燃料电池技术论文精选(九篇)

第1篇：燃料电池技术论文范文

作者: 许世森(国家电力公司热工研究院) 【论文摘要】本文介绍了燃料电池发电技术的特点和应用形式，论证了在我国电力系统发展燃料电池发电技术的必要性。概述了国外燃料电池的发展计划和市场预测，总结了国外发展燃料电池的经验。通过技术比较，提出了在我国电力系统发展燃料电池发电的技术路线。 燃料电池发电是将燃料的化学能直接转换为电能的过程，其发电效率不受卡诺循环的限制，发电效率可达到50％一70％，被誉为二十一世纪重要的发电新技术之一。目前，国际上磷酸型燃料电池已进入商业化，其它几种燃料电池预计在2005年一2010年200KW一将全面进入商业此。对于这种蓬勃发展的发电新技术，国家电力公司应该采取怎样态度?要不要发展?怎样发展?这些问题亟待解决。 l 燃料电池发电的技术特点和应用形式 1．1 技术特点 燃料电池发电是在一定条件下使燃料(主要是H2)和氧化剂(空气中的02)发电化学反应，将化学能直接转换为电能和热能的过程。与常规电池的不同：只要有燃料和氧化剂供给，就会有持续不断的电力输出。与常规的火力发电不同，它不受卡诺循环的限制，能量转换效率高。与常规发电相比燃料电池具有以下优点：(1)理论发电效率高，发展潜力大。燃料电池本体的发电效率可达到50%一60％，组成的联合循环发电系统在(10-50)MW规模即可达到70％以上的发电效率。(2)污染物和温室气体排放量少。与传统的火电机组相比，C02排出量可减少40％一60％。Nox(＜2ppm)和SOx(＜1ppm)排放量很少。 (3)小型高效，可提高供电可靠性。燃料电池的发电效率受负荷和容量的影响较小。(4)低噪音。在距发电设备3英尺(1．044米)处噪音小于60dB(A)。(5)电力质量高。电流谐波和电压谐波均满足IEEE519标准。(6)变负荷率高。变负荷率可达到(8％一lO％)／min，负荷变化的范围大(20%一120%)。(7)燃料电池可使用的燃料有氢气、甲醇、煤气、沼气、天然气、轻油、柴油等。(8)模块化结构，扩容和增容容易，建厂时间短。(9)占地面积小，占地面积小于lm2／KW。 (10)自动化程度高，可实现无人操作。 总之，燃料电池是一种高效、洁净的发电方式，既适合于作分布式电源，又可在将来组成大容量中心发电站，是2l世纪重要的发电方式。制约燃料电池走向大规模商业化的主要因素是：高价格和寿命问题。 2．1 燃料电池的应用形式 (1)现场热电联供，常用的容量为200KW一1MW。 (2)分布式电源，容量比现场用燃料电池大，约(2-20)MW。 (3)基本负荷的发电站(中心发电站)，容量为(100-300MW)。 (4)燃料电池还可用于100W-100KW多种可移动电源、便携式电源、航空电源、应急电源和计算机电源等。2 为什么要在我国电力系统发展燃料电池发电技术? 2．1 采用燃料电池发电是提高化石燃料发电效率的重要途径之一 以高温燃料电池组成的联合循环发电系统，可使发电效率达到60%-75%(LHV)，这一目标将在2005年左右实现。预计到2010年，发电效率可超过72％。煤气化燃料电池联合循环(IGFC)的发电效率可达到62％以上。以燃料电池组成的热电联产机组的总热效率可达到85％以上。燃料电池本体的发电效率基本不随容量的变化而变化，这使得燃料电池既可用作小容量分散电源，又可用于集中发电应用范围广泛。

第2篇：燃料电池技术论文范文

【论文摘要】:电能高效洁净地生产、传输、储存、分配和使用的技术将成为电力技术的重点领域。

“电力技术是通向可持续发展的桥梁”，这个论断已经逐渐成为人们的共识。研究表明，为了实现可持续发展，应尽可能把一次能源转换为电能使用，提高电力在终端能源中的比例。因为，在保证相同的能源服务水平的前提下,使用电力这种优质能源最清洁、方便，易于控制、效率最高。如果能将大量分散燃用的化石燃料都高效洁净地转换为电力使用，人们赖以生存的环境和生活质量就会大大改善。因此，电能高效洁净地生产、传输、储存、分配和使用的技术将成为电力技术的重点领域。以下将对若干电力前沿技术的现状和未来发展前景进行简单评述。

1.分布式电源

当今的分布式电源主要是指用液体或气体燃料的内燃机(IC)、微型燃气轮机（Microtur_bines）和各种工程用的燃料电池（FuelCell）。因其具有良好的环保性能，分布式电源与“小机组”已不是同一概念。

1.1微型燃气轮机

微型燃气轮机（MicroTurbine）,是功率为几千瓦至几十千瓦，转速为96000r/min，以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机，工作温度500℃，其发电效率可达30%。目前国外已进入示范阶段。其技术关键是高速轴承、高温材料、部件加工等。可见，电工技术的突破常常取决于材料科学的进步。

1.2燃料电池

燃料电池是直接把燃料的化学能转换为电能的装置。它是一种很有发展前途的洁净和高效的发电方式，被称为21世纪的分布式电源。

1.2.1燃料电池的工作原理

燃料电池的工作原理颇似电解水的逆过程。氢基燃料送入燃料电池的阳极(电源的负极)转变为氢离子，空气中的氧气送入燃料电池的阴极(电源的正极)，负氧离子通过2极间离子导电的电解质到达阳极与氢离子结合成水，外电路则形成电流。

通常，完整的燃料电池发电系统由电池堆、燃料供给系统、空气供给系统、冷却系统、电力电子换流器、保护与控制及仪表系统组成。其中，电池堆是核心。低温燃料电池还应配备燃料改质器（又称为燃料重整器）。高温燃料电池具有内重整功能，无须配备重整器。磷酸型燃料电池（PAFC）是目前技术成熟、已商业化的燃料电池。现在已能生产大容量加压型11MW的设备及便携式250kW等各种设备。第2代燃料电池的溶融碳酸盐电池（MCFC），工作在高温（600～700℃）下，重整反应可以在内部进行，可用于规模发电，现在正在进行兆瓦级的验证试验。固体电解质燃料电池（SOFC）被称为第3代燃料电池。由于电解质是氧化锆等固体电解质，未来可用于煤基燃料发电。质子交换膜燃料电池是最有希望的电动车电源。

1.2.2性能和特点

燃料电池有以下优点：（1）有很高的效率，以氢为燃料的燃料电池，理论发电效率可达100%。熔融碳酸盐燃料电池，实际效率可达58.4%。通过热电联产或联合循环综合利用热能，燃料电池的综合热效率可望达到80%以上。燃料电池发电效率与规模基本无关，小型设备也能得到高效率。（2）处于热备用状态，燃料电池跟随负荷变化的能力非常强，可以在1s内跟随50%的负荷变化。(3)噪音低；可以实现实际上的零排放；省水。（4）安装周期短，安装位置灵活，可省去新建输配电系统

目前燃料电池大规模应用的障碍是造价高，在经济性上要与常规发电方式竞争尚需时日。

1.2.3技术关键和研究课题

燃料电池的技术关键涉及电池性能、寿命、大型化、价格等与商业化有关的项目，主要涉及新的电解质材料和催化剂。熔融碳酸盐电池（MCFC）在高温条件下液体电解质的损失和腐蚀渗漏降低了电池的寿命，使MCFC的大型化及实用化受到限制。需要解决电池构成材料的腐蚀；电极细孔构造变化使电池性能下降等问题。固体氧化物燃料电池（SOFC）使用固体电解质且工作温度很高,对构成材料及其加工有特殊要求。为了得到高温下化学性稳定和致密性（不通过气体）的电解质，在氧化锆中加入Y2O3生成钇稳定氧化锆。为了降低工作温度，应尽可能减少电解质薄膜厚度。通常采用熔射法、烧结法和电化学蒸发涂层法制备电解质薄膜。实用的电解质膜的厚度为0.03～0.05mm。比较先进的已达到0.01mm。这样薄的电解质陶瓷材料除应当有足够的机械强度外，必须具有高度的气体致密性，否则将丧失燃料电池的性能。燃料极使用镍锆等耐热金属陶瓷，镍还用作燃料重整的催化剂，空气极在运行中处在高温氧化中，难以使用一般金属。铂的稳定性好，但费用昂贵，需要寻找替代材料，可用电子导电陶瓷。为了降低工作温度，另外一个重要的研究方向是寻找低温的质子导电的电解质。工作温度倘若能降低到700℃以下，SOFC的造价就可以大幅度降低。

2.大功率电力电子技术的应用硅片引起的“第二次革命

2.1大功率电力电子器件的重大进展

电力电子学（PowerElectronics）的应用已经有多年的历史。电力电子学器件用于电力拖动、变频调速、大功率换流已经是比较成熟的技术。大功率电子器件（HighPowerElectronics）的快速发展也引起了电力系统的重大变革，通常称为硅片引起的第二次革命。

近年来，大功率电子器件已经广泛应用于电力的一次系统。可控硅（晶闸管）用于高压直流输电已经有很长的历史。大功率电子器件应用于灵活的交流输电（FACTS）、定质电力技术（CustomPower）以及新一代直流输电技术则是近10年的事。新的大功率电力电子器件的研究开发和应用，将成为电力研究前沿。

2.2灵活交流输电技术(FACTS)

灵活交流输电技术是指电力电子技术与现代控制技术结合以实现对电力系统电压、参数(如线路阻抗)、相位角、功率潮流的连续调节控制，从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平，降低输电损耗。新晨

传统的调节电力潮流的措施，如机械控制的移相器、带负荷调变压器抽头、开关投切电容和电感、固定串联补偿装置等，只能实现部分稳态潮流的调节功能，而且，由于机械开关动作时间长、响应慢，无法适应在暂态过程中快速灵活连续调节电力潮流、阻尼系统振荡的要求。因此，电网发展的需求促进了灵活交流输电这项新技术的发展和应用。

第3篇：燃料电池技术论文范文

1、Altshuller和Darrell Mann专利考察模式

前苏联著名发明家G.S. Altshuller（G.S.阿奇舒勒）及其同事提出了TRIZ理论，其目的是研究人类进行发明创造、解决技术难题过程中所遵循的科学原理和法则。其中包含很多适用于技术创新的工具和方法，如：矛盾解决原理、物质场分析等。产品技术成熟度预测是TRIZ理论的一项重要研究内容。科研工作者和生产者可以通过对产品技术成熟度的预测，了解产品技术的进化过程，为进一步的科研、生产策略和计划制定提供参考，对技术发展具有重要意义。

本文采用的产品技术成熟度预测方法有以下两种：

（1）应用Altshuller专利考察模式进行产品技术成熟度预测：通过对大量专利的分析，Altshuller将专利分为五个等级，并发现了专利等级、专利数量和获利能力随技术系统生命周期的变化规律，这些规律和S曲线（产品进化过程曲线）一起被后来的技术预测专家用来进行产品技术成熟度预测。

（2）应用Darrell Mann专利考察模式进行产品技术成熟度预测：受Altshullar专利考察模式的启发，Darrell Mann根据专利的基本功能，重点考察了两类特殊的专利：降低成本的专利和弥补缺陷的专利，得出了这两类专利的数量随技术系统生命周期的变化规律。据此进行产品技术成熟度预测，能够较快确定技术是否已经过了成熟期。

2、微生物燃料电池

微生物燃料电池（MFC）是利用电化学技术将微生物代谢能转化为电能的一种装置，其基本原理是作为燃料的有机物在厌氧阳极室中被产电微生物氧化，产生电子与质子，其中电子被微生物捕获并传递给电池阳极，通过外电路到达阴极，形成回路产生电流。而质子通过隔膜到达阴极，与氧气及电子反应生成水。微生物燃料电池具有无污染、适用范围广泛等优点，目前已经成为治理污染、开发新能源方面的研究新热点。

目前针对MFC专利领域的研究主要为专利趋势分析、分类号研究及检索和专利申请状况分析，但是针对MFC产品技术成熟度预测的研究未见报道。

二、样本构成

1、检索数据库

使用的检索系统为CNABS。

2、检索关键词及主要分类号

关键词：微生物、燃料电池、MFC

主要分类号：分类号： C02F、H01M

3、检索结果

检索截止日为2012年11月30日，经过去除噪音及去除同样的发明创造后，共获取2000-2011年相关专利申请182篇，作为主要统计分析样本；2000年之前未见相关专利申请；2012年专利申请公开不完全，仅作为背景分析，不纳入统计分析样本。

三、微生物燃料电池专利的分级和分类

专利分级使用Altshuller发明的专利五级分级标准，通过全面阅读分析专利信息（权利要求书、说明书及附图、摘要）、确立标志性专利、纵向比较等步骤而得出具体的分级；专利分类中关注Darrell Mann的专利考察模式中重点考察的两类特殊的专利：降低成本的专利和弥补缺陷的专利，确定每份专利或申请所属于的类别，最后统计数量，拟合曲线，与分级过程可同步进行。

1、专利信息分析与整理

在对微生物燃料电池进行分级和分类前，首先通过对专业背景资料和专利信息的阅读，对微生物燃料电池技术的发展有全面的了解，主要分析专利申请所要解决的技术问题，以及解决该问题所采取的技术手段。通过阅读分析，可以主观的了解技术的继承与发展脉络，为分级作准备。

在专利技术发展中，微生物燃料电池的技术改进主要为系统构型的改变、电极材料的改进、交换膜材料的变化及微生物的选用等。

微生物燃料电池在结构上可以分为单室MFC和双室MFC两种。典型的双室MFC由阳极室、质子交换膜和阴极室组成。单室MFC省去阴极室直接把质子膜固定在阴极上，阴极室暴露在空气中，空气中的氧气直接传递给阴极。二者各具有优缺点，在专利发展中发明人对MFC构型进行不断的调整，以克服在先技术的缺陷。例如申请号为20051001185.5（一种以有机废水为燃料的单池式微生物电池）的专利为首个单池式微生物燃料电池；申请号为20051008661.8（生物反应器——直接微生物燃料电池及其用途）的专利申请为双室结构的变形，即主要由筒状的阳极室、阴极室及将两室中间隔开的质子交换膜构成；申请号20071014496.5（一种管式升流式空气阴极微生物燃料电池）的专利，具备了微生物燃料电池构型的优点，并结合了上升流活性碳阳极和无膜空气阴极于一体的，可以使两电极间距离尽可能最小。

从MFC产电机理来看，阳极作为产电微生物附着的载体，不仅影响产电微生物的附着量，同时还影响电子从微生物向阳极的传递，因此早期很多研究都集中在阳极材料的选择和修饰上。阴极作为电子受体，主要是氧化态的物质，近年在专利申请中也较为常见。例如申请号为20071019540.5的专利提供了一种铁离子循环电极及其制备方法；申请号为20071019656.9的专利提供了一种含锰离子的微生物燃料电池阳极的制备方法；申请号为20091004092.0的专利公开了一种用于微生物燃料电池的布阴极组件及其制备方法，该布阴极组件包括防水透气层、布基材料层和导电催化层或者包括防水透气布和导电催化层；申请号为20101001927.1的专利中使用碳化镍钼作为微生物燃料电池阳极；申请号为20101022015.2（一种微型微生物燃料电池）的专利申请中的阳极为金丝微电极阵列，空气阴极为膜电极：质子交换膜、催化剂层和气体扩散层。

膜材料在MFC中的应用主要为分离两极室中的电解液，同时使阳极室中的质子通过，其中质子交换膜被广泛使用。但出于成本的考虑，去膜和采用其他膜对质子交换膜进行取代成为专利申请的一个发展趋势，例如：申请号为20051011421.3（燃料电池用菌紫质质子交换膜的制备方法）的专利采用微生物作为燃料电池中质子交换膜，对环境不造成污染有效地降低了质子交换膜的生产成本；申请号为20081002795.3（一种微生物燃料电池及应用）的专利采用的膜材料为离子交换膜，具有与传统使用质子交换膜MFC相当甚至略高的输出功率与产电性能，能很好的替代传统使用质子交换膜MFC，并可降低微生物燃料电池成本。

微生物的选择影响着代谢通路，从而影响对有机质的去除和/或能量输出功率。在微生物的选用上，根据不同的发明目的有产气肠杆菌（申请号为20081002922.2）、海洋酵母（20091009798.8）、希瓦氏菌（申请号为20091014094.3和20091030567.7）、弗氏柠檬酸杆菌（20091019363.9）、蜡样芽孢杆菌（20111034751.2）等等。

此外，在应用的领域上，除了传统的用于发电和废水处理的微生物燃料电池之外，该技术扩展到其它的广大领域中，例如：申请号为20061003825.2（一种生态厕所）的专利申请利用微生物燃料电池理论，设计了粪便-微生物-质子膜-电极构成的“粪便电池”；申请号为20091009346.8的专利申请公开了一种面向植入式医疗设备供电的微生物燃料电池系统，该系统设置在人体的横结肠中，利用肠道微生物和内容物产电，可为植入式医疗设备提供能源；申请号为20101014660.4（微生物燃料电池及安有该电池的发电装置）的专利申请公开了一种安有微生物燃料电池的发电装置在稻田进行微生物发电中的应用；申请号为20111008632.6的专利申请中的微生物燃料电池能降解挥发性有机物，在处理挥发性有机废气的同时实现电能的回收。

2、分级

Altshuller的专利五级分级标准，具体如表1所示：

经过对专利信息的阅读分析后，确立了标志性专利：申请号为00810805（一种用于废水处理的使用废水和活性污泥的生物燃料电池）的专利为首个进入中国的微生物燃料电池申请，至少用到微生物、电池、废水处理三个领域的知识，采用交叉学科解决了产电的同时能够进行污水处理的的技术问题，创造了一种新的系统（仅在专利领域考虑）。作为首个标志性的专利，在专利等级分析时，定级较高，为4级；申请号为20051001185.5（一种以有机废水为燃料的单池式微生物电池）的专利为首个单池式微生物燃料电池，无须外加动力来提高阴极表面的氧气含量，无须投加电子转移介体，并且阳极池无需氮气吹脱就能较好地维持厌氧状态，使系统发生了质变，经过综合考虑，在专利等级分析时，定为3级。

对于其余的专利或申请进行分级，也要经过纵向比较，分析其所要解决的技术问题及采用的技术手段，根据分类标准来定级，例如：申请号为20061014499.1（可堆叠式单室微生物燃料电池）的专利公开了一种可堆叠式单室微生物燃料电池，这种构型虽然是首次出现，但是为通过数量的叠加来提高产电能力，量的变化更为明显，在Altshuller的专利考察模式中通常将这类专利定为一级。当然，如果专利中出现其他的技术特征，协同使得该专利较之前的专利申请有质的改变，分级可以再考虑；申请号为20091004203.8（一种微生物燃料电池及其制备方法和应用）的专利将微生物燃料电池及电芬顿有效的结合起来，使系统发生了质的变化，用到了全行业的知识，因此定位2级；申请号为20091007803.6（一种用于同步产电脱盐的污水处理工艺及装置）的专利利用微生物燃料电池的内电流在处理污水、产电的同时脱盐。使系统发生了质的变化，用到了全行业的知识，因此定位2级；申请号为20101022182.0（一种植物——土壤微生物燃料电池系统）的专利申请中，使阳极电极置于植物根部周围的土壤内，阴极电极置于土壤表面。主要以植物光合作用生产并释放到根部的有机质为燃料，避免了产电微生物以污水中有机质为燃料时，有机质对产电微生物的抑制作用，从而导致产电效率低的问题。系统发生变化，用到了全行业的知识，定位2级。

经过对分析样本的全面阅读与分析后，最终将微生物燃料电池专利信息整理汇总如表2所示：

四、微生物燃料电池产品技术成熟度预测

1、Altshullar专利考察模式

根据表2内容，绘制专利数量统计曲线和专利等级统计曲线，并与标准曲线进行对比，如图1、图2所示。

统计曲线拐点位置与标准曲线对应的拐点位置如箭头所示。根据曲线拐点可以预测，微生物燃料电池产品技术目前已结束婴儿期，处于快速成长阶段。由专利数量统计曲线可知：技术系统较婴儿期阶段有较快的发展，研发数量稳步增长。而对于专利等级统计曲线的变化：当微生物燃料电池产品技术进入稳定的发展轨道，数量增长明显，某个特定技术空间内的专利密度增大，将会导致专利保护范围的缩小，且会出现大部分针对单一要素进行某一指标的提高的专利技术，从而拉低专利等级。

2、Darrell Mann专利考察模式

在进行专利数据整理时，发现2000-2011年间高校申请和科研院所申请量占总申请量的96%，从侧面说明微生物燃料电池产品技术还处于研发阶段，因为还没有大规模投入使用，反映在Darrell Mann专利考察模式中，以降低成本为目的的专利申请会小于弥补技术缺陷的专利申请。

Darrell Mann专利考察模式主要应用是快速判断技术是否进入成熟期。根据表2内容，绘制弥补技术缺陷专利数量统计曲线和降低成本专利数量统计曲线，并与标准曲线进行对比，如图4、图5所示。

从图4（a）和图5（a）中可以看到在2009年到2010年间弥补技术缺陷专利数量和降低成本专利数量出现了明显下滑，结合图1（a）——专利数量统计曲线，可以看到其原因为2010年专利申请数量明显低于2009年。这种情况的出现有以下的可能：（1）对专利申请的国家和地区进行统计，发现2009年进入中国大陆的专利申请共7份，占2009年专利申请数量总数的17.9%，而2010年其他国家和地区进入中国大陆的专利申请数量为0，2011年同样为0，说明其他国家和地区出于技术发展或专利战略等原因，于2010年起逐渐放弃我国的专利市场，使专利申请数量受到影响，而这个原因很可能是由于遇到了产电能力难以大幅度提高的技术瓶颈以及生产成本的控制难以达到实现广泛应用的目的；（2）微生物燃料电池领域的研究主力为高校和科研院所，2009年有24所高校及科研院所提交了专利申请，2010年仅有19所，研究室的科研方向转向也部分影响了2010年的专利申请数量。

但是该曲线的下滑段并不影响曲线上升的总趋势判断，从图4和图5中可以看出，微生物燃料电池产品技术还未进入成熟期，结合对专利信息的理解和两种分类专利数量对比，应该还处于成长期当中。

五、结论

进入我国最早两份关于微生物燃料电池的申请（申请号：00809995、00810805）均由韩国科学技术研究院于2000年递交，之后才出现由我国高校兴起的微生物燃料电池专利申请，在经历模仿、吸收后、开始创新，因此微生物燃料电池产品技术经历的婴儿期比较短暂，进入成长期比较迅速。

经过对专利信息的分析，同时结合期刊文献公开的关于微生物燃料电池的资料，认为应用Altshuller和Darrell Mann的专利考察模式对微生物燃料电池产品技术的成熟度预测结果是可信的。在未来的发展中，微生物燃料电池技术将会不断的成熟，成为污水处理领域的常用技术。

第4篇：燃料电池技术论文范文

【关键词】质子交换膜；燃料电池；综述

1.前言

国外能源机构预测随着石油、煤炭等自然资源的日趋枯竭，21世纪将成为氢能的时代。燃料电池是一种不经过燃烧而通过电化学反应直接把燃料中的化学能转化为电能的装置。与传统的火力发电相比，最大的优点是不受热机卡诺循环的限制，CO、CO2、Sv2、NOX及未燃尽的有害物质排放量极低。能量转化率高，一般在45%左右，火力发电仅为30%左右，如果在技术上加以完善或综合利用其效率可望达到60%以上。PEM燃料电池是继磷酸盐燃料电池后的第二代燃料电池。由于采用全氟磺酸膜为电解质，以纯氢或净化重整气为燃料，因此具有能量转化率高、低温启动、无电解质泄露等优点，也因此被认为是继火力发电、水力发电、核能发电之后的第四大能量转化发电方式，它将在燃料电池电站、电动汽车、移动式电源、潜艇、航空航天技术等方面具有广阔的应用前景。

2.PEM燃料电池的发展

20世纪60年达初，美国首次将PEM燃料电池用于“双子星座”Gemini飞船飞行。当时，由于电解质膜稳定性差、电池堆寿命短、贵金属Pt用量太高，致使PEM燃料电池在空间的应用搁置了近20年。

20世纪80年代，加拿大电力公司在政府的支持下开展研究，使PEM燃料电池的性能价格比大大提高。此后，以美国、加拿大和德国为首的发达国家纷纷投入巨资开展PEM燃料电池的研究开发工作，使得PEM技术日趋成熟。这期间的研究主要集中在基础性研究和实用性产品的开发。近五年来，由于可望成为未来理想的移动电源，尤其适合作为清洁汽车动力，世界各大汽车公司纷纷联合开发车用PEM燃料电池，例如德国的戴姆莱克莱斯勒公司、美国的福特公司和加拿大的巴拉德公司组成联盟投资10亿加元成立分别控股的巴拉德动力公司DBB公司和依考斯达公司，分别负责开发燃料电池电动车用燃料电池组电池系统与电推进系统。另外，由于军用潜艇和军用移动电源隐蔽性的需要，各发达国家国防部门及军方均加紧高性能PEM燃料电池技术的研究。

国内PEM燃料电池的研究热潮兴起于20世纪90年代，当时主要有中国科学院长春应用化学研究所和中国科学院大连化学物理研究所，他们着重于PEM燃料电池的高分子膜、催化剂制备等基础研究。随着PEM燃料电池的不断发展和广阔的应用前景，除了清华大学、同济大学等院校单位外，以北京富源、上海神力为代表的公司也加入了研究行列。同时，有PEM燃料电池电堆用作汽车发动机的研究也取得很大的成就，比较突出的有同济的“超越”一号、“超越”二号燃料电池混合动力轿车，清华大学的“清能”一号、“清能”三号燃料电池大巴等。总之，PEM燃料电池的研究及其应用已呈现出百花齐放的趋势，我国的总体水平已接近世界先进发达水平。

3.PEM燃料电池的原理

PEM燃料电池的发电原理与化学电源一样，电极提供电子转移的场所，阳极催化燃料如氢的氧化过程，阴极催化氧化剂如氧等的还原过程；导电离子在将阴阳极分开的电解质内迁移，电子通过外电路作功并构成电的回路。但是它的工作方式又与常规的化学电源不同，而更类似于汽油、柴油发电机。它的燃料和氧化剂不是储存在电池内，而是储存在电池外的储罐中。当电池发电时，要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，排出反应产物，同时也要排除一定的废热，以维护电池工作温度的恒定。

在电池中增湿后的氢气通过双极板上的气体通道穿过扩散层，到达阳极催化剂层，并吸附于电催化剂层中，然后在铂催化剂作用下，发生反应。

随后，H+进入质子交换膜，与膜中磺酸基（-SO3H）上的H+发生交换，使氢离子到达阴极。与此同时，阴极增湿的氧气也从双极板通过阴极扩散层，吸附于阴极电催化剂层中，并与交换而来的H+在铂的催化作用下发生反应。

电极反应生成的水大部分由尾气排出，一部分在压力差作用下通过膜向阳极扩散。

总的反应式为：1/2O2+H2H2O

可见，燃料和氧化剂在PEM燃料电池隔膜的两侧分别完成半个反应的氧化还原反应。实际上，它就是一种通过电化学反应直接把燃料中的化学能转化为电能的装置。

4.PEM燃料电池的特点

PEM的研究越来越受到各国的重视，这是因为它具有以下优点：

（1）高效节能。能量转化率高。通过氢氧化合作用，直接将化学能转化为电能，能量转化率高达40%～60%。

（2）使用固体电解质膜，可以避免电解质腐蚀。

（3）环境友好，可实现零排放。其唯一的排放物是纯净水，没有污染物排放，是环保型能源。

（4）发电效率受负荷变化影响很小，非常适合于用作分散型发电装置（作为主机组），也适于用作电网的“调峰”发电机组（作为辅机组）。

（5）冷启动时间短，可在数秒内实现冷启动。

（6）可靠性强，维护方便。PEMFC内部构造简单，无机械运动部件，工作时仅有气体和水的流动。

（7）氢是世界上最多的元素，来源极其广泛。

但是，PEM燃料电池还存在很多问题，以致于没能大规模商业化。主要缺点：（1）膜的价格高，生产所需技术高。（2）对CO敏感，需要尽可能降低燃料中CO的浓度，以避免催化剂中毒；（3）催化剂成本较高。由于以贵金属铂作为催化剂，因此催化剂成本较高。（4）氢气的生产、储存和运输等技术目前还达不到高效、安全、可靠。（5）高温时寿命及稳定性不理想，以及燃料电池技术还不够普及。

5.展望

尽管PEMFC具有高效、环境友好等突出优点，但目前只能在特殊场所应用和试用。若作为商品进入市场，必须大幅度降低成本，使生产者和用户均能获利，即若作为电动车动力源，PEMFC造价应能与汽车、柴油发动机相比，若作为各种便携式动力源，其造价必须与各种化学电源相当。

参考文献

[1]衣宝廉.燃料电池——原理·技术·应用[M].北京：化学工业出版社，2003：18-23

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第5篇：燃料电池技术论文范文

燃料电池发电是将燃料的化学能直接转换为电能的过程，其发电效率不受卡诺循环的限制，发电效率可达到50％一70％，被誉为二十一世纪重要的发电新技术之一。目前，国际上磷酸型燃料电池已进入商业化，其它几种燃料电池预计在2005年一2010年200KW一将全面进入商业此。对于这种蓬勃发展的发电新技术，国家电力公司应该采取怎样态度?要不要发展?怎样发展?这些问题亟待解决。

l燃料电池发电的技术特点和应用形式

1．1技术特点

燃料电池发电是在一定条件下使燃料(主要是H2)和氧化剂(空气中的02)发电化学反应，将化学能直接转换为电能和热能的过程。与常规电池的不同：只要有燃料和氧化剂供给，就会有持续不断的电力输出。与常规的火力发电不同，它不受卡诺循环的限制，能量转换效率高。与常规发电相比燃料电池具有以下优点：

(1)理论发电效率高，发展潜力大。燃料电池本体的发电效率可达到50%一60％，组成的联合循环发电系统在(10-50)MW规模即可达到70％以上的发电效率。

(2)污染物和温室气体排放量少。与传统的火电机组相比，C02排出量可减少40％一60％。Nox(＜2ppm)和SOx(＜1ppm)排放量很少。

(3)小型高效，可提高供电可靠性。燃料电池的发电效率受负荷和容量的影响较小。

(4)低噪音。在距发电设备3英尺(1．044米)处噪音小于60dB(A)。

(5)电力质量高。电流谐波和电压谐波均满足IEEE519标准。

(6)变负荷率高。变负荷率可达到(8％一lO％)／min，负荷变化的范围大(20%一120%)。

(7)燃料电池可使用的燃料有氢气、甲醇、煤气、沼气、天然气、轻油、柴油等。

(8)模块化结构，扩容和增容容易，建厂时间短。

(9)占地面积小，占地面积小于lm2／KW。

(10)自动化程度高，可实现无人操作。

总之，燃料电池是一种高效、洁净的发电方式，既适合于作分布式电源，又可在将来组成大容量中心发电站，是2l世纪重要的发电方式。制约燃料电池走向大规模商业化的主要因素是：高价格和寿命问题。

2．1燃料电池的应用形式

(1)现场热电联供，常用的容量为200KW一1MW。

(2)分布式电源，容量比现场用燃料电池大，约(2-20)MW。

(3)基本负荷的发电站(中心发电站)，容量为(100-300MW)。

(4)燃料电池还可用于100W-100KW多种可移动电源、便携式电源、航空电源、应急电源和计算机电源等。

2为什么要在我国电力系统发展燃料电池发电技术?

2．1采用燃料电池发电是提高化石燃料发电效率的重要途径之一

以高温燃料电池组成的联合循环发电系统，可使发电效率达到60%-75%(LHV)，这一目标将在2005年左右实现。预计到2010年，发电效率可超过72％。煤气化燃料电池联合循环(IGFC)的发电效率可达到62％以上。以燃料电池组成的热电联产机组的总热效率可达到85％以上。燃料电池本体的发电效率基本不随容量的变化而变化，这使得燃料电池既可用作小容量分散电源，又可用于集中发电应用范围广泛。

2．2燃料电池发电可有效地降低火力发电的污染物和温室气体排放量

燃料电池发电中几乎没有燃烧过程，NOx排放量很小，一般可达到(O．139一0．236)kg／MW·h以下，远低于天然气联合循环的NOx排放量(1kg／MW·h一3kg/MW．h)。由于燃料进入燃料电池之前必须经过严格的净化处理，碳氢化合物也必须重整成氢气和CO，因此，尾气中S02、碳氢化合物和固态粒子等污染物排量也污染物的含量非常低。与常规燃煤发电机组相比，C02的排放量可减少40％一60%．在目前CO2分离和隔绝技术尚不成熟的状况下，通过提高能源转换效率减少CO2排放是必然的选择。

2.3采用燃料电池发电可提高供电的灵活性和可靠性

燃料电池具有高效率、低污染、低噪声、模块化结构、体积小、可靠性高等突出特点，是理想的分布式电源。与目前一些可做为分布式电源的内燃机相比，燃料电池的发电效率更高、污染更低。在250KW-lOMW的功率范围内，具有与目前数百兆瓦中心电站相当甚至更高的发电效率。作为备用电源的柴油发电机由于污染和噪声大不宜在未来的城市中应用。低温燃料电池不仅发电效率高，而且启动快、变负荷能力强，是很好的备用电源。现代社会对供电的可靠性和环境的兼容性要求越来越高，高效、低污染的分布式电源系统日益受到重视。近年来美国、加拿大、台湾相继发生因自然灾害或人为因素造成的大面积停电，许多重要用户长期不能恢复供电，给社会和经济造成了巨大的损失。北约轰炸南联盟，使电力系统严重受损。这些由不可抗力引起的电网破坏无不使人引发出一个重要的思考：提高我国电力系统供电的可靠性和供电质量，虽然主要依靠电网的改造和技术革新，但如果在电网中有许多分布式电源在运转，供电的可靠性将会大大提高。

对于象军事基地、指挥中心、医院、数据处理和通讯中心、商业大楼、娱乐中心、政府要害部门、制药和化学材料工业、精密制造工业等部门，对电力供应的可靠性和质量要求很高。目前采用的备用电源效率低、污染严重、电压波动大。而采用燃料电池作为分布式电源向这些部门提供电力，会使供电的可靠性和电力质量大大提高。他们将是燃料电池发电技术的第一批用户。

对于边远地区，负荷小且分散，若建设完善的电网，不仅投资大，线损大，且电网末端地区电力质量不稳定。对于这些区域若辅助燃料电池发电的分布式电源，更能有效地解决这些地区的电力供应问题。燃料电池的重量比功率和体积比功率均比常规的小型发电装置大，因此，它也是理想的移动电源，适合于各种建设工地、野外作业和临时急用。

2．4发展燃料电池发电技术是提高国家能源和电力安全的战略需要

美国已将燃料电池发电列为国家安全关键技术之一。美、日之所以能在燃料电池技术方面处于世界领先地位，与国家从战略高度予以组织、资助和推动密不可分。在目前复杂的国际环境下，高技术的垄断日趋严重，掌握清洁高效发电的高新技术对未来国家的能源和电力安全具有重要的战略意义，而燃料电池发电技术，正是这种高效清洁的高新发电技术之一。燃料电池突出的优点，以及发达国家竟相投入巨资研究开发的行动，足以说明燃料电池发电技术在21世纪会起到越来越重要的作用。

2．5发展燃料电池发电技术是国电公司“加强技术创新，发展高科技，形成高新技术产业”的需要

燃料电池发电技术是电力工业中的高新技术，己受到普遍重视。美国燃料电池发电技术的研究开发主要由美国能源部组织实施，其中一个重要的目的就是形成新的高技术产业，为美国的经济注入新的活力。日本的东京电力公司、关西电力公司及其它公用事业单位是日本燃料电池开发及商业化的主要承担者和推动者，其目的也是为电力公司注入新的经济增长点以获得巨大的经济效益和社会效益。

国家电力公司处在完成“两型”、“两化”、“进入世界500强”的历史时刻，恰逢党中央国务院号召全国各行业“加强技术创新，发展高科技，实现产业化”的有利时机，在国家电力公司内不失时机地进行燃料电池发电技术的研究开发是非常必要的。采取引进、消化、吸收和再创新的技术路线，以高起点，在尽可能短的时间内初步形成自主产权的燃料电池发电关键技术，不仅可以使我国在燃料电池发电技术领域与国外的差距大大缩小，而且，对国家电力公司进行发电系统的结构调整、技术创新、形成高新技术产业、实现跨越式发、提高国际竞争能力都具有非常重要的意义。

2．6燃料电池发电技术在我国有广阔的发展前景

未来二十年，随着我国“西气东送”，全国天然气管网的不断完善及液化天然气(LNG)的广泛应用，燃用天然气的燃料电池发电将会有很大市场。煤层气也是燃料电池的理想燃料。我国丰富的煤层气资源也将是燃料电池发电的巨大潜在能源之一。燃料电池可与常规燃气一蒸汽联合循环结合，形成更高效率的发电方式。与煤气化联合循环(IGCC)结合，形成数百兆瓦级的大型、高效、低污染的中心发电站，比IGCC效率更高，污染更小。

燃料电池可与水电、风电和太阳能发电等结合，在高出力时，利用电解水制氢，低出力时用燃料电池发电，达到既储能，又高效发电的目的。采取气化或厌氧处理的方法将生物质变为燃料气，通过燃料电池发电，提高能源转换效率，并降低污染物排放量。对一些经济欠发达但有丰富的沼气资源的地区，利用燃料电池发电技术有可能更有有效地解决这些地区的电力供应问题。

2．7与国外有较大的差距

在燃料电池发电技术方面，我国与国际先进水平有较大的差距。在MCFC和SOFC技术方面，国外已分别示范成功了2MW和100KW的燃料电池发电机组，而我国在这方面才刚刚起步，2000年才可望研制出2KW左右的试验装置。在PAFC和PEFC技术方面，国内与国外的差距更大。倘若我们现在不开始研究开发燃料电池发电技术，等到燃料电池完全成熟后再引进，不但会受制于人，还将付出更大的经济代价，更谈不上尽快形成燃料电池发电的产业化。若不能形成燃料电池的产业化并在电力系统广泛应用，那么，也谈不上提高发电效率和降低污染物的排放。只有从现在开始，在国外的基础上，高起点研究，经过10-20年的努力，有可能在国电公司形成燃料电池的产业和广泛的商业应用。

2．8在我国电力系统发展燃料电池发电技术是市场经济条件下的迫切要求

分散式电源作为大电网的有效补充己得到许多国家的重视，而电源提供者的多元化更是一种趋势。我国电网的容量大、技术水平和可靠性还较低、抵御各种灾害的能力较差，在这种情况下，小型高效的燃料电池分布式电源随着技术的商业化市场潜力巨大。

倘若电力系统不及时进行研究开发，在未来几年内，有可能被国外企业和国内其它其它行业或民营企业占领燃料电池分散电源市场。在市场经济条件下，国电公司既是用户，又是开发者。对于燃料电池这样重要的发电高新技术，应不失时机地着手研究开发，联合国内一些基础研究单位，争取纳入国家的攻关计划，获得国家支持，在尽可能短的时间内，形成燃料电池发电技术研究开发的优势，开发燃料电池发电关键技术和成套技术，形成国电公司的高新技术产业，既可优化调整电力结构，又能满足市场的不同需求。

3国外燃料电池发展计划及商业化的预测

研究美、日、欧洲等国家和地区燃料电池的发展进程及商业化的预测，对我们制定燃料电池的发展战略和预测应用前景会有一定的参考价值。

3．1美国燃料电池发电技术研究开发状况

(1)美国燃料电池发电技术的研究开发计划

1997年，美国总统克林顿颁发了"改善气候行动计划”，燃料电池被确定为一项关键技术，联邦政府为此制定了一项“美国联邦燃料电池发展计划”，目的是通过燃料电池的商业化来减少温室气体排放量。在这项计划中，对每一个燃料电池的新用户资助l000／KW的优惠。结果，仅在1998年，就有42台200kwPAFC发电机组投入运行。

美国政府鼓励在一些对环境敏感的地区建立燃料电池发电站。此外，政府已促使美国所有的军事基地安装200KW燃料电池发电机组。通过这些措施，加速燃料电池的商业化，并提高国家能源的安全性。美国政府投入巨资研究开发燃料电池发电技术的另一个目的，就是要保持美国在这一领域的领先地位。随着商业化过程不断深入，将逐步形成新的高技术产业，为美国的经济注入新的活力，提供更多的就业机会。

美国DOE的燃料电池发展计划如下：

PAFC己商业化，不再投入资金进行研究开发。PAFC目前的发电效率为40％一45%(LHV)，热电联产的热效率为80％(LHV)。

已完成250KW和2MWMCFC的现场示范，预计2002年进行20MW的示范；2003年左右，使250KW和MW级MCFC达到商业化；2010年，燃用天然气的250KW一20MWMCFC分散电源达到商业化，100MW以上MCFC的中心电站也进入商业化;2020年，100MW以上燃煤MCFC中心发电站进入商业化。MCFC技术目标是运行温度为650℃，发电效率达到60％(LHV)，组成联合循环的发电效率为70%(LHV)，热电联产的热效率达到85%(LHV)以上。

目前，己完成25kw和100kwSOFC现场试验，正在进行SOFC的商业化设计。预计2002年左右，进行MW级SOFC示范；2003年左右，100kw一1MWSOFC进行商业化：2010年，250kw一20MW燃用天然气的SOFC以分布式电源形式进入商业化，100MW以上燃用天然气的SOFC以中心电站形式进入商业化；2020年，100W及以上容量的燃煤S0FC以中心电站的形式进入商业化。SOFC技术目标是：运行温度为1000℃，发电效率达到62％(LHV)，组成联合循环的发电效率达到72％(LHV)，热电联产的热效率达到85%(LHV)以上，燃煤时发电效率可达到65％(LHV)，这一目标预计2010完成。

美国是最早研究开发PEFC的国家，但在大容量化和商业应用方面已落后于加拿大。目前美国生产的质子交换膜仍居世界领先水平。美国在PEFC的开发方面是面向家庭用分散式电源，实现热电联供。PlugPower公司与GE合作，计划2001年使10kwPEFC进入商业化，价格达到S750-1000／kw，大批量生产后，使PEFC的价格达到$350／kw。

(2)市场预测

美国能源部(DOE)对美国潜在的燃料电池市场的预测认为：在2005年一2010年，美国年需求燃料电池发电容量约2335MW一4075MW。现在美国的燃料电池年生产能力为60MW，商业化的价格为$2000一$3000／kw，若年生产能力达到100MW／a，商业化的价格则可达到$l000-$1500/Kw。若能达到(2000-4000)MW／a的生产能力，燃料电池的原材料费仅$200一$300／kw。那么燃料电池的价格则有可能达到$900-$l100／kw，此时可完全与常规的发电方式竞争。

3．2日本燃料电池发电技术的发展进程及应用前景预测

(1)发展进程

日本在PAFC研究方面，走的是一条引进合作、消化吸收、再提高的路线。1972年东京煤气公司从美国引进两台PAFC燃料电池发电机组，大阪煤气公司也在1973年引进两台PAFC机组。日本政府于1981年设立了以开发节能技术为宗旨的“月光计划”，燃料电池发电是其中一项重要内容。此后，日本国内的电力公司、煤气公司和一些大型的制造厂纷纷投入燃料电池的研究开发，并与美国IFC合作，使日本的PAFC得到更大的发展。目前，日本的PAFC技术已赶上了美国，商业化程度超过了美国。5MW(富士电机制造)和11MW(东芝与IFC合制)均在日本投运，日本公司制造的PAFC机组已运行了近100多台。

日本有关MCFC的研究是从1981年开始的，通过自主开发并与美国合作。1987年10kwMCFC开发成功，1993年100kw加压型MCFC开发成功，1997年开发出1MW先导型MCFC发电厂，并投入运行。MCFC已被列为日本“新阳光计划”的一个重点，目标是2000年一2010年，实现燃用天然气的10MW一50MW分布式MCFC发电机组的商业化，并进行100MW以上燃用天然气的MCFC联合循环发电机组的示范，2010年后，实现煤气化MCFC联合循环发电，并逐步替代常规火电厂。

日本的SOFC技术也是从1981年的“月光计划”开始研究的，立足于自主开发。1989年一1991年，开发出l00W一400WSOFC电池堆，1992年一1997年开发出l0kw平板型SOFC。SOFC的研究进展也远远落后于NEDO原来的计划。“新阳光计划”中预计2000年一2010年，使SOFC达到MW级，并形成联合循环发电。日本的PEFC也被列入“新阳光计划”，目前开发的容量为(1-2)kw。

(2)政府采取的措施

日本政府在“月光计划”和“新阳光计划”中，先后资助了3台200kw、2台lMW和l台5MW的PAFC；1台100kw和1台1MW的MCFC示范电站研究开发、建设及运行。

在通产省和NEDO的统一组织和管理下，使公用事业单位(电力公司和煤气公司)和开发商及研究单位紧密结合，实现燃料电池研究开发和商业示范应用一体化。日本电力公司和煤气公司，过去十年来安装了约80多台燃料电池机组，装机容量达到20.1MW，燃料电池及电厂的费用主要由业主承担，但是制造商和政府也各承担一部分。这种政府和企业联合研究开发的方式促进了日本燃料电池的发展。使用燃料电池发电享有许多优惠政策：燃料电池的相关设备，在未超过一定规模时，其工程计划仅须申报即可动工。对500kw以下的常压燃料电池生产与使用的审批手续大大简化。在医院、旅馆、办公大楼等安装的燃料电池发电机组，政府提供的经费资助。新建的燃料电池发电设备享有10%的免税额，并获有30％的加速折旧。对装设于电力公司或自备发电用的燃料电池项目，日本开发银行将提供投资额40％的低息贷款。

(3)市场预测

1990年，日本通产省发表了“长期电源供需展望”报告，预计日本国内的燃料电池发电容量到2000年约2250MW；2010年约10720MW，电力系统用5500MW，其中约有2400MW是MCFC和SOFC高温型燃料电池；2010年煤气化MCFC和SOFC达到实用化；发电效率达到50％一60％。由于燃料电池发电技术仍有许多技术上的难题没有突破，进展速度低于预期值，因此日本目前已将原目标做了修正，预计2000年燃料电池装机容量将达到200MW，其中分布式电源l12MW，工业用热电联产型为88MW；2010年将达到2200MW，其中分布式电源型为735MW，工业用热电联产型为1465MW。

3．3其它国家和地区的发展进程

目前，欧洲的燃料电池发电技术远远落后于美国和日本。80欧洲又重新开始研究燃料电池发电技术。它们采用向美国、日本购买电池组，自行组装发电厂的方式来发展PAFC发电技术。1990年成立了一个“欧洲燃料电池集团(EFCG)”。意大利已完成了一座1MW的PAFC示范工程，由IFC供应，BOP由欧洲制造。意大利、西班牙与美国IPC合作，于1993年在米兰建了一座l00kwMCFC电厂，1996年投运。德国正在开发250kwMCFC。德国西门子公司于1998年收购了美国西屋公司的管形SOFC技术后，现在拥有世界上最先进的平板型和管形SOFC技术。

加拿大在PEFC方面居世界领先地位，在继续开发交通用PEFC的同时，目前也将PEFC应用于固定电站，已建成250kwPEFC示范电站，目标是在近几年内使250kw级PEPC商业化。澳大利亚在1993年一1997年，共投资3000万美元，研究开发平板型SOFC，目前正在开发(20一25)kwSOFC电池堆。韩国电力公司于1993年从日本购进一座200kwPAFC进行示范运行。

3．4国外发展燃料电池发电技术的经验总结

回顾国外燃料电地发展的道路，有许多值得我们吸取和借鉴的经验。下面归纳几点：

美国在燃料电池发电技术的研究开发方面始终处于世界领先地位。除了雄厚的财力之外，还有三方面重要的原因：一是政府将燃料电池发电技术视为提高火力发电效率、减少污染物和温室气体排放的重要措施，列入政府的“改变气侯技术战略”中，并大力投入资金和力量研究开发；二是燃料电池技术提高到“国家能源安全并大力投入资金和力量研究开发；二是将燃料电池技术提高到“国家能源安全关键技术”的战略高度，DOD和DOE均投入资金研究开发；三是对燃料电池的应用前景充满信心，希望能形成新的高技术产业，给美国的经济注入新的活力，政府和企业共同投入资金研究开发，力图保持领先地位。

日本走的是一条通过与美国合作、引进技术并消化吸收实现产业化的路线，并在PAFC的商业化方面己超过了美国，在MCFC的研究开发方面也接近美国。成功的重要经验也是政府对燃料电池给予高度重视，先后列入了“月光计划”和“新阳光计划”，大力投入研究开发。另一条经验是研究机构、企业和用户联合，组成从研究、开发到商业应用一体化集团，既承担研究开发的风险，也享受成功的优惠。

加拿大Ballard公司在PEFC方面成功的经验告诉我们：只要坚定不移地进行研究开发，一个小公司也能在10-20年内成为举世瞩目的燃料电池技术拥有者。

燃料电池起源于欧洲，但是，现在欧洲的燃料电池技术已远远落后于美国和日本。主要原因是政府和企业对燃料电池发电技术重视不够。目前，欧洲已经意识到这一点，成立了-个燃料电池发电技术集团，引进美国、日本的技术，并进行研究开发。

4各种燃料电池发电技术综合比较

(1)AFC：与其它燃料电池相比，AFC功率密度和比功率较高，性能可靠。但它要以纯氢做燃料，纯氧做氧化剂，必须使用Pt、Au、Ag等贵金属做催化剂，价格昂贵。电解质的腐蚀严重，寿命较短，这些特点决定了AFC仅限于航天或军事应用，不适合于民用。

(2)PAFC：以磷酸做为电解质，可容许燃料气和空气中C02的存在。这使得PAFC成为最早在地面上应用或民用的燃料电池。与AFC相比它可以在180℃一210℃运行，燃料气和空气的处理系统大大简化，加压运行时，可组成热电联产。但是，PAFC的发电效率目前仅能达到40％一45％(LHV)，它需要贵金属铂做电催化剂；燃料必须外重整：而且，燃料气中C0的浓度必须小于1％(175℃)一2%(200℃)，否则会使催化剂中毒；酸性电解液的腐蚀作用，使PAFC的寿命难以超过40000小时。PAFC目前的技术已成熟，产品也进入商业化，做为特殊用户的分散式电源、现场可移动电源和备用电源，PAFC还有市场，但用作大容量集中发电站比较困难。

(3)MCFC：在650℃一700℃运行，可采用镍做电催化剂，而不必使用贵重金属：燃料可实现内重整，使发电效率提高，系统简化；CO可直接用作燃料；余热的温度较高，可组成燃气／蒸汽联合循环，使发电容量和发电效率进一步提高。与SOFC相比，MCFC的优点是：操作温度较低，可使用价格较低的金属材料，电极、隔膜、双极板的制造工艺简单，密封和组装的技术难度相对较小，大容量化容易，造价较低。缺点是：必须配置C02循环系统；要求燃料气中H2S和CO小于0.5PPM；熔融碳酸盐具有腐蚀性，而且易挥发；与SOFC相比，寿命较短；组成联合循环发电的效率比SOFC低。与低温燃料电池相比，MCFC的缺点是启动时间较长，不适合作备用电源。MCFC己接近商业化，示范电站的规模已达到2MW。从MCFC的技术特点和发展趋势看，MCFC是将来民用发电(分散电源和中心电站)的理想选择之一。

(4)SOFC：电解质是固体，可以被做成管形、板形或整体形。与液体电解质的燃料电池(AFC、PAFC和MCFC)相比，SOFC避免了电解质蒸发和电池材料的腐蚀问题，电池的寿命较长(已达到70000小时)。CO可做为燃料，使燃料电池以煤气为燃料成为可能。SOFC的运行温度在1000℃左右，燃料可以在电池内进行重整。由于运行温度很高，要解决金属与陶瓷材料之间的密封也很困难。与低温燃料电池相比，SOFC的启动时间较长，不适合作应急电源。与MCFC相比，SOFC组成联合循环的效率更高，寿命更长(可大于40000小时)；但SOFC面临技术难度较大，价格可能比MCFC高。示范业绩证明SOFC是未来化石燃料发电技术的理想选择之一，既可用作中小容量的分布式电源(500kw一50MW)，也可用作大容量的中心电站(＞l00MW)。尤其是加压型SOFC与微型燃气轮结合组成联合循环发电的示范，将使SOFC的优越性进一步得到体现。

(5)PEFC：PEPC的运行温度较低(约80℃)，它的启动时间很短，在几分钟内可达到满负荷。与PAFC相比，电流密度和比功率都较高，发电效率也较高(45％一50%(LHV))，对CO的容许值较高(＜10ppm)。PEFC的余热温度较低，热利用率较低。与PAFC和MCFC等液体电解质燃料电池相比，它具有寿命长，运行可靠的特点。PEFC是理想的可移动电源，是电动汽车、潜艇、航天器等移动工具电源的理想选择之一。目前，在移动电源、特殊用户的分布式电源和家庭用电源方面有一定的市场，不适合做大容量中心电站。

5结论

选择适合于我国电力系统发展的燃料电池发电技术，应综合考虑以下几点：较高的发电效率；环保性能好；既能作为高效、清洁的分布电源，又具有形成大容量的联合循环中心发电站的发展潜力；既能以天然气为燃料，又具有以煤为燃料的可能性；技术的先进性及商业化进程；运行的可靠性和寿命；降低造价的潜力；国内的基础。综合考虑以上几点，对适合于我国电力系统发展的燃料电池发电技术，提出以下几点选择意见：

（1）优先发展高温燃料电池发电技术。即选择MCFC和SOFC为我国电力系统燃料电池发电技术的主要发展方向，这两种燃料电池既能以天然气为燃料作为高效清洁的分布电源，又具有形成大容量的联合循环中心发电站（以天然气或煤为燃料）的发展潜力。

（2）MCFC和SOFC各有特点，都存在许多问题，尚未商业化。若考虑技术难度和成熟程度以及商业化的进程，对于MCFC，应走引进、消化吸收、研究创新，实现国产化的技术路线，并尽快投入商业应用：对于SOFC，应立足于自主开发，走创新和跨越式发展的技术发展路线。

(3)随着氢能技术的发展，PEFC在移动电源、分散电源、应急电源、家庭电源等方面具有一定优势和的市场潜力，国家电力公司应密切跟踪研究。

(4)AFC不适合于民用发电。PAFC技术目前已趋于成熟，与MCFC、SOFC和PEFC比较，已相对落后。因此，AFC和PAFC不应做为国家电力公司研究开发的方向。

第6篇：燃料电池技术论文范文

【关键词】 新能源汽车；混合动力汽车；纯电动汽车；燃料电池汽车

【中图分类号】G642.16 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2013）32-00-02

1 引言

2013年上半年，各种自然灾害不断侵袭我们，地震、雾霾、高温接踵而至，人们为此而深切地体会到了恶劣自然环境给我们带来的影响，同时相应的环保观念也得到了加强。在这样的形势下，新能源产业发展迅速，因此也吸引了人们的目光，人们之所以寄厚望于新能源产业有一定的原因。人们普遍认为大气污染的元凶来自于汽油燃烧，而使用汽油最多的莫过于汽车了，也就是说人们认为汽车在大气污染中起到很关键的作用，如果能替换掉汽车，那么污染就会有所减轻，而这正是新能源产业所要做的事。新能源汽车与普遍汽车不一样之处就在于它不使用汽油，因此不会有什么污染，它是一个极好的汽油汽车替代品。

2 新能源汽车类别及特点

新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源（或使用常规的车用燃料，但采用新型车载动力装置），综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。新能源汽车包括有：混合动力汽车（HEV）、纯电动汽车（BEV）、燃料电池汽车（FCEV）、氢发动机汽车以及燃气汽车、醇醚汽车等等[1]。

2.1混合动力汽车

混合动力是指那些采用传统燃料的，同时配以电动机/发动机来改善低速动力输出和燃油消耗的车型。

优点：1、采用混合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率，此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。2、因为有了电池，可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。3、在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现“零”排放。4、有了内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。5、可以利用现有的加油站加油，不必再投资。6、可让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放，延长其使用寿命，降低成本。

缺点：长距离高速行驶基本不能省油。

2.2纯电动汽车

电动汽车大部分车辆直接采用电机驱动，一类车辆把电动机装在发动机舱内，另一类直接以车轮作为四台电动机的转子，其难点在于电力储存技术。

优点：技术相对简单成熟，只要有电力供应的地方都能够充电。

缺点：目前蓄电池单位重量储存的能量太少，还因电动车的电池较贵，又没形成经济规模，故购买价格较贵。

2.3燃料电池汽车

燃料电池汽车是指以氢气、甲醇等为燃料，通过化学反应产生电流，依靠电机驱动的汽车。其电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用，而不是经过燃烧，直接变成电能或的。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物，因此燃料电池车辆是无污染汽车，燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2～3倍，因此从能源的利用和环境保护方面，燃料电池汽车是一种理想的车辆。

与传统汽车相比，燃料电池汽车具有以下优点：

1、零排放或近似零排放。2、减少了机油泄露带来的水污染。3、降低了温室气体的排放。4、提高了燃油经济性。5、提高了发动机燃烧效率。6、运行平稳、无噪声。

2.4氢动力汽车

氢动力汽车是一种真正实现零排放的交通工具，排放出的是纯净水，其具有无污染，零排放，储量丰富等优势，因此，氢动力汽车是传统汽车最理想的替代方案。与传统动力汽车相比，氢动力汽车成本至少高出20%。中国长安汽车在2007年完成了中国第一台高效零排放氢内燃机点火，并在2008年北京车展上展出了自主研发的中国首款氢动力概念跑车“氢程”。

优点：排放物是纯水，行驶时不产生任何污染物。

缺点：氢燃料电池成本过高，而且氢燃料的存储和运输按照目前的技术条件来说非常困难，因为氢分子非常小，极易透过储藏装置的外壳逃逸。另外最致命的问题，氢气的提取需要通过电解水或者利用天然气，如此一来同样需要消耗大量能源，除非使用核电来提取，否则无法从根本上降低二氧化碳排放。

2.5燃气汽车

燃气汽车是指用压缩天然气（CNG）、液化石油气（LPG）和液化天然气（LNG）作为燃料的汽车。近年来，世界上各国政府都积极寻求解决这一难题，开始纷纷调整汽车燃料结构。燃气汽车由于其排放性能好，可调整汽车燃料结构，运行成本低、技术成熟、安全可靠，所以被世界各国公认为当前最理想的替代燃料汽车。

2.6生物乙醇汽车

乙醇俗称酒精，通俗些说，使用乙醇为燃料的汽车，也可叫酒精汽车。用乙醇代替石油燃料的活动历史已经很长，无论是从生产上和应用上的技术都已经很成熟，近来由于石油资源紧张，汽车能源多元化趋向加剧，乙醇汽车又提到议事日程。

3 国内外新能源汽车发展

3.1国外规划及优惠政策

国家战略方面。美国2012年启动电动汽车国家创新计划《EVEverywhere》，通过提高对高性能锂离子电池材料、插电式车辆技术、轻量化技术等关键技术的支持，实现5年收回车辆附加成本的目标。德国2012年《国家电动汽车平台计划第3次评估报告》，进一步要求建立以用户为中心，基础设施技术、动力系统技术、先进制造技术等关键技术全方位的研发体系，实现到2020年成为世界电动汽车领先国。日本2010年《下一代汽车计划》，重点支持先进锂离子动力电池研发，计划比能量提高150%。[1]

产业化发展方面。混合动力汽车已经进入了市场竞争阶段。美国是目前全球最大的电动汽车市场，2012年美国电动汽车的年销售量已经突破45万辆，占整个乘用车市场的3%。日本丰田公司生产的普锐斯系列车型占到了总销售量的一半。插电式、纯电动汽车电池技术进步加速，产业化发展加速。插电式混合动力汽车在2012年成为了市场的新焦点。2012年美国市场仅三款插电式混合动力汽车即实现了全年3万辆的销售，比2011年的7千辆增长了3倍。美国通用公司的沃蓝达销售量达到了2万辆，占到了插电式车辆销售量的一半。纯电动汽车市场销量保持稳定。2011年和2012年在全美的销售量均保持在1万辆左右。日本日产公司的聆风电动车销量占其中的大约80%。燃料电池汽车研发稳步推进，继续占据电动汽车技术制高点。燃料电池汽车寿命已经超过商业化预期，燃料电池汽车主要指标已与传统内燃机汽车接近。燃料电池整车成本显著下降。与其他电动汽车相比，燃料电池汽车具有续驶里程长、动力性能高等优点。

3.2国内政策及成果

我国新能源汽车产业始于21世纪初。2001年我国启动了"863"计划电动汽车重大专项，涉及的电动汽车包括3类：纯电动、混合动力和燃料电池汽车，并以这3类电动汽车为"三纵"，又把多能源动力总成控制、驱动电机、动力蓄电池为"三横"，建立"三纵三横"的开局。[2]

2009年，科学技术部和财政部共同启动了"十城千辆"电动汽车示范应用工程和百辆混合动力公交车投放，决定在3年内，每年发展10个城市，每个城市在公交、出租、公务、市政、邮政等领域推出1000辆新能源汽车开展示范运行。

2011年，十一届全国人大四次会议和中国政协十一届四次会议对新能源汽车的发展重点进行了细化。分为两个阶段：到2015年，动力电池、电机、电控等关键零部件核心技术实现自主化。纯电动汽车和插电式混合动力汽车市场保有量达到50万辆以上；到2020年，新能源汽车实现产业化。

3.3国外新能源汽车技术现状

新能源汽车技术研发也不断推进。目前，车载锂离子动力电池领域投资日益活跃，各项电池材料资源得到鼓励研发，车载驱动电机呈现高效率、小型化与低成本发展态势，增程发动机技术研发备受关注；电动汽车动力总成电子需求不断增长，微控制、汽车电子诊断、充电管理系统等技术研发积极推进。同时，新能源汽车领域的标准化工作步伐不断加快。在电动汽车标准化方面，国际电工标准委员会（IEC）、国际标准化组织（ISO）、国际汽车工程师学会（SAE）积极进行插电式混合动力汽车及其与充电设施连接的标准化工作；在车载充电电池标准化方面，德国较早就开始设计与提交车用锂电池规格方案，日本汽车研究所和日本电动汽车快速充电协会积极进行电池相关性能测试标准化工作与快速充电装置规格的统一和普及，中国提出了关于镍氢电池、锂离子电池、铅酸电池和超级电容器的4个国家强制性行业标准等。[3]

3.4国内新能源汽车技术现状

中国作为全球第一大汽车市场，目前正迎来前所未有的机遇，也正面临史无前例的挑战。

3.4.1中国电动车行业的发展定位有待明确

电动汽车目前正为中国汽车行业带来更多助力，但是在发展过程中未免有些急切。在技术路线的设定上难以找到侧重点，而且又因为市场需求的千奇百怪，使得技术发展难免有些摸不着头脑。不仅如此，中国电动汽车整体的发展路线也是一个难以确定的问题。电动汽车行业发展到如今，经历了技术吸收到自主开发的过程，是该遵循传统汽车行业的发展路线，还是该另辟道路，目前尚未有一个明确的论断。

3.4.2电动汽车产业化进入瓶颈期

电动汽车所运用的技术跟传统汽车是有非常大的差别的，并且我国在这方面起步较晚，所以跟外国相比，技术差距也不是一星半点儿。在投资高新产业方面，也是有些踯躅不前。因为电动车产业化的前景不够明确，使得很多投资商不敢贸然涉水，多数只是尝试性地进行小额投资，难以形成规模。

3.4.3配套设备不够齐全

电动汽车行业如果想要形成规模，就面临着一个不容忽视的问题，就是能源供应。就像传统汽车行业有加油站遍布世界各地，电动汽车的充电设备目前为止尚没有大批量安置。这就使得本应跟电动汽车互补的配套设备，反而同电动汽车形成了一种恶性循环：电动汽车行业的急迫发展需求和配套设备建设缓慢的现状互成制约。

3.4.4成本高同市场化之间的矛盾

电动汽车作为一种商品，其市场需求就必然跟价格息息相关。但是现而今由于技术、材料、能源等方面的有限性使得电动汽车的成本始终难以有突破性的降低。虽然电动汽车的绿色环保很令人眼馋，但是目前看来相对于价格更加低廉的传统汽车，这种新型汽车依然是“旧时王谢堂前燕”，难以在短时间内“飞入寻常百姓家”。[4]

4 新能源汽车发展趋势

新能源产业一直以来的发展都是磕磕碰碰，形势平平淡淡，一方面这种产业没有先前经验作为参考，人们不知道应该如何下手，另一方面因为研发投入巨大所以产品价格偏高人们普遍买不起，因此这个产业一直都在不愠不火的环境下艰难生存和发展。现在新能源产业的境地开始发生新的变化，说它开始迎开自己的春天不为过，这里面的原因也很多，经过一段时间的技术积累，研发企业已经找到了门路，在市场上销量了一段时间以后，知名度已经打开，节能环保的观点开始深入人心，各种更新更好的产品开始为人们所服务，所以说现在是这个产业开始进入前期投入回吐报酬的阶段。新能源产业的发展另一个因素也不能忽略，那就是人们的关注与社会的支持：由于自然灾害频发舆论更加关注环保，各种雾霾天气的出现，各种地震与高温的异常自然现象都让人们不得不关心自然环境的变化，也不得不开始在日常生活中注重节能环保；同时由于产业结构升级政府也投入巨资扶持这个产业，现在购买新能源汽车所得到的政府补贴之巨是任何其他产业的产品能比得上的。

不论是从产业自身境况来说，还是外部客观需要来说，新能源形势都已经开始由阴转晴，开始呈现出一片生机勃勃。

5 结语

新能源汽车从起步到现在也不过就是几年的光景，但是现在已经发展得像模像样了，但是我们认为现在还是有必要及早明确它的发展方向，定好目标以后才好设定相应的计划，才能把坚实的基础打下去。

参考文献

[1]潘建亮.中国新能源汽车发展的方向[J].汽车工业研究，2010（3）.

[2]林琳.我国新能源汽车发展的现状、瓶颈及对策分析[J].管理科学，2010，19（4）：102-102.

第7篇：燃料电池技术论文范文

关键词：新能源 汽车技术 技术原理 优缺点

中图分类号：U469 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）09（c）-0060-02

新能源汽车主要是相对于那些使用常规能源燃料作为主要动力来源的传统内燃机汽车而言的，新能源汽车积极使用了先进的驱动技术和车辆动力控制技术。积极发展新能源汽车，能够对能源消耗问题进行有效的控制，促进节能环保工作的顺利进行，促进现阶段低碳经济的良好发展。当前社会中新能源汽车主要能够分为燃料电池汽车（FCEV）、混合动力汽车（HEV）以及纯电动汽车（EV）3种。对新能源汽车的技术原理进行全面有效的分析和探讨，这样能够促进新能源汽车的良好发展。

1 新能源汽车的技术原理

新能源汽车技术在实际使用的过程中，由于不同种类的新能源汽车，所具体使用的技术原理也是有着一定差别的，需要从新能源汽车的具体情况出发进行分析，下面以混合动力汽车（HEV）、纯电动汽车（EV）和燃料电池汽车（FCEV）为例进行探讨。

1.1 纯电动汽车（EV）的技术原理

纯电动汽车（EV）主要使用的是电力驱动的方式，有的汽车将电动机安装在发动机的舱内，有的汽车直接使用电机驱动，还有的将车轮当做是电动机的转子进行运行，这其中的技术难点在于电力储存技术。纯电动汽车（EV）不会排放出一些污染大气的危害气体，并且由于发电厂一般建立在距离居住人群较远的地方，这样对人类产生的实际伤害就比较小。纯电动汽车（EV）在使用电力能源的过程中，可以充分利用晚间的用电低谷时期开展充电工作，这样能够使得纯电动汽车（EV）自身的发电设备在白天保持良好的运转效果。此外，纯电动汽车（EV）是通过消耗电力能源进行驱樱可减少能源消耗，降低其驱动过程中所产生的二氧化碳。

1.2 混合动力汽车（HEV）的技术原理

混合动力汽车（HEV）是当前新能源汽车技术的重要产物之一，对于降低能耗、促进社会经济发展具有积极作用和意义。混合动力汽车（HEV）主要使用的传统燃料，并将电动机或者发动机作为有效的辅助设备，有效改善低速动力输出和燃油的消耗。混合动力汽车（HEV）的技术原理分为以下3种：第一，串联式混合动力汽车。这种汽车需要依靠电池进行电量的调节工作，电池能够对电动机的输入功率和发电机的输出功率进行有效的平衡，从而有效实现对车辆动力控制系统的控制和管理工作[1]。第二，并联式混合动力汽车。这种汽车类型具有两种驱动类型，分别是电动机和发动机，两者能够通过动力耦合装置单独驱动车辆行驶，或者通过汽车本身的动力控制系统开展相应的协调工作。并联式混合动力汽车在驱动车辆行车的过程中，所必须消耗的能量之外能够在电机的作用下存储在电池内，这样能够有效保证汽车的良好运行。第三，混联式混合动力汽车，这种汽车将串联式和并联式两种汽车类型的结构特点进行有效的综合，根据车辆行车的具体情况能及时调整自身的工作状态[2]。

1.3 燃料电池汽车（FCEV）的技术原理

燃料电池汽车（FCEV）的动力来源主要是燃料电池本身的氢能和大气中的氧发生化学作用而产生一定的化学能量。在燃料电池汽车（FCEV）的动力系统中，能够发现其主要是依靠动力蓄电池、电机和燃料箱以及燃料电池发动机组成的，这样才能够有效促进车辆的前进。燃料电池汽车（FCEV）在当前社会的应用也较为广泛，能够充分利用清洁能源，从而促进低碳经济的良好发展[3]。

2 新能源汽车的优缺点

新能源汽车在发展的过程中，具有较为明显的优势，同时还表现出一定的缺点，以混合动力汽车（HEV）、纯电动汽车（EV）和燃料电池汽车（FCEV）为例，对新能源汽车的优缺点进行全面有效的分析和探讨，能够有助于不断改进新能源汽车的缺点，提升新能源汽车的优势。

2.1 混合动力汽车（HEV）的优缺点

混合动力汽车（HEV）在实际使用的过程中，具有的明显优势主要是：（1）混合动力能按照平常需要的功率进行确定，这样汽车的运行状态是污染较少并且油耗较低。（2）混合动力汽车（HEV）中的电池能够反复进行充电，这样能够保证混合动力汽车的良好运行；（3）内燃机能够对空调、取暖等纯电动汽车的常见问题进行有效的解决。（4）电池能保持在较为良好的工作状态中。混合动力汽车（HEV）的缺点主要是在长距离的高速行驶中不能够实现省油的目标[4]。

2.2 纯电动汽车（EV）的优缺点

纯电动汽车（EV）在实际使用过程中具有的优势主要是：（1）纯电动汽车（EV）使用的技术原理较为成熟，在制造的过程中能够有效克服纯电动汽车中的一些能源问题，促进纯电动汽车获得良好的发展。（2）纯电动汽车（EV）的使用十分简便。纯电动汽车（EV）只使用电力能源，因而只要在有电的地方就能够有效发挥纯电动汽车（EV）的作用，不会担心无法运行的状态出现。同时不容忽视的还有纯电动汽车（EV）的缺点：纯电动汽车（EV）在当前的使用中，蓄电池本身单位重量能存储的能量还较少，并且电动车本身使用的电池成本较高，没有形成稳定的经济规模，这样就会给纯电动汽车（EV）使用者造成一定的经济负担，同时纯电动汽车（EV）本身的购买价格较高，同等情况下的性价比不如其他类型的新能源汽车。

2.3 燃料电池汽车（FCEV）

燃料电池汽车（FCEV）的优点主要表现在以下几个方面：（1）接近于零排放的状态或者直接能够达到零排放的标准。（2）对于机油泄露产生的水污染问题进行有效的缓解。（3）能够有效降低温室气体的排放情况。（4）对于发动机的燃烧效率进行有效的提升。（5）燃料电池汽车（FCEV）在实际运行的过程中较为平稳，且没有多余噪声。燃料电池汽车（FCEV）主要是技术难度较高、成本较高。

3 结语

新能源汽车是当前社会中的重要汽车类型，对于便利人们生活、节能环保起到良好作用。混合动力汽车（HEV）、纯电动汽车（EV）和燃料电池汽车（FCEV）是当前新能源汽车的主要类型，对这些汽车的技术原理和优缺点进行全面有效的分析，能够为促进新能源汽车的良好发展起到一定理论支持。

参考文献

[1] 黄志峰.新能源汽车技术原理及相关技术[J].电力与能源，2014（4）：505-508.

[2] 汪俊，陈金华.新能源汽车后面碰撞试验技术研究[J]. 新技术新工艺，2013（4）：27-30.

第8篇：燃料电池技术论文范文

要完成2020年全国单位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%-45%,这是一个很艰巨的任务,需要统筹部署、从多方面入手,例如狠抓节约能源,提高能源利用率,多种树和草、扩大碳汇、调整能源结构、提升低碳能源份额等。

减碳先锋

从技术层面讲实现低碳能源,一个很重要的工作是改变我国能源结构,扩大可再生能源、核能和氢能的份额。2009年底的哥本哈根会议之后,我国进入了绿色经济、节能减排的新阶段,氢能的发展和利用将对实现中国减碳40%-45%的目标有实质性的帮助。表现在如下三个方面:一是氢直接代替石油,用于交通燃料;二是在高碳化石燃料煤的利用中,未来将采用二氧化碳捕集及贮存技术(即CCS技术),此时,氢气是煤气化的主要产品,实际上是将煤制氢、同时捕集二氧化碳,再利用氢的能量;三是氢在可再生能源利用中起提高能源质量的作用。

2007年我国消费能源26.5亿吨标煤,其中交通运输行业用2.06亿吨标准煤。占我国能源消耗的7.7%。未来的氢能完全可以取代交通运输和化学工业用石油。这样从宏观看相当于减排CO2达8%以上。

发电是煤的主要用途,2007我国发电用煤为13.05亿标吨,占全年煤炭消耗的50%以上。根据化石燃料低碳利用新技术,未来将采用的CCS技术的关键是将煤先气化为富氢燃料气体,然后捕集二氧化碳并采用高效IGCC技术发电,其中,氢起关键作用。

新华社2008年5月24日报道,根据我国能源发展规划,2010年,我国可再生能源将占到全部一次能源的10%,2020年,可再生能源占有率将达到15%。但是可再生能源的不稳定性,使得太阳能、特别是风能很难利用。目前很大一部分风能发的电不能上网,白白浪费。现在正在研究中的可再生能源发电(不稳定的低品质的电)――电解水制氢(此时,氢起储能作用)――燃料电池高效发电(高质量、高品质的电),将使可再生能源切实为国民经济服务,而不像现在,示范成分多,实际效果小。

最佳燃料

汽车是人类文明生活的重要组成部分,富裕起来的中国人民自然渴望并实现拥有自己的汽车的权利。我很赞成中国民众的正当要求,不赞成一些人发表的所谓中国人要达到美国人的生活水平,需要几个地球的资源。当然,那么多汽车的燃料是很大的问题,但不是不可解决的问题。到那时,各种汽柴油替代燃料完全可以开动我们的汽车。这些替代燃料有电、生物燃料、甲醇、乙醇、天然气、氢气等。考虑到替代燃料的普适性,目前,最现实的替代燃料是天然气、氢。氢作为无碳能源,在使用中不排放CO2温室气体,满足环境友好的要求。同时,氢来自于水,氢使用后又生成水的循环性使得氢成为汽车的最理想的燃料。

氢能汽车分为氢燃料电池车和氢内燃机汽车。前者的效率应是后者的两倍以上,是汽车发展的终极解决方案。氢内燃机车是目前汽柴油内燃机汽车转向氢燃料电池汽车的过渡方案。

氢燃料电池车用氢气代替汽柴油开动现有的内燃机汽车,由于其价格便宜,有现有的汽车工业基础支持,将会迅速占领汽车市场。氢燃料电池车是用一种叫做“燃料电池”的发电设备代替现有的内燃机,使用氢气作原料,不排放CO2,不排放碳氢化合物、氮氧化物以及微米尺寸的微粒,只排放水汽,是地道的“零排放”汽车。目前的氢燃料电池车在最高车速、续驶里程、加注时间等方面都已经达到或超过现有汽油车的指标,加之氢燃料的环保性,氢燃料来源的多样性与可靠性,氢燃料电池汽车已经成为人们追求的终极的新能源汽车,是汽车史上的第二次革命。目前,全世界大约有二百多辆氢燃料电池的车正在示范。我国在2008年北京奥运会示范23辆氢燃料电池车,这些国产的氢燃料电池车成功地完成了奥运会的任务。今年6月开幕的上海世博会,将有近200台不同大小的燃料电池车为观众服务,其中绝大部分为国产氢燃料电池车。

燃料电池汽车的主要问题是自身性能还需要进一步提高,燃料电池的工作寿命应该提高一倍。燃料电池车应用的主要障碍是氢能加注站的建设严重滞后。在现阶段,氢能汽车开始阶段,加氢站建设商无利可图,不愿意建站,而没有加氢站则大大限制人们购买氢能车的欲望。为此,2009年9月,世界最著名汽车厂商,丰田、通用、德国奔驰、大众、本田、现代等的总管们,共同签署一封给能源公司的公开信。信中指出到2015年全世界将生产10万台氢燃料电池汽车,呼吁能源公司加速建加氢站。根据作者对燃料电池的了解,到2015年,燃料电池的寿命将不是问题。到那时,一辆行驶30-40万公里的汽车报废时,其中的燃料电池还可以工作。不过,本人认为公开信应明确要求各国政府首先拨款在若干大城市先建几个加氢站,这样能源公司更容易跟进。另外,如果2015年氢燃料电池车达到10万台的话,那么,氢内燃机汽车的数量会更多些。

中国政府已经出台氢燃料电池车的补贴政策,对燃料电池大客车和小轿车分别补助60万和25万元人民币,表示政府推动氢燃料电池车的决心。

走进寻常百姓家

除了在交通工具上使用氢能这种清洁能源,在日常生活中,氢能还有更多的用处,例如代替高污染的乙炔切割钢材,代替天然气在医药工业制成更可靠的玻璃瓶封口,代替铅酸蓄电池,制成超长时间可供电几十小时的备用电源等。其中,氢能重要的用处则是氢能分布式电站。分布式供电站是指将发电系统以小规模、分散式的方式布置在用户附近,可独立地输出电、热或冷能的系统。

分布式电站最大的优点是不需远距离输配电设备,输电损失显著减少,并可按需要方便、灵活地利用排气热量实现热电联产或冷热电三联产。常规电站发电效率约为35%,还要减去供电损失4%左右。而燃料电池电站的综合效率可达70%-80%,没有供电损失,提高了能源利用率;另外,直接安置在用户近旁的分布式电站与大电网配合也大大地提高供电可靠性。

氢能是二次能源,地球上没有天然的氢,现在的96%-97%的氢来自煤、天然气等化石能源与水反应来制取,在传统能源日渐减少的情况下,氢能必然用可再生能源来制取。那时,太阳氢风氢会应运而生。因为最终是电解纯水得到氢和氧,所有不会在制取的过程中,对环境造成任何影响。

第9篇：燃料电池技术论文范文

关键零部件技术进步较快 技术创新不足

纯电驱动动力电池技术水平在过去几年得以快速提升。中国锂离子电池从重点项目研发开始，能量逐步提高，普遍超过100kW・h/kg，最高达到130 kW・h/kg。在混合动力用的动力电池方面，“十一五”期间，锂电池性能超过了镍氢电池，一秒钟功率达到2.8千瓦。从动力电池寿命看，单体电池目前寿命水平是2500～3500次之间。另外在安全性方面，我国实施全球最严格单体电池安全性法规，该法规还在不断严格和完善。

在动力电池管理系统技术方面，国内也出现一些成熟的产品，其安全性、耐久性、一致性、以及耦合关系等动力系统性能不断优化。国内强化了电池模块和系统性能的研究，并取得一系列进展。目前中国已经建立起初具规模的动力电池产业，主要分布在珠江三角洲、长江三角洲、北京天津区域这三个积聚区，现在已经达到年产量200亿瓦时。与国外相比，我国的一些锂离子动力电池能量虽有差距，但总体相当。目前国内在电池成熟技术、系统集成方面还相对落后，但如果比较成本寿命，在当前和今后一段时间内，总体上中国锂动力电池生产能力还处于前三名的位置，但是技术创新方面仍然落后。

从未来趋势看，中国电化学体系还处在每公斤100瓦时体系，碳酸铝有所增加、硬碳有所增加。中国现在也在研发每公斤200瓦时系列，已取得一系列进展。在下一代电化学体系每公斤300瓦时高能量方面，我国才刚刚开始技术研究，2020年之前中国电池能量密度达到每公斤 200瓦时，在车上应用值得期待。当然，300瓦时每公斤的电池不确定性比较大。

国内的燃料电池和发动机两大问题取得进展。燃料电池和动力电池在技术上有很多相通之处。燃料电池技术有不少进步，比如升功率在过去的几年持续升高，0.8千瓦/升翻了一倍，而且我国的电极出口到国外大公司。电池寿命也有大幅度提高，2009年，1500小时衰减7%；2011年，3000小时衰减10%，整体寿命稳步提升。希望在2015年达到5000小时衰减10%的指标，该指标基本相当于美国能源部EO指标。在成本方面，2009年大量的基础材料膜、催化剂都是进口，成本约1万元/千瓦时，近几年由于国产材料的研发和进展，2010年成本下降到6000元/千瓦时，力争在2015年达到1000元/千瓦时。

我国的电机在功率密度方面2010年时与国外相比水平相当，特别在效率方面不比国外差，这是因为我们取得一系列关键技术突破。首先是绝缘材料、位置传感器等电机基础器件方面得到很好的应用，由宝钢研制的车用电工钢已形成批量，另外在电机供应模块化方面也取得突破，在车用电机系统技术方面，比如先进的设计理论和方法，包括仿真等，都是为我们的设计提供全方位的高级工具，另外系统集成和匹配技术，还有安全性、可靠性、耐久性、环境适应技术等都取得明显进步。现在我国的车用电机系统已经实现批量出口。出口电机功率密度达到3.2千瓦/升，而且在动力性等方面，最高效率区达到97%。另外在生产技术方面也已经有一系列生产工艺流程、设备通过批量化认证等。

整车技术有所突破 待攻难关仍然不少

在客车方面，中国混合动力大客车经过多年研发已经大规模产业化，并形成主流产品和主流模式。一是在并联式AMT混动方面国内有所突破，提出了基于驾驶员意图的换挡规律，目前已经实现批量生产，成为国内厂家的主导产品。二是不采用AMT并联，它的模式是20公里以下分离串联，20公里以上并联，这种结构省去复杂的变速机构。这个平台系列化，可拓展性非常好。可以非常简便地转变为插电式，并已经得到规模验证。目前可能有很多人比较怀疑国内混合动力汽车的节油率，节油率报得很高， 但用中国的道路测试，实际结果往往低于这个数值，现在一般开始用道路实际节油率，该系统节油率在30%左右已经得到公交公司完全认可，表明我们混动已经成为可以市场化、商业化规模性生产的主流产品。

国内的纯电动客车还处于不同模式示范考核的小规模商业化阶段，现在的纯电动客车方面有换电式，比如北京，有充电式，比如比亚迪就是采用常规充电式。还有新近出现的快充式，充电时间约6～8分钟完成，另外还有增程式，四种模式目前都有一定的规模，预计将会在今后几年最终形成主导模式和主流技术，目前还不能完全下定论。

最新出现的快充式，寿命达到2500次左右，每天充六次电，总体性价比尚可。碳酸铝电池是目前行业比较关注的电池，燃料电池汽车国内也是采用混合动力形式（串联式混合动力）。燃料电池客车已经进入示范考核阶段，比如2008年的北京奥运会示范、出口到新加坡参加示范等。

轿车方面首先突破中混平台技术，实现中混轿车推广，以奇瑞和长安为代表的企业经过长期的努力达到这种状态。在技术突破方面，深混还是行业最关注的焦点，国内有一汽带AMT深混的车型取得阶段性进展，近期奇瑞公司推出的混合动力系统可以实现混联功能。这种深混回避了国外专利，同时适合中国国情，是非常有希望的深混系统。插电式混合动力，比如比亚迪，现在正在升级换代。对于电动轿车，不少人一直认为小型电动轿车是电动车推广的主导车型，目前中国小型电动轿车已取得长足的进步，系列产品和量产车型已经步入产业化阶段。小型电动汽车的重点技术服务包括电动轿车安全性设计技术。

值得一提的是，我国小型电动轿车的推广，尤其是向私人用户的推广，江淮是一个典型，其车辆设计比较适合城市上下班族，最高车速100公里，电机功率在15千瓦左右，是一种经济性较好、适合中国中等城市使用的车型，单车型已经推广1500辆，这是一个非常值得肯定的成绩，方向也非常正确，城市短途代步，在家里和单位慢充值得推广。

国内还有很多电动轿车技术难关没有完全突破，所以成立下一代电动汽车联盟，推动小型电动汽车增程技术，比如电空调技术等显得非常重要。因为小型电动车的空调能耗非常大，我们正在加紧研究的还包括小型电动车轻量化技术等问题。

在燃料电池轿车方面，中国于2006年提出新一代燃料电池轿车动力系统平台，在这个平台扩展不同的车型，在2008年奥运会、2010年的世博会有70辆不同品牌燃料电动车示范运行，而且示范遍及世界各地甚至是美国加州。现在国内很多大型企业已经参与燃料电池研发，尤其以上汽为代表。上汽的燃料电池电动车一代、二代、三代在耐久性、功率密度等方面进展幅度巨大，第三代被指定为公务用车进行使用。

公共支撑平台技术进展良好

目前国内已经建立了电动汽车关键零部件和整车测试平台，包括动力电池、车用电机、整车等。以电池为例，我国在电池检测方面，先有两家――天津18所和北京201所，现在已有6家在开展此类工作，大大增强了电池检测能力。另外我国也建立了电动汽车技术标准体系，包括已有标准有57项，正在研究制定45项，可以说是目前国际上覆盖最广、标准数量最多的电动汽车标准体系。尤其是在标准方面我国开展了一系列国际合作，包括中德合作、中欧合作、中美合作、中日合作等，通过合作我国标准登上了国际舞台，并取得一系列突破，中国A芯直流充电接口提案成为国际标准中的三个直流充电接口之一，中国充电控制导引提案成为国际标准之一。中国CAMN直流充电通信协议成为国际标准。

自2010年以来，国家电网投入243座标准化充换电站，并且建立“三网”融合，开展网络化、信息化、自动化“三化”管理，实现电动汽车用户跨区域同网、同价、同时服务。比如青岛建立了集中式充换电平台，电池梯次利用一站全部实现。另外还建立了苏沪杭城际互动，开发了电池自动更换系统以及配套商业模式，包括电池租赁、刷卡消费等智能管理。很多人都担心换电过程中的标准问题，因为轿车尺寸不同，约100款轿车可以分成四种不同的标准电池规格。

在示范考核方面，我国在2006、2007年尚属于研发试验阶段，2008年奥运会是第一次大规模电动汽车示范运行（接近60辆），2010年的上海世博会上示范运行的电动车超过千辆，大运会的规模更大。自我国开启“十城千辆”示范工程以来，2010年增加运营车辆4400多辆，2011年增加超过1万辆车，基本按照3倍速度增长。其中，混合动力9000多台，纯电动1000多台，而且混合动力公交车已经得到一致认可，纯电动车的能耗也在不断改进，初期与现在比，百公里电耗持续下降25%。目前轿车方面实现较大批量运行的城市有合肥（1500辆）、北京（500辆）、深圳（300辆）、杭州（280辆）。大规模给私人用户直接购买的尝试具有重要的战略意义，新能源汽车必须进入私人购买。

“十二五”是跨过1%门槛的关键期

虽然目前国内已经取得不少进展，但还面临不少挑战。我国的电动汽车研发起步不晚、发展不慢，但是基础不牢、体制不顺、差距仍存在，中高端技术压力越来越大。燃料电池汽车技术材料、电池寿命跟国外比有相当差距，而且有被拉大的风险。另外，燃料发动机工程方面与国际先进水平有更大的差距，纯电动汽车在电池储能技术、热管理技术、核心芯片、分装技术、设计技术跟国际先进水平尚有相当的距离，混合动力汽车专用的发动机技术方面，即使我国突破AMT，但是与国外质量最好的AMT相比也有差距。“十二五”是汽车技术实现科技创新关键时期，应当继续坚持“三纵三横”研局，同时为了示范运营和商业化，加强基础支撑平台的建设，主要是技术标准法规、基础设施建设和测试评价技术，支撑“三纵三横”发展。

我国制定面向混合动力产业化研发主要指标，包括电池的要求超级电容、电池控制，最终是为了提高节油率，深混达到40%以上，这些目标很有希望实现。纯电驱动则重点考虑小型纯电动汽车，希望电池的单体达到150瓦时/公斤以上，循环寿命2000次以上，模块小于1块/瓦时。

面对下一代纯电动技术，在纯电动方面将开发新型锂电池，大于250瓦时/公斤，将会采用多种电机包括轮毂连接。我国的燃料电池指标将进一步提高，以达到与国际同期水平。

为了实现这些目标，我国将组建“三纵三链”技术创新联盟，即按照产业链、技术链、价值链进行组织，比如央企电动汽车联盟、TOP10新能源汽车联盟、电动汽车产业技术创新战略联盟、燃料电池汽车联盟、中德电动汽车联盟、中美清洁汽车联盟等一系列联盟，以期实现关键技术的突破。

展望下一个五年，中国电动汽车市场开发格局可能会出现“两头挤”的现象，即大型车和小型电动车方面实现纯电驱动突破，中级轿车主要以节能汽车和混合动力汽车为主，逐步发展，争取到“十三五”进入中高级别轿车阶段。预计中国电动汽车产业“三步走”的战略推进，第一步是在大中城市进行新能源汽车示范，第二步展开新能源汽车、轻、小型电动汽车示范，第三步则是推进深度混合高级轿车、可充电电动轿车、氢燃料电池轿车。