科技狂人-第4部分

按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！


的主要方法；但目前电耗过高，一般约为4。5kWh/Nm3H2，亟待改进。此外，由中科院山西煤炭化学研究所开发的“甲醇重整制氢技术”已投入生产实际应用，目前最大规模为360Nm3/h，并实现系列化、批量化生产。我&；nbsp；看&；nbsp；书&；nbsp；斋中科院大连化学物理所在国家“九五”科技攻关项目“燃料电池技术”中，承担了燃料电池电动车用“甲醇重整制氢装置”的研制，目前，已形成概念样机。
为加快氢能的开发利用，有关高等院校和科研院所积极开展了新型制氢方法的研究。石油大学承担的“九五”科技攻关项目“从H2S制取氢气的扩大实验研究”，此方法制氢能耗低，约2。6kWh/Nm3H2，使低电耗制氢技术达到了世界先进水平。中科院感光化学研究所承担了“九五”科技攻关项目“烟气中SOX制氢技术的中试研究”。该所的人工模拟光合作用分解水制氢及非常规资源制氢研究达到了世界先进水平。我&；nbsp；看&；nbsp；书&；nbsp；斋在光化学、生物质和电化学制氢领域，兰州化学物理所、微生物以及南开大学、天津大学等单位也进行了大量的基础研究工作。
—储氢技术：目前，氢的储存方法主要有以下几种：常压储氢，高压储氢，液氢储氢，金属氢化物储氢及吸附储氢等。液氢储氢是一种较好的储氢方法，此法储氢密度高。但是，制备1升液氢约需消耗电能3kWh，在储存过程中液氢还有自然挥发，因此能耗较高。金属氢化物的出现为氢的储存、运输及利用开辟一条新的途径。
70年代后期，南开大学、北京有色金属研究总院、浙江大学和中国科学院上海冶金研究所等就开始了储氢材料的基础研究。其中，化学法制备合金储氢材料在国际上处于领先水平。近年来，我国在金属氢化物储氢技术领域又取得了新的进展。５cｃｃ．neｔ浙江大学新材料研究所承担的“九五”国家“863”高技术项目“燃料电池氢源合金及氢燃料箱研究”，已研制出三类新的储氢合金，其储氢能力分别为1。61wt％、1。8wt％和2。1wt％。此外，还设计并试制成功容量为700L和4。0Nm3的便携式氢源样机，可适用于1kW及5kWPEMFC电池。浙江大学还进行了金属氢化物储氢技术的工程应用研究和装置开发，主要有340Nm3氢化物氢集装箱，MHPC－24型氢净化压缩装置及3600kcal/h金属氢化物式空调机。北京有色金属研究总院承担了国家“九五”科技攻关项目“储氢合金及储氢应用技术的研究”，开展氢能和燃料电池用氢源合金及金属氢化物储氢器的应用研究。其中，小型储氢器已供国内数家单位在太阳能及燃料电池领域的研究与开发中使用。我&；nbsp；看&；nbsp；书&；nbsp；斋
近年来，清华大学、中科院金属所、防化研究院及西北核技术研究所等单位开始对新型储氢技术—纳米碳材料的储氢进行了多项基础性研究。其中，清华大学、中科院金属所和防化研究院都在室温下得到了储氢重量比在12MPa时为8％左右的纳米碳材料。
—氢能利用：氢作为能源利用应包括以下三个方面：利用氢和氧化剂发生反应放出的热能；利用氢和氧化剂在催化剂作用下的电化学反应直接获取电能及利用氢的热核反应释放出的核能。我国早已试验成功的氢弹就是利用了氢的热核反应释放出的核能，是氢能的一种特殊应用。我国航天领域使用的以液氢为燃料的液体火箭，是氢用作为燃料能源的典型例子。近年来，我国科学工作者在这方面进行了大量的基础性研究和开发性工作。５cｃｃ．neｔ西安交通大学曾进行过“氢燃烧和动力循环的研究”及“氢燃烧流场的研究及氢火焰性能评价”。浙江大学新材料所与内燃机所合作成功的改装了一辆燃用氢—汽油混合燃料的中巴车，通过添加约4。7wt％氢气进行的氢—汽油混合燃料燃烧，平均节油率达44％。我国自行研制的30kW氢燃料电池电动汽车，计划在2000年完成。目前，PEMFC电源系统的应用开发，将成为推动氢能利用的新动力。
为进一步开发氢能，推动氢能利用的发展，“氢能技术”已被列入《科技发展“十五”计划和2015年远景规划（能源领域）》。
四、发展预测
氢能开发利用首要解决的是廉价的氢源问题。从煤、石油和天然气等化石燃料中制取氢气，国内虽已有规模化生产，但从长远观点看，这已不符合可持续发展的需要。从非化石燃料中制取氢气才是正确的途径。在这方面电解水制氢已具备规模化生产能力，研究降低制氢电耗有关的科学问题，是推广电解水制氢的关键。光解水制氢其能量可取自太阳能；这种制氢方法适用于海水及淡水，资源极为丰富，是一种非常有前途的制氢方法。
储氢技术是氢能利用走向实用化、规模化的关键。根据技术发展趋势，今后储氢研究的重点是在新型高性能规模储氢材料上。国内的储氢合金材料已有小批量生产，但较低的储氢质量比和高的价格仍阻碍其大规模应用。镁系合金虽有很高的储氢密度，但放氢温度高，吸放氢速度慢，因此研究镁系合金在储氢过程中的关键问题，可能是解决氢能规模储运的重要途径。近年来，纳米碳在储氢方面已表现出优异的性能，有关的研究国内外尚处于初始阶段，应积极探索纳米碳作为规模储氢材料的可能性。
在氢能利用方面，燃料电池发电系统仍是实现氢能应用的重要途径。在我国质子交换膜燃料电池已有技术基础上，除继续加强大功率PEMFC的关键技术研究外，还应注意PEMFC系统工程关键技术开发和系统技术集成，这是PEMFC发电系统走向实用化过程的关键。此外，天然气重整制氢技术开发与实用化对在我国推广PEMFC发电系统有着重要的现实意义。PEMFC电动汽车具有零排放的突出优点，在各类电动汽车发展中占有明显的优势。
氢能所具有的清洁、无污染、效率高、重量轻和储存及输送性能好、应用形式多等诸多优点，赢得了人们的青睐。利用氢能的途径和方法很多，例如：航天器燃料、氢能飞机、氢能汽车、氢能发电、氢介质储能与输送，以及氢能空调、氢能冰箱等等，有的已经实现，有的正在开发，有的尚在追求和探索。随着科学技术的进步和氢能系统技术的全面进展，氢能应用范围必将不断扩大，氢能将深入到人类活动的各个方面，直至走进千家万户。
文章内容转载自《中国新能源与可再生能源1999白皮书》中国计划出版社出版　
燃料电池
　　　　一、概况
燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。5Cｃｃ。ＮEＴ当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。依据电解质的不同，可将燃料电池分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。
燃料电池具有以下优点：
1．不受卡诺循环限制，能量转换效率高；
2．洁净、无污染、噪声低；
3．模块结构、积木性强，比功率高。既可以集中供电，也适合分散供电。
4．高温型燃料电池可实现热电连供。
我国的燃料电池研究始于1958年，电子工业部天津电源研究所最早开展了MCFC研究。我&；nbsp；看&；nbsp；书&；nbsp；斋70年代在航天事业的推动下，中国科学院大连化学物理研究所研制成功千瓦级AFC。“七五”期间，中国科学院长春应用化学研究所1990承担了中科院PEMFC研究任务；1993开始进行直接甲醇质子交换膜燃料电池（DMFC）的研究。电力工业部哈尔滨电站成套设备研究所于1991年研制出由7个单电池组成的MCFC原理性电池。“八五”期间，中科院大连化物所、上海硅酸盐研究所、化工冶金研究所及清华大学等国内十几个单位进行了与SOFC有关的研究。
我国科学工作者在燃料电池基础研究和单项技术方面取得了不少进展，积累了一定经验。但是，由于多年来在燃料电池研究方面投入资金数量很少，就燃料电池技术的总体水平来看，尚与发达国家有较大差距。５cｃｃ．neｔ我国有关部门和专家对燃料电池十分重视，1996年和1998年两次香山科学会议对我国燃料电池技术的发展进行了专题讨论，强调了自主研究与开发燃料电池系统的重要性和必要性。
二、燃料来源与资源评估
从理论上讲，任何能发生电化学氧化还原反应的气体均可作为燃料电池的燃料或氧化剂。氢气是燃料电池常用的燃料气。氧是燃料电池中常用的氧化剂，它能很方便地从空气中获取。在地球周围单质氢是极少的，在地壳中的某些特定条件下虽然也有氢气存在，但都难于开采与回收。然而，氢具有高的电化学反应活性，可以从石油、天然气、甲醇、烃类或煤等通用燃料中转化而得。生物质能也是氢的重要来源，如：细菌制氢、发酵制氢及沼气回收等。工业副产氢也是燃料电池获得燃料的有效途径。5Cｃｃ。ＮEＴ据统计我国在合成氨工业中氢的年回收量可达标14&；amp；：acute：108m3；在氯碱工业中有87&；amp；：acute：106m3的氢可供回收利用。此外，在冶金工业、发酵制酒厂及丁淳溶剂厂等生产过程中都有大量氢可回收。上述各类工业副产氢的可回收总量，估计可达标15亿立方米以上。
除氢气之外，还有一些气体如CO也可作为MCFC与SOFC的燃料。这样，天然气、管道煤气均是大型燃料电池发电站可资利用的丰富燃料资源。从长远发展看，高温型MCFC和SOFC系统是利用煤炭资源进行高效、清洁发电的有效途径，因此，我国丰富的煤炭资源也是燃料电池所需燃料的巨大来源。
未来大规模推广使用燃料电池仍需要解决氢源问题。５cｃｃ．neｔ从石油、天然气和煤等化石燃料中制取氢气，从长远考虑仍存在着资源枯竭问题。众所周知，水是由氢和氧组成，因此大量的氢可从水中提取，特别是海水，真是取之不尽，用之不竭。我们将这一美好理想，寄希望于太阳光能制氢的实现。
三、发展现状
90年代中期以来，国家自然科学基金委员会积极支持燃料电池的基础研究；国家科技部和中国科学院共同投入了较多的资金，加强燃料电池系统的研制与工程开发，从而使我国的燃料电池研究出现了新的势头。
国家“九五”科技攻关项目和中国科学院“九五”应用研究与发展重大项目“燃料电池技术”是由国家科技部和中科院共同组织的重大攻关课题，总的目标是：利用我国的资源优势，从高做起，加强创新。在“九五”期间，使我国燃料电池的技术发展接近国际水平。５cｃｃ．neｔ内容包括三个子项目：“质子交换膜燃料电池技术”、“熔融炭酸盐燃料电池技术”及“固体氧化物燃料电池技术”。其中，用于电动汽车的“5kW质子交换膜燃料电池”列为开发的重点。中国科学院“九五”特别支持项目的目标是：研制的PEMFC电池模块输出功率与国际同步，电池性能达到或超过国际90年代水平，并在石油、气象、铁路及通讯等部门，获得实际应用。承担上述燃料电池项目的有中国科学院及部门所属的12个研究所，科研人员130余人。
重大攻关课题“燃料电池技术”，在国家科技部和中国科学院的精心组织与大力支持下，取得了重大进展。中科院大连化物所研制并组装出100W至5KW多种规格的PEMFC电池组。用于30kW燃料电池电动汽车的PEMFC发动机正在进行5kW单元的运行试验。我&；nbsp；看&；nbsp；书&；nbsp；斋“燃料电池电动汽车装车实验研究”由中国科学院电工研究所负责，现已完成整车性能、电气主回路、电控系统及25kW驱动电机设计；建成了功率驱动台架试验系统。由中国科学院电工研究所负责的“PEMFC电源系统研制”课题，主要从事PEMFC电源系统关键技术研究和系统工程开发。建有可进行千瓦级PEMFC电源寿命试验的“燃料电池系统实验室”。现已完成PEMFC移动电源专用微型H2/O2减压阀、多种小型金属储氢器及系列功率变换器等系统部件的开发。目前，正在进行自然对流型（无空气泵式）PEMFC便携式电源的系统集成工作。MCFC、SOFC、DMFC在基础研究和装置研制方面也取得了良好进展。我&；nbsp；看&；nbsp；书&；nbsp；斋中科院大连化物所组装出工作面积28cm2和110cm2的MCFC电池。中科院上海硅酸盐所全部采用国内原材料和自主研究的技术，建立并运行了一个10单元平板型SOFC电池堆，单电池有效面积9cm2，电池堆最大功率密度92mW/cm2。大连化物所正在进行SOFC电池材料、结构设计和组装技术的研究与开发，研制出的中温电池性能在800C°：时达到0。2W/cm2。中科院化工冶金所1995年从俄罗斯引进了200W块状叠层电池组进行了运行试验。中科院长春应用化学所对直接甲醇燃料电池（DMFC）的电催化剂、电极、电极/膜集合体及单体电池的结构优化等进行了系统研究。80C°：常压下，FcTMPPDMFC电池输出功率密度达0。3w/cm2，该性能处于国际领先水平。我&；nbsp；看&；nbsp；书&；nbsp；斋该所研制的直接甲醇/空气燃料电池，在常温常压下输出功率密度峰值达到24mW/cm2。
高等院校是我国从事燃料电池基础研究的一支重要力量。天津大学承担多项有关PEMFC的国家自然科学基金项目，进行了广泛的基础研究，并在膜电极制备、水热管理等多方面取得了进展。清华大学核能研究院拥有研制PEMFC的成套设备。目前，输出功率10－30WPEMFC电堆，200W一体化PEMFC电堆，已研制成功。上海交通大学从日本引进的MCFC试验设备，现正在组装供基础研究用的MCFC，同时还与日本合作进行MCFC发电系统建模、仿真研究。此外，石油大学、吉林大学、北京科技大学、北京理工大学、武汉大学，以及电子部天津电源所等也分别在PEMFC、MCFC、SOFC方面开展了研究。5Cｃｃ。ＮEＴ
我国民营高科