【正文】 使用的重整技術(shù)主要有蒸汽重整、部分氧化和催化部分氧化重整、自動(dòng)供熱重整以及等離子體重整等。蒸汽重整是目前使用最廣泛的制氫方式。蒸汽重整是一個(gè)化學(xué)過程，其中，氫通過碳?xì)浠衔锶剂虾透邷厮羝g的化學(xué)反應(yīng)生成。常規(guī)型蒸汽重整器的容量較大，目前已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，但工作條件高(850℃，~)，制造成本較高，容量大啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，如果生產(chǎn)出來的氫氣不能及時(shí)使用，儲(chǔ)存也有困難。近年來出現(xiàn)的平板型結(jié)構(gòu)更加緊湊，成本進(jìn)一步降低，但目前技術(shù)還不成熟。②部分氧化重整。部分氧化重整的產(chǎn)氫率比蒸汽重整的低，但它結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、起動(dòng)時(shí)間短、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，對(duì)燃料的適應(yīng)性也更強(qiáng)，因而更具潛力。部分氧化重整最好用純氧，但價(jià)格較高；雖然它也可使用燃料氣與空氣混合，但反應(yīng)后需加凈化處理裝置，其成本亦很高。自動(dòng)供熱重整將燃料與水蒸汽兩者結(jié)合，因此，由水蒸汽重整反應(yīng)吸收的熱量平衡了從部分氧化重整反應(yīng)中所放出的熱量。但自動(dòng)供熱重整要求同時(shí)調(diào)節(jié)好氧氣、水蒸汽和燃料之間的比例，控制比較困難，并且在重整中易產(chǎn)生積碳現(xiàn)象而損傷催化劑。等離子體重整是一種先進(jìn)的制氫技術(shù)，它采用等離子激發(fā)重整反應(yīng)的發(fā)生，可在滿足制氫效率的情況下進(jìn)行小規(guī)模生產(chǎn)，同時(shí)降低成本。等離子制氫技術(shù)可分為熱等離子和冷等離子兩種，產(chǎn)生氫氣的過程與傳統(tǒng)技術(shù)一樣，它也包括蒸汽重整、部分氧化和熱分解等。溫度升高也產(chǎn)生了對(duì)電極的腐蝕。 質(zhì)子交換膜燃料電池1質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，英文簡(jiǎn)稱PEMFC)是一種燃料電池，在原理上相當(dāng)于水電解的“逆”裝置。工作時(shí)相當(dāng)于一直流電源，其陽極即電源負(fù)極，陰極為電源正極。其單電池由陽極、陰極和質(zhì)子交換膜組成，陽極為氫燃料發(fā)生氧化的場(chǎng)所，陰極為氧化劑還原的場(chǎng)所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，質(zhì)子交換膜為電解質(zhì)。其單電池由陽極、陰極和質(zhì)子交換膜組成，陽極為氫燃料發(fā)生氧化的場(chǎng)所，陰極為氧化劑還原的場(chǎng)所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)。兩電極的反應(yīng)分別為：陽極(負(fù)極)：2H24e=4H+陰極(正極)：O2+4e+4H+=2H2O注意所有的電子e都省略了負(fù)號(hào)上標(biāo)。當(dāng)電子通過外電路流向陰極時(shí)就產(chǎn)生了直流電。接有負(fù)載時(shí)輸出電壓取決于輸出電流密度，～1V 之間。電堆由多個(gè)單體電池以串聯(lián)方式層疊組合而成。疊合壓緊時(shí)應(yīng)確保氣體主通道對(duì)正以便氫氣和氧氣能順利通達(dá)每一單電池。電堆的核心是MEA組件和雙極板。雙極板常用石墨板材料制作，具有高密度、高強(qiáng)度，無穿孔性漏氣，在高壓強(qiáng)下無變形，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能優(yōu)良，與電極相容性好等特點(diǎn)。(1) 能量轉(zhuǎn)化效率高。(2) 可實(shí)現(xiàn)零排放。(3) 運(yùn)行噪聲低，可靠性高。(4) 維護(hù)方便。(5) 發(fā)動(dòng)效率平穩(wěn)。 (7) 技術(shù)成熟。：(1) 成本高。(2) 對(duì)氫的純度要求高。因?yàn)镻EMFC的工作溫度低，啟動(dòng)速度較快，功率密度較高(體積較小)，所以很適于用作新一代交通工具動(dòng)力。從目前發(fā)展情況看，PEMFC是技術(shù)最成熟的電動(dòng)車動(dòng)力源，PEMFC電動(dòng)汽車被業(yè)內(nèi)公認(rèn)為是電動(dòng)汽車的未來發(fā)展方向。六、1．堿性燃料電池的結(jié)構(gòu)與工作原理堿性燃料電池(AFC)以強(qiáng)堿為電解質(zhì)，氫氣為燃料，純氧或脫除微量二氧化碳的空氣為氧化劑，采用對(duì)氧電化學(xué)還原具有良好催化活性的Pt/C、Ag等為電催化劑制備的多孔氣體擴(kuò)散電極為氧化極，以PtPd/C、Pt/C等具有良好催化氫電化學(xué)氧化的電催化劑制備的多孔氣體電極為氫電極。七、磷酸燃料電池1磷酸燃料電池(簡(jiǎn)稱PAEC)是以酸為導(dǎo)電電解質(zhì)的酸性燃料電池。 2．磷酸燃料電池的工作原理PAEC使用液體磷酸為電解質(zhì)，通常位于碳化硅基質(zhì)中。3．磷酸燃料電池的特點(diǎn)PAEC的工作溫度要比PEMFC和AFC的工作溫度略高，位于150~200℃左右，但仍需電極上的白金催化劑來加速反應(yīng)。PAEC具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、電解質(zhì)揮發(fā)度低等優(yōu)點(diǎn)。目前，PAEC能成功地用于固定的應(yīng)用，~20MW的工作裝置被安裝在世界各地，為醫(yī)院、學(xué)校和小型電站提供電力。單體的MCFC一般是平板型的，由電極電解質(zhì)、燃料流通道、氧化劑流通道和上下隔板組成。燃料和氧化劑氣體流經(jīng)陽極和陰極通道。電子被集流板收集起來，然后到達(dá)隔板。3．熔融碳酸鹽燃料電池的特點(diǎn)MCFC是一種高溫電池(600~700℃)，具有效率高(高于40%)、噪音低、無污染、燃料多樣化(氫氣、煤氣、天然氣和生物燃料等)、余熱利用價(jià)值高和電池構(gòu)造材料價(jià)廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，是未來的綠色電站。1．固體氧化物燃料電池的結(jié)構(gòu)SOFC單體主要由電解質(zhì)、陽極或燃料極、陰極或空氣極和連接體或雙極板組成。3．固體氧化物燃料電池的特點(diǎn)除具備燃料電池高效、清潔、環(huán)境友好的共性外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) SOFC是全固態(tài)的電池結(jié)構(gòu)，不存在電解質(zhì)滲漏問題，無需配置電解質(zhì)管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命運(yùn)行；(2) 對(duì)燃料的適應(yīng)性強(qiáng)，可直接用天然氣、煤氣和其他碳?xì)浠衔镒鳛槿剂希?3) SOFC發(fā)電效率高，能量密度大，能量轉(zhuǎn)換效率高；(4) 工作溫度高，電極反應(yīng)速度快，不需要使用貴金屬作電催化劑；(5) 可使用高溫進(jìn)行內(nèi)部燃料重整，使系統(tǒng)優(yōu)化；(6) 低排放、低噪聲；(7) 廢熱的再利用價(jià)值高。SOFC也存在不足之處：(1) 氧化物電解質(zhì)材料為陶瓷材料，質(zhì)脆易裂，電堆組裝較困難；(2) 高溫?zé)釕?yīng)力作用會(huì)引起電池龜裂，所以主要部件的熱膨脹率應(yīng)嚴(yán)格匹配；(3) 存在自由能損失；(4) 工作溫度高，預(yù)熱時(shí)間較長(zhǎng)，不適用于需經(jīng)常啟動(dòng)的非固定場(chǎng)所。1．直接甲醇燃料電池的結(jié)構(gòu)與原理陽極和陰極分別由多孔結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散層和催化劑層組成，通常使用不同疏水性、親水性的碳黑和聚四氟乙烯作為DMFC的陽極和陰極材料。（2）原理直接甲醇燃料電池是質(zhì)子交換膜燃料電池的一種變種，它直接使用甲醇而勿需預(yù)先重整。堿性條件總反應(yīng)式：2CH4O+3O2=2CO2+4H2O正極：3O2+12e?+6H20→12OH–負(fù)極：2CH4O12e–+12OH~→2CO2+10H2O酸性條件總反應(yīng)同上正極：3O2+12e–+12H+→6H2O負(fù)極：2CH4O12e–+2H2O→12H++2CO2這種電池的期望工作溫度為120℃以下，比標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)子交換膜燃料電池略高，其效率大約是40%左右。甲醇在陽極轉(zhuǎn)換成二氧化碳和氫，如同標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)子交換膜燃料電池一樣，氫然后再與氧反應(yīng)。其缺點(diǎn)是當(dāng)甲醇低溫轉(zhuǎn)換為氫和二氧化碳時(shí)要比常規(guī)的質(zhì)子交換膜燃料電池需要更多的白金催化劑。微生物氧化燃料所生成的電子通過細(xì)胞膜相關(guān)連組分或者通過氧化還原介體傳遞給陽極，再經(jīng)過外電路轉(zhuǎn)移到陰極，在陰極區(qū)電子將電子受體(如氧)還原，然后透過質(zhì)子交換膜轉(zhuǎn)移過來的質(zhì)子結(jié)合生成水。微生物燃料電池的功率輸出取決于系統(tǒng)傳遞電子的數(shù)量和速率以及陽極與陰極間的電位差。十二、再生燃料電池由電解池和燃料電池組成，向日時(shí)太陽能發(fā)電并電解水，生成氫氣與氧氣貯存起來；背日時(shí)，燃料電池發(fā)電，生成水，水可以循環(huán)使用，并保持儲(chǔ)能基本恒定。再生型燃料電池的概念相對(duì)較新，但全球有許多研究小組正在從事這方面的工作。其不同的地方是它還進(jìn)行逆反映，也就是電解。這種方法就構(gòu)成了一個(gè)封閉的系統(tǒng)，不需要外部生成氫。這對(duì)改善生態(tài)環(huán)境、緩解溫室氣體的有害作用具 有重大意義。但是，從長(zhǎng) 遠(yuǎn)來看，隨著太陽能電池制造技術(shù)的改進(jìn)以及新的光電轉(zhuǎn)換裝臵的發(fā)明， 各國對(duì)環(huán)境的保護(hù)和對(duì)再生清潔能源的巨大需求，太陽能電池仍將是利用 太陽輻射能比較切實(shí)可行的方法，可為人類未來大規(guī)模地利用太陽能開辟 廣闊的前景。界面層臨近的電子和空穴在復(fù)合之前，將經(jīng)由空間電荷的電場(chǎng)結(jié)果被相互分別。經(jīng)由界面層的電荷分別，將在P區(qū)和N區(qū)之間發(fā)作一個(gè)向外的可測(cè)試的電壓。對(duì)晶體硅太陽能電池來說，～。界面層接納的光能越多，界面層即電池面積越大，在太陽能電池中組成的電流也越大。這就是光電效應(yīng)太陽能電池的工作原理。(1) 光—熱—電轉(zhuǎn)換方式通過利用太陽輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電，一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換成工質(zhì)的蒸氣，再驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。后一個(gè)過程是熱—電轉(zhuǎn)換過程，估計(jì)它的投資至少要比普通火電站貴5～10倍。太陽能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管，當(dāng)太陽光照到光電二極管上時(shí)，光電二極管就會(huì)把太陽的光能變成電能，產(chǎn)生電流。太陽能電池是一種大有前途的新型電源，具有永久性、只要太陽存在，太陽能電池就可以一次投資而長(zhǎng)期使用。四、太陽電池在汽車上的應(yīng)用（1）動(dòng)力驅(qū)動(dòng)（2）輔助設(shè)備能源小 結(jié)：概述本節(jié)作 業(yè)：課后習(xí)題課 題： 超級(jí)電容器教學(xué)目的：了解超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)、分類和特點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)、分類和特點(diǎn)教學(xué)難點(diǎn)：超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)、分類和特點(diǎn)類 型：新授課教學(xué)方法：講練結(jié)合課 時(shí)：2引 入：超級(jí)電容器是一種具有超級(jí)儲(chǔ)電能力、可提供強(qiáng)大脈沖功率的物理二次電源。超級(jí)電容器主要是利用電極/電解質(zhì)界面電荷分離所形成的雙電層，或借助電極表面快速的氧化還原反應(yīng)所產(chǎn)生的法拉第準(zhǔn)電容來實(shí)現(xiàn)電荷和能量的儲(chǔ)存的。1．超級(jí)電容的結(jié)構(gòu)原理（1）結(jié)構(gòu)超級(jí)電容單體主要由電極、電解質(zhì)、集電極、隔離膜連線極柱、密封材料和排氣閥等組成。有機(jī)電解質(zhì)通常使用聚合物或紙作為隔膜，水溶液電解質(zhì)可采用玻璃纖維或陶瓷隔膜。①當(dāng)外加電壓加到超級(jí)電容器的兩個(gè)極板上時(shí)，與普通電容器一樣，極板的正電極存儲(chǔ)正電荷，負(fù)極板存儲(chǔ)負(fù)電荷，在超級(jí)電容器的兩極板上電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下，在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內(nèi)電場(chǎng)，這種正電荷與負(fù)電荷在兩個(gè)不同相之間的接觸面上，以177。②當(dāng)兩極板間電勢(shì)低于電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液界面上電荷不會(huì)脫離電解液，超級(jí)電容器為正常工作狀態(tài)（通常為3V以下），如電容器兩端電壓超過電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液將分解，為非正常狀態(tài)。由此可以看出：超級(jí)電容器的充放電過程始終是物理過程，沒有化學(xué)反應(yīng)。*在電動(dòng)汽車上廣泛使用的主要是碳電極超級(jí)電容。2．超級(jí)電容的分類超級(jí)電容可以按不同的方式進(jìn)行分類。(2) 按照結(jié)構(gòu)形式分類兩電極組成相同且電極反應(yīng)相同，但反應(yīng)方向相反，稱為對(duì)稱型；兩電極組成不同或反應(yīng)不同，稱為非對(duì)稱型。(4) 按照電解液不同分類水溶液體系超級(jí)電容器，這種電容器導(dǎo)電率高、成本低、分解電壓低()；有機(jī)體系超級(jí)電容器，這種電容器導(dǎo)電率低、成本高、分解電壓高()；固體物電解質(zhì)超級(jí)電容器，這種電容器可靠性高、導(dǎo)電率低、無泄漏、高比能量與薄型化。超級(jí)電容的內(nèi)阻小，輸出功率密度高，是一般蓄電池的數(shù)十倍。具有至少十萬次以上的充電壽命，沒有“記憶效應(yīng)”?？梢杂么箅娏鹘o超級(jí)電容充電，充電10秒~10分鐘可達(dá)到其額定容量的95％以上。能在40~60℃的環(huán)境溫度中正常上作。充放電線路簡(jiǎn)單，無需充電電池那樣的充電電路，安全系數(shù)高，長(zhǎng)期使用免維護(hù)；檢測(cè)方便，剩余電量可直接讀出。超級(jí)電容器在生產(chǎn)過程中不使用重金屬和其它有害化學(xué)物質(zhì)，因而在生產(chǎn)、使用、儲(chǔ)存以及拆解過程均沒有污染，是一種新型的綠色環(huán)保電源。超級(jí)電容線性放電的特性使它無法完全放電。目前超級(jí)電容可儲(chǔ)存的能量比化學(xué)電源少得多。超級(jí)電容單體電壓低，需要多個(gè)電容串聯(lián)才能提升整體電壓。它的自放電速率比化學(xué)電源要高。眾所周知，當(dāng)飛輪以一定角速度 旋轉(zhuǎn)時(shí)，它就具有一定的動(dòng)能。高技術(shù)型的飛輪用于儲(chǔ)存電能，就很像標(biāo)準(zhǔn)電池。飛輪是整個(gè)電池裝置的核心部件，它直接決定了整個(gè)裝置的儲(chǔ)能多少。（2） 原理當(dāng)給飛輪電池充電時(shí)，集成的電動(dòng)／發(fā)電機(jī)以電動(dòng)機(jī)的形式運(yùn)行，電能通過電力電子變換裝置從外部輸入，以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪加速旋轉(zhuǎn)，從而完成電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換過程，使能量以動(dòng)能的形式存儲(chǔ)起來；當(dāng)外部負(fù)載需要能量時(shí)，飛輪電池就放電，此時(shí)電機(jī)處于發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，把飛輪存儲(chǔ)的動(dòng)能通過電力電子變換裝置轉(zhuǎn)換成負(fù)載所需要的電能，完成機(jī)械能到電能的釋放。 (1)能量密度高：儲(chǔ)能密度可達(dá)100～200 wh／kg，功率密度可達(dá)5 000～l0000 w／kg。 (2)能量轉(zhuǎn)換效率高：工作效率高達(dá)百分之90。 (3)體積小、重量輕：飛輪直徑約二十多厘米，總重在十幾千克左右。 (4)工作溫度范圍寬：對(duì)環(huán)境溫度沒有嚴(yán)格要求。 (5)使用壽命長(zhǎng)：不受重復(fù)深度放電影響，能夠循環(huán)幾百萬次運(yùn)行，預(yù)期壽命20年以上。 (6)低損耗、低維護(hù)3. 飛輪電池在汽車上的應(yīng)用20世紀(jì)80年代初，瑞士OerIikon Energy公司研制成功了完全由飛輪供能的第一輛公共汽車，飛輪直徑1．63 m，重1．5 t，該車可載乘客70名，行程大約O．8 km，在每一?？空就＼嚂r(shí)，飛輪將需要充電2 min[2]。1992年美國飛輪系統(tǒng)公司(AFs)獲得了飛輪電池的專利，隨后采用Kevlar纖維復(fù)合材料制作飛輪，成功地把一輛克萊斯勒LHS轎車改裝為飛輪電池轎車AFS20。改裝后的電動(dòng)汽車一次充電行駛距離為600 km。而日本研制的飛輪電池最高轉(zhuǎn)速為3．6 x lO4r／min，一次充電行駛距離為480～640 km[3]。近幾年來，清華大學(xué)、中科院電工研究所、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、武漢理工大學(xué)等科研單位都開展了飛輪電池的研制，并取得了一定的成果