未來能源——燃料電池

巴得木其其克

摘要：本篇論文講述了燃料電池的發(fā)電原理和燃料電池的優(yōu)越性，以汽車燃料電池為例分析了燃料電池做為未來能源的必要性，以及燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀和前景。

關(guān)鍵詞：燃料電池 未來能源 汽車燃料電池

燃料電池是一種能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，是將燃料的化學(xué)能連續(xù)不斷地直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置，又稱電化學(xué)法電器。

一、燃料電池的發(fā)電原理

燃料電池的工作原理是從陽極處的氫氣中抽取電子(氫氣被化學(xué)氧化掉,或稱“燃燒掉了”)。這些負(fù)電子流到導(dǎo)電的陽極,同時,余下的正原子(氫離子)通過電解液被送到陰極。在陰極,離子與氧氣發(fā)生反應(yīng)并從陰極吸收電子。這一反應(yīng)的產(chǎn)品是電流、熱量和水。由于燃料電池不會燃燒出火焰,也沒有旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī),所以燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。燃料電池作為化學(xué)能向電能轉(zhuǎn)化的發(fā)電裝置,在能量轉(zhuǎn)化的過程中,體系對外所作的電功是非體積功,由發(fā)電過程中的吉布斯自由能變化決定。對于理想的可逆燃料電池,體系對外所作的非體積功僅為電功: ( G)T,P=-nEF。式中n為電池中輸出元電荷的物質(zhì)的量,E為電池電動勢,F為法拉第常數(shù)。則最大電動勢為:E=- ( G)T,P/nF。

二、燃料電池的優(yōu)越性

1.資源廣闊

氫能作為二次能源，來源廣泛，既可以來源于化石能源的工業(yè)副產(chǎn)氫，還可通過太陽能、風(fēng)能、潮汐能等不能穩(wěn)定供電的可再生能源電解水制氫，也能從煤氣、天然氣、生物細(xì)菌分解農(nóng)作物秸稈和有機(jī)廢水中得到，更重要的是可再生和重復(fù)利用。

2.清潔

氫經(jīng)過燃料電池化學(xué)反應(yīng)，幾乎無硫氧化合物和氮氧化合物的排放，溫室氣體二氧化碳的排放量也遠(yuǎn)小于火力發(fā)電廠。因本身沒有轉(zhuǎn)到部件，工作環(huán)境非常安全。

3.高效

從理論上講燃料電池可將燃料所含化學(xué)能的99%轉(zhuǎn)化為可利用的電和熱，高于目前其它發(fā)電設(shè)備的發(fā)電效率。

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)，它規(guī)模大，而且遠(yuǎn)離用戶。而分散式供電與用戶距離很近，利于降低成本。燃料電池供電就屬于分散式供電的一種。其效率與規(guī)模無關(guān)，可根據(jù)用戶需求增減發(fā)電容電，其安全性和供電質(zhì)量很高。此外，他還具有燃料的多樣性，余熱的再利用和安裝簡便等優(yōu)點(diǎn)。

三、燃料電池發(fā)展的必然性

人類對地球資源的大規(guī)模開發(fā)利用，已使其越發(fā)匱乏，甚至面臨枯竭的局面。如何實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，共同構(gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會，是當(dāng)今世界必須直面的重大課題。因此，燃料電池作為新的能源，它的發(fā)展已經(jīng)顯得刻不容緩。以汽車行業(yè)為例。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車工業(yè)已經(jīng)成為我國的支柱產(chǎn)業(yè)之一。據(jù)統(tǒng)計，2007年我國汽車產(chǎn)量達(dá)到850萬輛，保有量達(dá)到3000多萬輛，成為世界第三大汽車生產(chǎn)國和第二大汽車市場。與此同時，汽車燃油消耗也達(dá)到8000萬噸，約占我國石油總需求量的1/4。在能源日益緊張的今天，發(fā)展新能源汽車已迫在眉睫。能源專家、全國政協(xié)委員胡里清則把目光鎖在了氫能上，氫燃料電池汽車是世界上公認(rèn)的零排放、低噪音清潔汽車的終極技術(shù)方案，是汽車工業(yè)節(jié)能減排的發(fā)展方向。從使用成本上來看，氫燃料電池車的運(yùn)行成本不足內(nèi)燃機(jī)(汽油)車的一半。傳統(tǒng)轎車每行駛100公里需消耗約8~10升汽油，按照93號汽油每升5.19元計算，百公里花費(fèi)大約50元；氫能燃料電池發(fā)動機(jī)的轎車100公里消耗1.03公斤氫氣，按每公斤15元計算，只需要花費(fèi)大約15元?！坝脷淠茏鳛槠嚨娜剂蠠o疑是最佳選擇。

目前不管從氫能的來源還是技術(shù)，我國大力發(fā)展燃料電池汽車的時機(jī)都已成熟。同時發(fā)展新能源汽車，在能源日益緊張的今天應(yīng)是一種必然趨勢。

四、燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀和前景

我國的燃料電池研究始于20世紀(jì)50年代，目前研究燃料電池的單位并不多，雖然燃料電池發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)基本已經(jīng)突破，但是還需要更進(jìn)一步對燃料電池產(chǎn)業(yè)化技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)、提升，使產(chǎn)業(yè)化技術(shù)成熟，這個階段需要政府加大研發(fā)力度的投入，以保證我國在燃料電池發(fā)動機(jī)關(guān)鍵技術(shù)方面的水平和領(lǐng)先優(yōu)勢，包括對掌握燃料電池關(guān)鍵技術(shù)的企業(yè)在資金、融資能力等方面予以支持。雖然國家對燃料電池的研發(fā)也給予了很大支持，但是與國外相比還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠據(jù)悉，國外一些國家和大公司對燃料汽車的研發(fā)每年都投入了高達(dá)十幾億美元的資金，如美國的通用汽車公司，日本的豐田公司，加拿大的巴拉德公司，德國的奔馳公司等。國家還應(yīng)加快對燃料電池關(guān)鍵原材料、零部件國產(chǎn)化、批量化生產(chǎn)的支持，不斷整合燃料電池各方面優(yōu)勢，帶動燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。同時政府還應(yīng)給予相關(guān)的示范應(yīng)用配套設(shè)施，并且對燃料電池相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈予以支持、培育等，以加快燃料電池車示范運(yùn)營相關(guān)的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)的制定和加氫站等配套設(shè)施的建設(shè)，推動燃料電池汽車的載客示范運(yùn)營。

五、結(jié)語

隨著燃料電池技術(shù)的完美發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大和飛速發(fā)展，人類社會在能源問題方面將要迎來一次巨大變革。

參考文獻(xiàn)

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作者單位：西北民大榆中校區(qū)化工學(xué)院