发展燃料电池 建设节约型、环保型海峡西岸城市
作者:jnscsh 时间:2021-07-05 09:06:19 浏览次数:次
[摘要] 燃料电池的应用和普及对建设节约型、环保型的海峡西岸城市,乃至国家的能源安全有着举足轻重的作用;发展燃料电池是实现节能和环境保护的最有效手段。该文从发展燃料电池的意义,燃料电池的优势、应用及其发展状况,发展燃料电池的挑战等方面进行讨论。
[关键词] 燃料电池 优势 发展状况 环境保护
1 发展燃料电池是实现节能和环保的有效手段
近10年来,中国、美国等国家经济的快速发展,带动了对石油的旺盛需求。虽然目前国际石油储量还相当丰富,但是石油主产区(中东地区)的政治不稳定,石油输出组织不断采取限采保价措施,使原油价格快速攀升并持续维持在高位。国际能源争夺愈演愈烈,美国、日本、欧盟等都不断加快调整各自的能源战略,全球能源形势正经历深刻演变,亟需我们对能源问题从战略的高度重视和深入思考。
上世纪70年代的石油危机和近年来石油价格恐慌等能源效应表明,对能源资源的占有量、能源综合效率、能源使用的方式和能源使用的安全性成为影响一个国家人民的生活水平提高、综合国力的发展以及国家文明和社会进步的重要因素。中国从1993年成为石油净进口国,2004年对原油的进口依存度已超过40%,预计2020年对原油的进口依存度将达到60%。因此,保持石油的安全供应成为涉及国家安全的重大问题。多年的实践证明,在一定的国际能源环境下,迅速改善能源环境的有效手段就是节能。
在“九五”和“十五”期间,我国在节能方面已取得了较好的成绩,那么在节能方面还能有所作为吗?从国际上来看,目前每百万美元GDP消耗的标准油分别是:日本90吨,约为世界平均水平的1/3;美国250吨,欧盟180吨,而我国836吨。每百万美元GDP消耗的标准油,我国是日本的9.3倍,美国的3.4倍。此外,“十五”期间,我国能源消费的弹性指数平均值已超过了1,这说明我国能源消费增长速度已经超过经济增长速度。如果按照这种弹性指数发展下去,到2010年我国将消耗30亿吨以上的标准煤。而这个能源的消费量是我国原来制订的2020年的规划目标。再从年人均能源消费量来看,目前发达国家的消费量很大。例如,从年人均消费标准油来看,日本和欧盟为4吨,美国大于8吨,而中国不到1吨。对于中国这样一个人口大国来说,如果按照发达国家年人均能源消费量进行活动,很难实现可持续发展,根本不符合国情。节能、建设节约型社会成为改变这一发展模式的重要手段。不过,要实现节能降耗,不找到一条跨越式的降耗之路,肯定无法实现目标。例如,上海在“十五”期间,万元GDP能耗已下降了16.5%。要在“十一五”期间在“十五”的基础上将万元GDP的能耗再降20%,只有倚重于新技术的应用。
目前,在以化石燃料为主的能源供给模式中,能源的供给量总是与污染物的排放量一同增长。国家环保总局张力军副局长认为,48.1%的中国城市的空气质量处于中度或重度污染,颗粒物是首要的污染物。张力军说,在人口超百万的特大型城市中,二氧化硫和颗粒物超标比例高,空气质量达标比例低。如果能将节能措施落实到位的话,在减少能耗总量的同时,也同时减少了污染物的排放量。因此,节能除了减少对能源的净需求,还能起到环保的作用。
从能源系统效率来看,目前中国能源的综合利用效率为32%,而发达国家的为40%,甚至50%左右。如果按开采效率32%计算,从开采、加工、运输、到新设备,中国总的能源利用效率为9.3%,不到发达国家的50%。要进一步提高能源利用效率,必须倚重于新技术的应用。在常规火力发电中,能源效率受卡诺循环(由两个绝热过程和两个等温过程构成的循环过程)的限制,能量转换效率不高。例如,内燃机的能源效率只能达到18%~24%。而燃料电池的理论热电转化效率可达85%-90%,实际能量转化效率在40%-60%的范围内。若实现热电联供,燃料电池的总能量利用效率可达到80%以上。为了实现“十一五”提出将单位GDP能耗降低20%的约束性指标,在十届人大二次会议上,温家宝总理强调使用新能源、可再生能源以及节能汽车的重要性。在2005-2020年国家科技发展计划中指明,在未来,氢能尤其是燃料电池公共汽车将成为城市公交系统的主要组成部分。从应用的角度来看,燃料电池除了可作为发电装置以外,还可以作为电动汽车、家用机器人、笔记本电脑、以及众多可移动电子装置的电源。2000年诺贝尔化学奖获得者(美国德克萨斯大学)Alan G. MacDiarmid教授在2006年5月国家自然科学基金委员会成立20周年时预言,将来汽车的动力将从仅用空气和生物乙醇或生物燃油的燃料电池中获得动力。美国已将燃料电池列为27个国家关键技术领域之一,加拿大将燃料电池列为国家知识经济的支柱产业之一,我国也已将燃料电池列为“九•五”攻关计划之一。
2 燃料电池的优势及应用
广义的燃料电池是一种发电系统。该系统包含燃料处理或重整系统、直流输出的电流和电压调节系统、热交换系统、安全控制系统和其他装置。狭义上的燃料电池是一个单电池或独立的电池堆,它包含燃料重整系统、燃料电池反应系统、能量回收系统等。其中,燃料重整系统可以将天然气等转化为可供电池使用的富氢气体,比较复杂。但是,在使用H2为燃料的燃料电池中可以省去这一系统。
2.1 燃料电池的优点
与其它类型电池和其它产生能量的方法相比,燃料电池有如下的优点:
2.1.1 能量转化率高
在燃料电池中可以将燃料的化学能直接转变为电能,不需要经过中间燃烧过程,能量转换中不受卡诺循环的约束,能量转化效率很高。
2.1.2 环境污染少
由于燃料电池具有高的能量转换效率,产生相同能量排放的二氧化碳的量就比使用热机过程产生相同能量排放的二氧化碳的量减少40%以上,这对缓解地球的温室效应是十分重要的。燃料电池所用的燃料在反应前必须经过脱硫及脱除污染物的步骤,在燃料电池的发电过程中,化学能转变为电能是按电化学原理进行的,不经过热机的燃烧过程,几乎不排放氮氧化物和硫氧化物,减轻了对大气的污染。当燃料电池以纯氢为燃料时,化学反应的产物仅为水,从根本上消除了污染物的排放。
2.1.3 噪音污染少
在燃料电池系统的运行过程中几乎没有移动的部件,运行过程没有通常发电机发电的噪音。
2.1.4 比能量高
液氢燃料电池的比能量是镍镉电池的800倍,直接甲醇燃料电池的比能量是锂电池的10倍以上。虽然目前燃料电池的实际比能量只有理论比能量的10%左右,但比其它高能电池还是高很多。
2.1.5 使用寿命长
在通常的化学电池中,正极活性物质和负极活性物质是共处于同一体系中,电池的使用寿命受到正极活性物质和负极活性物质的用量及循环寿命的制约。然而,燃料电池的正极活性物质和负极活性物质是从外部供给的,因此从理论上来看,燃料电池的寿命不会短。
2.1.6 操作方便,安全可靠,灵活性大
燃料电池的结构简单,辅助设备少,几乎可以在任何需要的地方发电,不必使用输送电线和电站等配套设备,操作十分方便。燃料电池的灵活性大,功率可以从几瓦到兆瓦,使用对象可以从手机到大规模发电。在使用过程中,燃料电池的可靠性大,能量效率与负载的大小没有太大的关系。同时,由于整个电池系统是由单个电池组成的,维修时只要拆换单个电池就可以了,十分方便。
2.2 燃料电池的应用
燃料电池的发展历史已经有160多年。伴随着燃料电池的发展,其应用领域也在不断扩大,下面分别讨论。
2.2.1 在军事上的应用
燃料电池具有高效、多面性、使用时间长、运行噪音低、安全方便、灵活可靠、适合移动等特点,非常适合军事的需要。比如:美国海军的海底探索船只和潜艇就常用燃料电池来驱动。
2.2.2 在移动装置上的应用
微型燃料电池的寿命长、质量小、燃料添加方便、安全可靠,比常规的电池更具优势。美国、日本、欧盟、中国等正在研究以燃料电池为能源的手机。
2.2.3 在家庭中应用
可解决农村能源问题,供给较大的电子设备电能,如用于即将面世的家用机器人。
2.2.4 在空间领域的应用
早在60年代,美国就将燃料电池用于登月计划。燃料电池在这一方面应用是最为广泛的。
2.2.5 在固定区域的应用
在区域发电中使用燃料电池,可以避免长距离输电的电力损耗和解决架设线路困难等问题。
2.2.6 在运输车辆中的应用
在运输车辆中,特别是在城市公共汽车中使用燃料电池,可以提供清洁无污染的能源。
3 燃料电池的发展状况
3.1 燃料电池的发展历史
早期燃料电池的价格很高,主要应用于航天领域中。经过世界各国多年竟相研究和开发,目前燃料电池的价格已经大幅度降低。从燃料电池的发展来看,已有160多年的历史。1839年,当用铂电极电解H2SO4溶液时,Grove发现铂电极对新析出的氢气和氧气有电催化活性,从而提出燃料电池的雏形。1889年,Mond和Langer首先采用“燃料电池”一词来命名这类电池。1894年,Ostuard从热力学上证实:用低温电化学氧化法获得燃料能量的效率远高于用热机方法获得能量的效率。然而,由于在发电技术和电极过程动力学理论研究中没有取得突破性的进展,直到20世纪50年代,燃料电池才有实质性的进展。Bacan开发了多孔镍电极,制造了第一个千瓦级碱性燃料电池系统。现代燃料电池的研究与开发始于20世纪50年代,并以60年代末美国将燃料电池成功应用于阿波罗登月计划为顶点和标志。70年代后,由于全球石油危机和环境保护的呼声,使燃料电池又一次引人注目,成为研究的热点。80年代熔融盐和90年代的固体氧化物燃料电池也得到了很大的发展。如今,质子交换膜燃料电池的研究已经取得了重要进展,已研制出了高功率密度的质子交换膜。美国、日本、欧盟、中国等国都开展了众多领域燃料电池的研究。
3.2 中国燃料电池的发展现状
正如前面讨论的,由于我国国民经济的快速发展,伴随着许多城市的空气污染十分严重。为减少城市空气污染和提高能源使用效率,科技部和有关部委共同组织了以“清洁能源行动”和“清洁汽车行动”为主要内容的“空气净化工程”,并在包括北京市、上海市在内的全国30多个城市实施。同时,北京市和上海市制定了一系列的法规、政策和措施,以推动清洁能源技术和清洁汽车技术的推广和应用,减少城市空气污染,改善空气质量。下面我们回顾一下燃料电池的发展现状。
中国燃料电池的研究和开发始于1958年。当时的电子工业部天津电源研究所最早开展燃料电池研究。上世纪70年代初期,在航天事业的推动下,我国燃料电池的研究出现过一次高峰。90年代中期,国家科技部和中国科学院将燃料电池列入“八五”攻关项目,我国出现了研究燃料电池的第二个高峰。其中,质子交换膜燃料电池被列为重点项目,以大连化物所为牵头单位在全国开展了质子交换膜燃料电池的电极材料和电池系统的研究,组装了多台1百瓦、1千瓦、2千瓦、5千瓦、50千瓦的电池组和电池系统。2000年9月,上海神力科技公司开发出以纯氢气为燃料的质子交换膜燃料电池的观光车,同年11月,北京富源新科技开发公司也开发出以质子交换膜燃料电池为动力的汽车。2001年,科技部开始实施以燃料电池汽车为重要内容的“电动汽车专项”,作为12个国家重大科技专项之一,国家投入近9亿元。2005年8月上海神力科技有限公司承担了科技部电动汽车重大专项中10辆轿车发动机、4辆大巴发动机的研制任务。研究成果通过了科技部监理检查组对神力科技工作的节点检查验收。制备的电动汽车的续驶里程为230km,在0-100km/h间的加速时间为19s,燃料经济性指标达到1.132kg/100km。
3.3 小型燃料电池的研究现状
几年来不断有公司宣布推出用于便携产品的微型燃料电池原型,业界人士曾在2004年期望“2006年可以像购买普通干电池一样,在超市里买到甲醇燃料盒”。然而,2007年已经来到,虽然有些燃料电池厂商实现了小批量生产,但距离这个愿望还有相当长的路要走。不过,越来越明朗的是:技术的不断改进、公众认知度的深入以及来自政府的支持,都在加速推进微型燃料电池的商业化进程,目前已到破茧成蝶的阶段,全面起飞指日可待。
在以3C电子产品为主要应用领域的小型燃料电池方面,现今全球最具有成为3C电子产品新世代电源潜力者,当属质子交换膜燃料电池,其中又以小型直接甲醇燃料电池具有激活速度快,使用的燃料为甲醇,具有储运方便且成本低等优势而倍受青睐,近年在全球国际大厂积极投入研发推波助澜下,技术进展迅速。ABI的分析师Atakan Ozbek说:“许多公司正在以飞快的速度开发该产品的原型” 。他预计,全球的微型燃料电池出货量将会从2004年的5,000个增长到2011年的2亿个,销售额也将从100万美元上升到20亿美元。国外最近的研发成果及部分产品显示小型甲醇燃料电池已经接近商业的需求。
(1)日本
日本东芝公司2003年推出小型甲醇燃料电池(大小:10.82x2.95 x1.57英寸,重量:28.9盎司),能提供5小时的电量,燃料盒可以重复使用。因为该电池所使用的电极与锂电池的相同,所以它也可以替换便携设备中的锂电池。该公司2004年发布的小型甲醇燃料电池输出功率100mW,(大小:22 × 56 × 4.5mm,重量:8.5g),燃料储存槽(厚:9.1mm,甲醇容量2ml,溶度为99.5%的甲醇),这种超小型燃料电池可用于便携式音乐播放器和卡片型收音机等电子设备,如果用于笔形音乐播放器,电池可使用20小时。日本东芝公司2005年推出采用燃料电池的MP3随身听原型机如图8所示,其中一款是闪存产品,一款是微型硬盘产品,分别采用了输出功率为100mW和300mW的燃料电池。300mW燃料电池(尺寸:60x75x10mm),播放器(尺寸:65×125×27mm),带电池重量为270g。一次充电后可以维持60小时的运作。
(2)韩国
韩国三星尖端技术研究所(SAIT)研制成功了可支持笔记本电脑正常工作10小时的燃料电池系统,其最大输出功率为20W,燃料使用100ml甲醇水溶液。2006年前后,将燃料电池的单位体积能量密度由当前的200Wh/l左右提高到500Wh/l,达到与现有锂离子充电电池相同的水平。
(3)美国
摩托罗拉计划投入巨资于北美Tekion 公司进行。用于为手持设备提供1mW到50W的功率的燃料电池。可以广泛用于工业计算机、卫星设备、笔记本电脑以及移动电话上。他们利用燃料电池反应产生的温度上升现象,加快了甲醇的汽化反应,提高了反应效率,使功率密度最高可达250mW/cm2,是直接甲醇型样机的4~5倍。
(4)德国
直接采用甲醇的燃料电池的样品的平均输出功率为12 W,最大输出为20 W,可提供5 h的电能。德国SFC公司专门面向笔记本电脑和掌上电脑的小型燃料电池。平均输出功率为25W。
(5)中国
直接甲醇燃料电池项目落户济南。
4 发展燃料电池的挑战
国内外研究和开发燃料电池的实践表明,燃料电池项目是一个系统工程项目,不是一朝一夕、某个单位就能够完成的,需要政府、企业、科研院所的通力合作,经过一定时期的努力才能完成的。正如中国院大连化物所衣宝廉院士说的“燃料电池的商业化不是百米冲刺,而是厚积薄发的长跑”。他在2006年东莞召开的第27次全国物理与化学电源会议上,指出燃料电池的初期成本较高,目前中国独立研究的燃料电池中还存在燃料电池的循环寿命有待于进一步提高的不足。
5 发展燃料电池的展望
21世纪是氢能的世纪,新材料的发现和纳米技术的发展将有利于降低燃料电池的成本,而环境的治理和能源的缺乏等问题势必大大地促使燃料电池大规模地进入人类社会。目前,欧洲、美国和日本等发达国家以及许多发展中国家都制定了严谨的计划,投入了大量的人力、物力和财力对各类的燃料电池进行大规模的研究和开发。专家预计到2010年燃料电池的汽车才可能大规模生产;到2017年,全世界30%的电力是有燃料电池提供的。燃料电池技术将导致21世纪新能源的革命。
燃料电池一旦得到普遍应用,那么,我们的社会便将步入一个使用氢能源的新型社会,而这种氢能源,实际上永远也不会枯竭。因此,燃料电池可能引发自工业革命以来的又一次大变革。
参考文献
[1] 2006年中国能源发展报告. http: // .cn /info /06nengyuan/ txt /2006-08/29/content_7114989.htm
[2] 周大地. 中国能源形势报告会.
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[4] 秦孔建,高大威,卢青春,金振华. /isoc-zl /shownews.asp?id=458
[5] http: // /products /showcp.asp? prid=314&mmid=306& aid =35&bbid=327
[6] /isoc-zl/shownews.asp?id=463
[7] /materials/class/news_show.php?Ews _id=1781
[8] http: // /tiring_room/new /hynews/ 200712485 351.htm
[9] /news/newpower/200609/200609140200. html
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