2025年高考燃料電池——環保新能源

　　人類正面臨有史以來最嚴重的環境危機，由于人口急劇增加，資源消耗日益擴大，人口與資源的矛盾越來越尖銳；此外，人類的物質生活隨著工業化而不斷改善的同時，大量排放的工業污染物及生活污染物使人類的生存環境更迅速惡化。因此，有必要引入一個概念，環境友好催化技術。而且這一概念的重要性日益突出，燃料電池是環境友好催化技術的重要應用之一。目前，對環境催化作用的研究正在實現從降低污染向阻止污染的方向轉變。對燃料電池及催化燃燒正在進行的深入廣泛的研究也是如此。

　　FC以氫氣為燃料、空氣中的氧氣作為氧化劑，通過電化學反應得到電能并生成純凈水。從長遠來看，FC將是氫無污染地轉化成電能的最佳方案，可以真正做到零排放。

　　我國FC的研究始于1958年，當時人們憑著一股熱情推動燃料電池上馬，不過很快就堰旗息鼓了。70年代初，在航天計劃的帶動下，我國FC的研究掀起高潮，武漢大學、中科院大化所，原電子部天津電源研究所等單位研制AFC并取得一定的成果，后因航天計劃改變，FC研究也就基本中止。90年代，環境保護、能源短缺的雙重壓力，以及國際上FC的突破性進展的帶動，我國第二次FC研制高潮逐漸形成。

　　通常，按FC的電解質將其分為：堿性燃料電池（AFC）、質子交換膜燃料電池（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）。AFC的工作溫度一般為80℃，KOH為電解質）因對CO2很敏感，有被PEMFC取代的趨勢。PEMFC又稱為固體聚合物燃料電池（SPFC），在50-100℃下工作，其電解質是一種固體有機膜，用鉑做催化劑，但在該溫度下鉑對CO極其敏感。PEMFC是最有前途的交通工具的動力，目前全世界已有PEMFC大公共汽車在示范運行。1998年，德國奔馳、美國福特和加拿大巴拉德（BALLARD）合資組成DBB公司，計劃到2005年年產10萬臺汽車用PEMFC發動機。PAFC工作在200℃左右，磷酸為電解質，PAFC常用鉑作催化劑，也有CO中毒問題，己建成的11MWPAFC電站表明，因排放熱的溫度低，而使其經濟性不佳。從目前技術水平看，PAFC適合作小住宅區的現場電站。MCFC使用熔融的堿性碳酸鹽作為電解質，鎳做催化劑，工作溫度在650℃左右，材料腐蝕是MCFC的難點。SOFC電解質和電極都是陶瓷材料，工作溫度在1000℃左右。目前己制成100k電堆，SOFC的優點是不用催化劑而直接使用天然氣為原料，電池效率較高。因此，它是未來大規模清潔發電站的優選對象，缺點是1000℃高溫下材料較難解決，目前人們也在研究800℃左右的中溫SOFC。

　　燃料電池汽車的技術難點

　　1．燃料電池反應堆組件

　　2．氣泵：用來輸送氧氣參加反應。和一般的氣泵一樣，噪聲及價格是兩大難點。

　　3．PEM薄膜：目前反應溫度為80℃～85℃，應向90℃～95℃方向發展，材料的耐高溫性及壽命，以及成本降低是其難點。

　　4．熱交換器：對燃料電池反應時所產生的低等級廢熱，如何加以收集并利用，需要新型的設計。

　　5．催化金屬

　　雖然燃料電池電級表面積總和很大，但是并不見得全部要用貴金屬，某些金屬氧化物可作為候選方案以降低成本。我國豐富的稀土金屬資源可能一顯身手。

　　6．過濾裝置

　　假如以甲醇為原料，那么為防止燃料電池不被硫及一氧化碳所玷污，需要加裝過濾裝置或分離裝置，而且要易于更換。

　　7．燃油箱：在能直接加氫的加氣站普遍建成以前，大部分車輛仍將用石油類燃油或燃氣來制氫，因此，油箱的結構、材料、成本及安全性均需研究。液態氫由于超低溫貯存，其使用看來并不現實。

　　8．加氫裝置：專家預計將來加氫過程將由機器人自動完成，因此需要開發接合裝置及輸氣系統。

　　9．管路、卡子、緊固件：其規格及要求均要高。

　　10．驅動電機：雖然電機技術己是成熟技術，但要求進一步降低重量、成本以及提高緊湊性以利于在車輪上的布置。

　　11．車載制氫裝置（燃油轉換器）用來將油、氣等燃料轉換成氫。目前最迫切的問題是重量及體積都太大。

　　12．傳感器：需要快速的化學型傳感器、隨身診斷用傳感器以及測漏傳感器。

　　13．冷卻劑：需要在零下40℃不結凍，同時不能損害反應堆。某種乙二醇混合物可能被找到。

　　14．電控裝置：與內燃燒機電控裝置要求一樣，但處理的功率要足夠，響應要快，以保證司機對動力的隨時需要。

　　15．電瓶：為了冷起動需要，應有一小型電瓶通過加熱裝置使反應堆預熱。

　　16．動力裝置托架

　　要結實牢固，以容納和固定燃料電池，特別是要求它輕，能方便地從車上整體拆下，用來維護保養燃料電池。

　　17．密封件：主要是防止氧氣在氫進入的主應堆以前與之接觸，需要更為先進的元件。

　　燃料電池的應用不僅限于汽車電池，普通電池能干的它幾乎都能干，而普通電池不行的它也行。譬如它既能夠為宇宙飛船提供高效的能量，又能為機組人員的飲用、洗滌、濕潤干燥食品提供足夠的水。預計燃料電池汽車到2020年會來到大家的身邊，或許燃料電池能夠作為一種高效環保的新能源方式比太陽能更早地走進我們的生活。

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