機。汽車發(fā)動機是內(nèi)燃機最突出的代表。汽車不僅是不可再生資源主要消耗者,也是城市環(huán)境惡化的主要元兇,此外,汽車產(chǎn)業(yè)更是在整個產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系中關(guān)聯(lián)最多的產(chǎn)業(yè)。因此,汽車潔凈能源的開發(fā)應(yīng)朝著改變傳統(tǒng)的內(nèi)燃機技術(shù),使其由消耗不可再生資源、污染環(huán)境向使用可再生資源、對環(huán)境無害的方向發(fā)展,以推動整個產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系向生態(tài)化變革,從而實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標。因此,未來汽車的新能源應(yīng)具備如下條件:

第一,新能源必須是可再生資源。不可再生資源終究會枯竭,用較豐富資源替代緊張資源只能作為短期權(quán)宜之計。

第二,新能源必須是潔凈的。新能源不應(yīng)對環(huán)境產(chǎn)生任何污染,應(yīng)完全實現(xiàn)零排放。

第三,新能源有利于變革傳統(tǒng)的內(nèi)燃機技術(shù)。變革傳統(tǒng)的消耗不可再生資源的內(nèi)燃機技術(shù)不僅對于汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展有利,也會推動整個產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系向可持續(xù)發(fā)展的方向努力。

四、我國汽車新能源的發(fā)展戰(zhàn)略

綜上所述,我們認為電能是汽車未來最佳的能源。但是,用電動機取代目前廣為使用的傳統(tǒng)內(nèi)燃機不是一蹴而就的事情,因此,汽車新能源的發(fā)展戰(zhàn)略還需要分階段實施。

1.用電動機取代使用化石類能源的傳統(tǒng)內(nèi)燃機可作為遠期終極目標

選擇電能作為汽車未來能源的理由是:第一,電能是完全潔凈的能源,電動汽車完全可以實現(xiàn)零排放;第二,電能完全有可能轉(zhuǎn)變?yōu)榭稍偕茉?。盡管目前電能還不是可再生能源,但是隨著太陽能發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電、潮汐發(fā)電等的普及,電能會迅速轉(zhuǎn)變成可再生能源;第三,有利于產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系變革。傳統(tǒng)內(nèi)燃機被電動機取代,將導(dǎo)致化工、石油、煤炭等行業(yè)逐步萎縮,而太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電以及潮汐發(fā)電等產(chǎn)業(yè)將得到大力發(fā)展。層層推進,可推動整體產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系發(fā)生變革,有望改變重化工業(yè)技術(shù)體系消耗不可再生資源、污染環(huán)境的本質(zhì)。

2.發(fā)展燃料電池汽車是中期目標

將燃料電池汽車作為中期發(fā)展目標的理由是:第一,燃料電池汽車技術(shù)已相當(dāng)成熟,極有可能先于電動汽車進入市場。近幾年,世界各大汽車公司都紛紛推出以氫或甲醇為燃料的燃料電池汽車;第二,燃料電池汽車有利于環(huán)境保護和節(jié)省能源。氫燃料電池可實現(xiàn)零排放,即使使用其他燃料(如甲醇)的燃料電池汽車也是常規(guī)汽車排放的30%。另外,燃料電池能效高有利于節(jié)省能源;第三,燃料電池完全可能實現(xiàn)由不可再生能源向可再生能源的轉(zhuǎn)化。水解氫燃料電池可以實現(xiàn)資源的循環(huán)使用,因為氫與氧的燃燒產(chǎn)物就是水,水可以循環(huán)使用,取之不盡,用之不竭。另外,可利用太陽能、風(fēng)能、潮汐能等可再生能源制氫,實現(xiàn)能源可再生化。目前,制約燃料電池成為可再生能源的是水解氫的制取技術(shù),但是,甲醇等燃料電池技術(shù)的使用與推廣,可為氫燃料電池的發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。第四,燃料電池汽車發(fā)動機是傳統(tǒng)內(nèi)燃機的變革,可為電動機最終取代傳統(tǒng)內(nèi)燃機提供經(jīng)驗。

盡管,目前的甲醇燃料電池、通過煤或天然氣制取氫的燃料電池與我們所倡導(dǎo)的能源的可再生化發(fā)展方向違背。但是,只要太陽能、風(fēng)能、潮汐能發(fā)電技術(shù)、水解氫技術(shù)一旦成熟,燃料電池實現(xiàn)可再生能源的目標就十分容易。因此,我們將燃料電池作為中期發(fā)展目標。

3.液化天然氣汽車可作為短期發(fā)展目標

液化天然氣(LNG)屬不可再生資源,不符合能源的發(fā)展方向,也與我們的倡導(dǎo)的終極目標相悖。我們將其作為短期發(fā)展目標的理由是:第一,液化天然氣有助于解決汽車尾氣的嚴重污染問題。液化天然氣與汽油、柴油相比,更潔凈環(huán)保;第二,液化天然氣有助于解決目前的石油緊張問題。我國的天然氣儲量較石油豐富,而且天然氣的探明儲量在不斷增加。此外,使用液化天然氣不受天然氣管網(wǎng)限制,可充分利用世界天然氣資源,這對于我國的能源安全有利;第三,液化天然氣使用技術(shù)與現(xiàn)存的內(nèi)燃機技術(shù)銜接較好。

但是,天然氣資源是不可再生資源,長期過量開發(fā)與使用將會導(dǎo)致與石油資源一樣的命運。因此,發(fā)展液化天然氣汽車只可作為短期發(fā)展戰(zhàn)略。

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生物燃料電池的應(yīng)用范文第4篇

石油、煤炭等不可再生能源資源的日趨枯竭，引起的環(huán)境嚴重污染及直接影響國家經(jīng)濟發(fā)展、國防安全已是21世紀各國面臨的三大問題。為解決經(jīng)濟發(fā)展與能源短缺及環(huán)境污染之間日益加劇的矛盾，發(fā)展清潔、高效、可持續(xù)發(fā)展的新能源動力技術(shù)已成為十分緊迫的任務(wù)。

采用氫能源是當(dāng)前世界公認的可代替石油能源的主要出路之一。氫是一種可儲藏運輸、燃點較高，熱值相當(dāng)汽油的3倍，實質(zhì)上是一種可再生能源。21世紀將成為氫能的時代。美國、歐洲、日本等強國在制定其未來能源政策時，都把發(fā)展氫能作為一個主要方向，而燃料電池正是氫能時代的最佳能量轉(zhuǎn)換裝置。作為燃料電池燃料的氫可從煤碳、天然氣和石油中制取，也可從植物、生物排放物、太陽能、風(fēng)能和電解水等過程中制取。因此隨著生產(chǎn)成本、可靠性、壽命等問題的逐步解決，燃料電池有望在2010年左右進入商品化，并逐漸成為一種世界范圍內(nèi)的重要能源之一。

燃料電池發(fā)電具有以下獨特的優(yōu)越性：

1．清潔。氫經(jīng)過燃料電池電化學(xué)作用，一面釋放電能推動機械作功，一面與空氣中的氧化合又重新產(chǎn)生水，幾乎無硫氧化合物(SOx)和氮氧化合物(NOx)的排放，溫室氣體CO2的排放量也遠小于火力發(fā)電廠。由于燃料電池本身沒有轉(zhuǎn)動部件，因此其工作環(huán)境非常安靜。

2．高效。從理論上講，燃料電池可將燃料所含化學(xué)能的90%轉(zhuǎn)化為可利用的電和能。已實現(xiàn)商業(yè)化的磷酸型燃料電池((PAFC)實際運行中發(fā)電效率接近46%；而熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)的發(fā)電效率可達到60%，而目前其他能源的效率大約是：核能30~33%、天然氣30~40%、煤為33~38%、油為34~40%。

3．可靠。與燃燒渦輪機循環(huán)系統(tǒng)或內(nèi)燃機相比，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)其轉(zhuǎn)動部件很少，因而系統(tǒng)更加安全可靠。燃料電池系統(tǒng)發(fā)生的唯一事故就是效率降低。

4．靈活－分散式供電。電力工業(yè)集中供電的模式越來越受到分散式供電的挑戰(zhàn)。電力工業(yè)由于規(guī)模效益，發(fā)電廠(站)規(guī)模都很大，而且遠離用戶，電力要通過高壓線及變電站輸送到用戶。分散式電站與用戶距離很近，利于降低成本，改進服務(wù)。燃料電池發(fā)電廠就是屬于分散式供電系統(tǒng)的一種。其效率與其規(guī)模無關(guān)，可根據(jù)用戶需求而增減發(fā)電容量；其安全性和供電質(zhì)量非常高。這對計算機、通訊、銀行、連續(xù)生產(chǎn)等系統(tǒng)非常有利，因為它減少了由外部電網(wǎng)中斷所可能引起的事故。

燃料電池按電解質(zhì)的性質(zhì)劃分為五大類，它們各自處在不同的發(fā)展階段。表1(略)顯示了這五類電池的技術(shù)、用途與應(yīng)用現(xiàn)狀等特性。從中，我們知道可用作新能源的有質(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)。

歐美都在大力發(fā)展燃料電池。2003年9月10日歐盟委員批準通過了一系列措施，加強能源系統(tǒng)和燃料電池的研究和開發(fā)，以便在中期內(nèi)使歐盟減少對石油的依賴和保持可持續(xù)發(fā)展。這些措施包括首先是建立一個協(xié)調(diào)機構(gòu)，對可行建議和計劃進行協(xié)調(diào)；此外還確定了以氫為主的發(fā)展戰(zhàn)略和日程表。氫燃料電池是歐盟實現(xiàn)2020年20%能源來自替代能源目標的主要辦法。歐盟認為“燃料電池將有助于解決能源供應(yīng)安全，環(huán)境和氣候變化問題。此外，它還使能源生產(chǎn)不那么集中”。不過，歐洲在這方面的公共支持還處于較低水平。在2002~2006年期間內(nèi)僅投資3億歐元。美國能源部于2002年9月5日正式“自由汽車合作計劃”(FreedomCooperativeAutomativeResearchPlan)。該計劃支持制定有關(guān)氫能基礎(chǔ)設(shè)施法規(guī)和標準的科學(xué)基礎(chǔ)的研究，重點是燃料電池動力系統(tǒng)，氫能存儲系統(tǒng)等同時確定2010年目標的技術(shù)指標：2003年2月6日美國布什總統(tǒng)在華盛頓舉行的能源問題論壇上說，如果美國把氫動力發(fā)展成為一種實用的民用燃料，“我們就能在2040年以前把每天的石油需求量減少1100萬桶以上”。布什的預(yù)算案建議今后5年里為氫燃料計劃和“自由汽車合作計劃”提供17億美元的經(jīng)費，其中包括用于氫研究的7.2億美元新經(jīng)費。

然而，目前燃料電池在國際范圍內(nèi)仍未進入大規(guī)模的商業(yè)化，主要有以下幾個原因：

1．與傳統(tǒng)的發(fā)電方式相比，燃料電池市場價格依然昂貴；

2．燃料電池的工作壽命及可靠性仍有待于進一步提高；

3．燃料電池技術(shù)不夠普及，缺乏完善的燃料供應(yīng)體系。

因此朝著解決上述問題的主要方向是：

1．研究新材料：如新的離子交換膜、新型電催化劑、新型雙極板等，以降低燃料電池的制造成本，提高燃料電池的工作壽命及可靠性，增強其市場競爭力。

2．建立示范模型：如以燃料電池為動力的純電動車；住宅或商用分散型燃料電池電站；便攜式燃料電池動力源等。通過示范模型，普及燃料電池技術(shù)，政府在規(guī)劃基礎(chǔ)建設(shè)時，建立適合于燃料電池的燃料供應(yīng)體系。

3．優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)與發(fā)電系統(tǒng)。

二、燃料電池作為新能源在我國的研發(fā)現(xiàn)狀

我國自90年代以來，多家研究機構(gòu)開展了熔融碳酸鹽燃料電池的研究工作。上海交通大學(xué)、大連化物所等單位在陰極、陽極、LiAlO2粉料、電解質(zhì)隔膜，雙極板等關(guān)健材料和部件的制備，在電池組的設(shè)計、組裝及電池系統(tǒng)總體技術(shù)的開發(fā)上取得了一定的突破。上海交大2001年6月成功進行了kW電池組的發(fā)電試驗。目前我國已具備了研制數(shù)十kW級熔融碳酸鹽燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的能力。

在“八五”、“九五”期間我國已有十幾個單位進行了SOFC相關(guān)技術(shù)的研究，如大連化物所、中科院上海硅酸鹽研究所，吉林大學(xué)、中國科技大學(xué)等。在材料和部件，在工藝方面都取得了較大的進展。2001年3月中科院上海硅酸鹽所成功地進行了800W的發(fā)電試驗。目前我國也已具備了研制數(shù)kW級固體氧化燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的能力。

我國質(zhì)子交換膜燃料電池的研發(fā)進展得更快些。由于受國際上發(fā)展趨勢，特別是電動汽車的需求的影響。比較有影響的單位是大連化物所，北京世紀富源公司，上海神力公司及北京綠能公司等單位。他們研制的電池組最大功率均能做到30kW以上。上海神力公司的報告稱他們已完成第二代燃料電池發(fā)動機的研制任務(wù)，與清華大學(xué)轎車配套的燃料電池發(fā)動機功率達到45kW與該校大巴車配套的功率則可達80kW?？萍疾糠浅Ｖ匾暫椭С秩剂想姵仄嚰夹g(shù)的研發(fā)，“十五”國家863計劃中，特別設(shè)入電動汽車重大專項，投入近9億元，無疑這將推動PEMFC在電動汽車上作為動力的研發(fā)工作。

2003年3月27日由中國政府、聯(lián)合國開發(fā)計劃署－全球環(huán)境基金(UNDP-GEF)合作項目“中國燃料電池公共汽車商用化示范”正式啟動。這項目為時5年，采用全球招標方式購置6輛燃料電池公共汽車，并建立相應(yīng)加氫設(shè)施。這項目最終將推動燃料電池公共汽車在中國產(chǎn)業(yè)化和推廣應(yīng)用。也將為燃料電池在我國的應(yīng)用及其標準化工作起促進作用。

三、燃料電池的標準化狀況

燃料電池作為新興產(chǎn)業(yè)，其技術(shù)尚未完善，大規(guī)模商業(yè)化也還有待時日，因此其標準化工作歷史不長。1998年國際電工委員會(IEC)才成立了燃料電池技術(shù)委員會(TC105)。迄今為止已有七個燃料電池技術(shù)標準的工作組在進行制定工作(見表2略)，去年8月22日又開始傳遞新的工作項目－“微型燃料電池發(fā)電系統(tǒng)－安全”標準(IEC105/61/NPWG#？)。各個國家將借鑒這些標準編制本國在多個領(lǐng)域應(yīng)用的燃料電池技術(shù)標準。2002年10月科技部在我國“九五”期間新能源和可再生能源領(lǐng)域安排的國家科技攻關(guān)項目、863計劃項目等重大項目已取得階段性成果，和擁有自主知識產(chǎn)權(quán)專利技術(shù)的基礎(chǔ)上，下達了進行新能源和可再生能源關(guān)鍵技術(shù)標準研究國家科技攻關(guān)計劃有關(guān)課題任務(wù)，包括了研究質(zhì)子交換膜燃料電池的標準體系、“質(zhì)子交換膜燃料電池術(shù)語”標準以及制定“質(zhì)子交換膜電池組及系統(tǒng)”標準。這些標準已經(jīng)按計劃完成或在進行中。它們基本上是采納IEC/TC105的有關(guān)標準制定，力圖使我國燃料電池技術(shù)及標準與國際接軌。除此之外，我國上述幾種燃料電池的標準大都僅僅是企業(yè)標準。

四、2005~2007燃料電池標準化發(fā)展重點

1．開展固體氧化物燃料電池(SOFC)和熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）體系的研究，術(shù)語標準及電池組、電池系統(tǒng)標準的制定工作。

生物燃料電池的應(yīng)用范文第5篇

日前，通用汽車歐洲公司了全新的環(huán)境戰(zhàn)略，短期內(nèi)將以降低CO2排放量為主要目標，而長期的目標則是通過新技術(shù)的應(yīng)用最終實現(xiàn)零排放，實現(xiàn)汽車與自然環(huán)境和諧發(fā)展。

通用投身于減排和改進燃料經(jīng)濟性已有多年，1989年，歐寶（Opel）在業(yè)內(nèi)首先裝備了催化轉(zhuǎn)換器，使汽車廢氣排放量得到了質(zhì)的降低。目前通用旗下許多車型的CO2排放都達到甚至低于140g/km的水平。

通用汽車在此次全新環(huán)境戰(zhàn)略中宣布：將以提高內(nèi)燃機效率及多樣化能源利用為手段，降低CO2排放。通用汽車歐洲公司計劃在2012年之前，開發(fā)16款新型發(fā)動機匹配到93款新車型上，另外還有10款新的變速器將被應(yīng)用于48款新車型上。一系列的產(chǎn)品計劃及新能源的開發(fā)應(yīng)用,都將驗證通用汽車作為汽車行業(yè)領(lǐng)先者為現(xiàn)實和諧發(fā)展的目標所作出的卓絕努力。

短期計劃：以ecoFLEX為代表的發(fā)動機新技術(shù)

在今年即將舉行的法蘭克福車展上，歐寶的每個系列都將推出以低CO2排放為特點的ecoFLEX車型，首款歐寶ecoFLEX車型將是歐寶Corsa 1.3CDTI車型。這款車的CO2排放量每千米僅為119g，而歐盟法規(guī)要求在2012年將汽車的CO2排放量降低到每千米130g。

歐寶ecoFLEX系列車型的核心是生態(tài)渦輪發(fā)動機（Eco-Turbo）和壓縮天然氣（CNG）。傳統(tǒng)的大排量的發(fā)動機將被新的Eco-Turbo技術(shù)和更小排量的發(fā)動機所取代。ecoFLEX車型通過新型渦輪技術(shù)以及替代能源的應(yīng)用，滿足節(jié)能環(huán)保的要求。新型的生態(tài)渦輪發(fā)動機與自然吸氣式發(fā)動機相比，既可節(jié)省發(fā)動機所占的空間，又能達到更高的工作效率，減少燃油消耗和CO2排放。生態(tài)渦輪發(fā)動機概念可同時應(yīng)用于汽油發(fā)動機和柴油發(fā)動機。此外，歐寶也在研發(fā)壓縮天然氣增壓發(fā)動機（TNG），這將令CNG（壓縮天然氣）發(fā)動機的動力性能實現(xiàn)進一步的提升。

生態(tài)渦輪發(fā)動機同時出現(xiàn)在汽油機和柴油機上。例如最新的Astra系列發(fā)動機，1.6L turbo ECOTEC（最大功率132kW）取代了原來的2.0L turbo（最大功率125kW），油耗降低14%，CO2排放量減少14%。而新款的1.7L CDTI渦輪增壓柴油發(fā)動機（81kW及92kW）的油耗則是比替下的1.9L柴油機（74kW和88kW）減少了7%。而且我們看到其絲豪沒有影響到車子的最高時速，事實上是性能更強勁了。

通用歐洲汽車公司的總裁Carl-Peter Forster表示，“在6月份啟動的歐寶和沃克斯豪爾的EcoFLEX計劃是重要的一步，這項活動可以幫助那些原來不能滿足今天的排放標準的老車型重新煥發(fā)活力?！盋arl-Peter Forster表示。

對于1.6L排量以上的發(fā)動機，歐寶還有項技術(shù)來降低排放，那就是最新開發(fā)的Twinport發(fā)動機雙進氣道技術(shù)，這項技術(shù)旨在利用雙進氣道的調(diào)節(jié)閥，來控制空氣流量和進氣方式。在高速時，雙氣門全開，油噴頭的雙噴口將汽油與吸入的空氣直接注入氣缸內(nèi)。低速時關(guān)閉一個進氣道，使得另一邊的油氣在氣缸中產(chǎn)生擾流，充分混合后燃燒，以增加動力性。從而大幅度的提高燃油經(jīng)濟性，簡單實用。

“Twinport”是歐寶汽車公司最新開發(fā)的，發(fā)動機雙進氣道技術(shù)。這項技術(shù)指在利用雙進氣道的調(diào)節(jié)閥，來控制空氣流量和進氣方式。在高速時，雙氣門全開，油噴頭的雙噴口將汽油與吸入的空氣直接注入氣缸內(nèi)。低速時關(guān)閉一個進氣道，使得另一邊的油氣在氣缸中產(chǎn)生擾流，充分混合后燃燒，以增加動力性。從而大幅度地提高燃油經(jīng)濟性，簡單實用。

Twinport在平均情況下減少了5%的的油耗。因為這種發(fā)動機有1/4的非滿負荷負載動力由之前燒過的廢氣提供，這樣發(fā)動機在滿負載狀態(tài)下的動力及油耗都得以改進。

中期規(guī)劃：替代燃料

在中期規(guī)劃中，通用希望能開發(fā)一系列使用替代燃料的車型。瑞典的高檔汽車品牌薩博通過BioPower技術(shù)在其中扮演了一個先鋒角色。凱迪拉克同樣將于今年秋提供E85燃料車型，而后歐寶和沃克斯豪爾將會在2010年跟進。

E85更環(huán)保，性能更強，更有駕駛樂趣同時花費更低廉。E85的意思就是85%的生物乙醇和15%的無鉛汽油，相比常規(guī)汽油，它的辛烷值更高，可以產(chǎn)生更高的功率和更低的CO2排放。采用E85燃料的薩博9－5 2.0T和9－5 2.3T已經(jīng)在歐洲上市。薩博9-5 2.3T BioPower的在使用生物乙醇燃料時最大功率和最大轉(zhuǎn)矩分別比使用常規(guī)汽油時增加了14%和11%。盡管性能大幅增加，但是CO2的排放維持不變。

薩博BioPower的另一優(yōu)點是可以使用E85燃料，常規(guī)汽油或是無鉛汽油或是兩種物質(zhì)的任何比例的混合物。因為發(fā)動機的管理系統(tǒng)會自根據(jù)燃料的可燃條件和最終混合辛烷值來自我調(diào)節(jié)。這意味著不一定非要E85燃料。

CNG是另一種替代燃料。歐寶現(xiàn)在提供現(xiàn)款可用這種燃料的車型，分別是Zafira CNG和Combo CNG。其百公里的燃料消耗分別僅為5.0kg和4.9kg。相比普通版本車型CO2排放量的138g/km和133g/km，7座的Zafira CNG卻僅為20g/km。歐寶CNG車型的排放比最嚴格的排放標準還低了80%。而續(xù)航的里程達到380km，同時又在車上提供一個有著相同性能表現(xiàn)的汽油發(fā)動機，最大功率為69kW，而加上副油箱后可以再多跑170km。這款1.6L的發(fā)動機可以使用CNG、生物天燃氣及兩者的任何比例混合物。歐寶同時還提供更強大的帶渦輪增壓技術(shù)的“TNG”型發(fā)動機。

長期目標：燃料電池實現(xiàn)零排放

通用制訂了長期的目標那就是實現(xiàn)真正意義上的零排放。工程師們一直在努力研究如何把燃料電池成熟化量產(chǎn)。在這項技術(shù)上通用已經(jīng)投資了超過10億美元?！艾F(xiàn)在燃料電池中心與常規(guī)產(chǎn)品的研發(fā)已經(jīng)捆綁在一起，在公司的內(nèi)部也已經(jīng)成為一個相當(dāng)重要的部分了。”Carl-Peter Forster表示：“這也是我們一直致力于研究燃料電池量產(chǎn)化問題的標志之一。”超過400位工程師投身于動力系統(tǒng)的研發(fā)中，將來還會有100位工程師轉(zhuǎn)向把燃料電池投入到未來的通用汽車上進行研究工作。