生物燃料电池的应用范例(3篇)
生物燃料电池的应用范文篇1
燃料电池接近实用化
尽管燃料电池对大多数DIYer和移动终端玩家还比较生疏，但事实上在10多年前，该技术就已经出现。但是初期的燃料电池体积庞大，一般是用于应急供电、汽车等大型设备，想整合到笔记本电脑、手机这种移动终端里似乎是天方夜谭。最早面向移动终端的燃料电池是2002年以色列特拉维夫大学开发的甲醇燃料电池，只要向这个电池加入10mL甲醇可以实现13.5小时的通话和642小时的待机——这已经差不多是智能手机待机王摩托罗拉RAXRMAXX的水平。当然，之所以该技术没有实现商业化生产，是因为电池体积和一些技术上的东西还没有很好地解决。不过，从刚刚结束不久的CES2013上获得的消息是，类似的针对移动终端设备的燃料电池已经预计在今年上市了。
Lilliputian在CES上展示的Nectar移动电源就是这样一款产品。据介绍，这款产品重量只有200g，外形有点像打火机，使用丁烷作为燃料，可以为智能手机提供数周的电力。一次灌满燃料后（约150mL），可以为iPhone充电10次，峰值输出功率2.5W。它的售价约为300美元，但每次加注燃料需要10美元，作为应急电源相当不错。适应温度范围宽，可以长久存储，不像锂电池或蓄电池一样对温度敏感，且存在自放电现象。
另一代表产品则是日本知名半导体制造商罗姆展示的一系列基于固态氢燃料的燃料电池产品。该产品含外壳只有86mm×52mm×19mm大小，使用氢化钙固化片材燃料。燃料体积仅为38mm×38mm×2ram，与水可生成约4.5L氢气，能在2小时内充满一部配备5Wh电池（约合1350mAh）的智能手机。罗姆官方称该产品今年4月份就将正式上市，但具体售价和燃料加注费用不详。Lilliputian与罗姆的产品其实代表了移动终端用燃料电池的两种主要技术发展方向：加“油”发电与加水发电。围绕这两项技术，电池行业的许多大佬都进行过积极的尝试和改进。
燃料电池是什么？
我们先弄清楚什么是燃料电池。在说明其技术细节之前，先来回忆一下中学学过的电解水试验：在食盐水中插入两根电极，通入12v直流电。这时在连接电源正极的阳极位置会收集到氧气，在连接电源负极的阴极位置则可收集到氢气，食盐水是促成反应发生的电解质——人人都能重复这个实验。如果将这个试验反过来，即在食盐水环境中，阴极通入氧气、阳极通入氢气，在阴阳两极接入负载和电流表会出现什么情况呢？电路中真的会有电流产生！这就是燃料电池的原理，没有火焰的燃烧，但执行的是“燃烧”过程，化学能转化为了电能。
实际上，燃料电池相比刚刚所说的理论要复杂得多，而学科上对燃料电池的分类也更为复杂，有碱性燃料电池（AFC）、磷酸盐燃料电池（PAFC）、熔融磷酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）和聚合物电解质燃料电池（PEMFC）。由于前四类燃料电池工作温度相对较高，移动终端燃料电池大多属于PEMFC类别，但Lilliputian推出的Nectar则属于SOFC。
在电池内部，无论加注什么“燃料”，都要转化为氢气与氧气参与反应（甲醇燃料可直接与氧气反应），如果用化学反应来表示，可以写成：
2H2-4e4H+
O2+4e2O2-
燃料电池的核心技术为电极与电解质，对电极的要求是表面积尽量大，更有利于将氢气（甲醇）与氧气催化为离子态的催化剂；而电解质则要求拥有更好的导电性，以促成反应不断进行，同时还能对生成的离子具备隔离能力，让离子在电极处捕获需要的电子，而不是电解质内部捕获，提升发电效率。
“烧水”还是“烧油”？
从用户燃料加注层面来看，燃料电池还分为“加水（H2O）”与“加油（其它化学燃料）”两种。“烧水”还是“烧油”虽然在内部机理上并没有显著差别，但在实现难度和电池性能上却有明显差别。这也是长久以来，加油的燃料电池比加氢的燃料电池研究更多、报道更广的原因。
加油燃料电池
加油的燃料电池主要“油料”为甲醇，甲醇可如同氢气一样直接在电解质中与氧气反应，东芝、三星、索尼等都有开发类似的产品。东芝曾在2009年推出了一款名为Dynario的直接甲醇燃料电池，限量3000个。使用甲醇瓶往Dvnario注入甲醇后，Dynario即刻开始生成电能并可通过USB线传入手机或数码播放器等移动终端。整个产品体积为150mm×74.5mm×21mm，重280g，燃料舱容量14mL，注满可在20秒内生成足够2部手机的电量。为便于向其他终端提供持续电力，Dynario还内置有可充电锂电池，可存储燃料电池产生的电量。不过售价也不菲，当初约合人民币2225元，补给甲醇瓶一组5个，售价也达到235元。索尼在2008年小型燃料电池展上也展示过类似的系统，且体积更小，长宽仅约为50mm×30mm，最大功率可达3W，不过这之后并没有看到产品。基于甲醇的燃料电池虽然研究最多，但限于其能量转换效率低、成本高，市场表现似乎并不出色。
前文提到的Lilliputian的Nectar采用了看似更难实现的丁烷燃料，不过它们没有使用常规的低温聚合物电解质技术，而是采用TMEMS技术。在电池单元的核心技术方面采用名为“GeneratorChip”的硅基MEMS芯片，实现了多个小型化的高温电池单元，形成一个微型固体氧化物燃料电池。每个圆筒型燃料盒的发电容量为55Wh，核心电池单元反应温度达到600℃以上，利用微型固体氧化物燃料电池的高能量转换效率，获得实用化的量产电池。目前，Nectar已从国际民间航空组织（ICAO）及美国运输部获得了许可，可以在飞机上使用。
加水燃料电池
相比加“油”燃料电池，加“水”燃料电池的难点是如何找到一种储存氢气的材料。外接压缩气体钢瓶或者采用吸氢材料是电动汽车等大功率应用中的常规思路，但面对移动终端应用时，直接使用氢气会造成要么体积庞大、要么实现复杂的难题。因此在便携燃料电池中，普遍采用加水通过化学反应产生氢气的做法，罗姆产品应用的正是这一方法。
罗姆与Aquafairy公司（总部位于日本京都）和京都大学利用独创技术，成功地将氢化钙固化为片材。体积不满3cm。的氢化钙片材（38mm×38mm×2mm）遇水可生成约4.5L的氢、5Wh的电力。氢化钙是一种灰白色结晶体，遇水可剧烈反应产生氢气和氢氧化钙。氢氧化钙是一种碱性物质，俗称熟石灰，在空气中可与二氧化碳反应生成白色的碳酸钙，对人体和环境均无害，也没有其他有害气体排放。由于燃料电池工作中生成物也是水，因此产品仅需要加入少量水引发反应即可。
罗姆公司已经用这种材料制成了可供iPhone和智能手机使用的移动电源，体积和重量均是有史以来最轻巧的，一次加水提供的电力大致相当于1350mAh的锂电池容量。利用这项储氢技术，罗姆还开发了面向地震等灾难环境下的备灾燃料电池。内置容量可高达400Wh，整体重量不到1kg，还有可提供200W输出的大功率家用产品，体重也只和一部iPad相当。罗姆正在与京都大学联合，研究对反应后的钙系废弃物的再生利用（利用激光工艺），以便在实用化中可提供廉价、高效的燃料。尽管技术参数上，加“水”的燃料电池结构更为简单，能量转换效率也更高。但从目前已经推出的产品看，只有加“油”的燃料电池更具实用性——可重复加注燃料，“加水”型燃料电池更多是一种一次性应急电源。
移动终端内置燃料电池可期
虽然燃料电池比传统锂电池更能提供稳定和持续的电力，且不用纠结于充电和电芯老化问题。但现实生活中，这种电池的应用还是基本以应急能源或者移动电源的形态出现，直接采用燃料电池的移动终端并不多见。东芝曾在MWC2008k展示过一部内置燃料电池的折叠手机，产品以KDDIW55T手机为原型，嵌入甲醇燃料电池。填充一次燃料，可获得两倍于内置锂电池的续航能力。但其体积较大，厚度达到17mm，填充完燃料后重量达到150g～16％，并且也没有很好解决燃料电池工作时的发热问题，从未正式上市过。
但作为一种新的清洁电池，直接内置燃料电池已成为必然。在不久前，就有两家知名消费电子制造商透露了直接使用燃料电池的消息。其一是苹果，苹果已向美国专利及商标局提交了两个与氢氧燃料电池相关的专利申请。其中提到了燃料电池将用作智能手机、笔记本电脑以及平板的能量来源。并可能采用氢化镁、氢化锂、硼氢化钠等与水反应产生的氢气作为燃料，机理类似罗姆公司的燃料电池产品。作为一项创新性的电池技术，苹果的加入很可能促成其在市场的流行。另一家表示会将燃料电池直接加入终端产品的是RIM，从去年早些时候一份泄露出的RIM燃料电池专利示意图中可以看到，燃料电池被设计在键盘与主板之间，但没有更多消息显示是何种类型的燃料电池以及燃料，也没有大致的实现方式。
生物燃料电池的应用范文
1燃料电池的特点
（1）能量转化效率高。效率高达50%一60%，通过对余热的二次利用，总效率可高达80%一85%。
（2）无污染，可实现零排放。工作过程的唯一产物是水。
（3）效率随输出变化的特性好。部分功率下运行效率可达60%，短时过载能力可达到200%的额定功率。
（4）运行噪声低，可靠性高。无机械运动部件，工作时仅有气体和水的流动。
（5）构造简单，便于维护保养。模块化结构，组装和维护方便；没有运动部件，磨损之类故障少。
（6）燃料（氢气）来源广泛。制备方法多样，可通过石油、甲醇等重整制氢，也可通过电解水、生物制氢等方法获取氢气。
（7）燃料补充方便。可以采用甲醇等液体为燃料，利用现有的加油站系统，采用与汽车加油大体相同的燃料补充方式短时间内完成燃料的补充。
（8）环境适应性强。它的功率密度高、过载能力大、可不依赖空气，因此可两栖使用，适应多种环境及气候条件。
2燃料电池发展现状
在日本，日本经济产业省前几年就对燃料电池汽车开发与推广制定了时间表，其战略目标是：到2010年，日本使用的燃料电池汽车达到5万辆；2022年达到500万辆；到2030年，要全面普及燃料电池汽车。近期，日本又计划在5年内斥资2090亿日元开发以天然气为原料的液体合成燃料技术、车用电池，以及氢燃料电池科技。
在美国，燃料电池电动车曾被美国前总统布什作为“氢经济”论的“法宝”大肆宣传，但2006年2月他已改变了腔调，承认燃料电池电动车“不是近期的解决方法，也不是中期的解决方法，而确实是远期的方法”。在布什第二任总统任期的后3年里，“氢经济”论在美国已气息奄奄，燃料电池的研发重点已转向了基础性研究。2009年5月，美国政府正式宣布停止支持燃料电池电动车的研发。
在欧洲，欧盟2008年夏天决定斥资10亿欧元用于燃料电池和氢能源的研究和发展。欧盟此举旨在把燃料电池和氢能源技术发展成为能源领域的一项战略高新技术，使欧盟在燃料电池和氢能源技术方面处于世界领先地位，欧盟将力争在2022年前建立一个燃料电池和氢能源的庞大市场。
汽车业界普遍认同的一个观点是，燃料电池技术是内燃机技术最好的替代物，代表了汽车未来的发展方向。但如果将发展燃料电池汽车的几个制约因素考虑进来，则会发现燃料电池汽车目前和今后一段时问尚不具备商业化的条件。最乐观的预测，以纯氢为燃料的燃料电池汽车的商业化生产至少还需15年以上的时问，即使在一定程度上实现了商业化，也会是以一种高成本的方式。
3燃料电池发展前景
燃料电池的特点决定了它具有广阔的应用前景。首先，它可以用作小型发电设备；其次，作为长效的“电池”；三是电动汽车上的应用。
燃料电池首先用作发电设备，是因为其价格有可能与一般的发电设备相竞争。但燃料电池在电动汽车上的商业应用前景是远期的，因为汽车需要的是发电机，发电机的价格远比燃料电池要便宜，因此在短期内，燃料电池汽车在价格上难以与其他汽车相竞争。现在燃料电池研究与开发集中在四大技术方面：（1）电解质膜；（2）电极；（3）燃料；（4）系统结构。日美欧各厂家开发面向便携电子设备的燃料电池，尤其重视（1）～（3）方面的材料研究与开发。第四方面的研究课题是燃料电池的系统结构，前三个方面是构成燃料电池的必要准备，而系统结构是燃料电池的最终结果。
生物燃料电池的应用范文
燃料电池是一种不经过燃烧而以电化学反应方式将燃料的化学能直接变为电能的发电装置，可以用天然气、石油液化气、煤气等作为燃料。也是煤炭洁净转化技术之一。按电解质种类可分为碱性燃料电池（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）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、再生氢氧燃料电池(RFC)、直接醇类燃料电池（DMFC），还有如新型储能电池、固体聚合物型电池等。
氢和氧气是燃料电池常用的燃料气和氧化剂。此外，CO等一些气体也可作为MCFC与SOFC的燃料。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。我国丰富的煤炭资源是燃料电池所需燃料的巨大来源。
燃料电池具有高效率、无污染、建设周期短、易维护以及成本低的诱人特点，它不仅是汽车最有前途的替代清洁能源，还能广泛用于航天飞机、潜艇、水下机器人、通讯系统、中小规模电站、家用电源，又非常适合提供移动、分散电源和接近终端用户的电力供给，还能解决电网调峰问题。随着燃料电池的商业化推广，市场前景十分广阔。人们预测，燃料电池将成为继火电、水电、核电后的第四电方式[1]，它将引发21世纪新能源与环保的绿色革命。
1，中国燃料电池技术的进展
“燃料电池技术”是我国“九五”期间的重大发展项目，目标是，利用我国的资源优势，从高起点做起，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。内容包括“质子交换膜燃料电池技术”、“熔融碳酸盐燃料电池技术”及“固体氧化物燃料电池技术”三大项目[2]，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。此项任务由中国科学院及部门所属若干研究所承担。所定目标业已全部实现。
在质子交换膜燃料电池（PEMFC）方面，我国研究开发的这类电池已经达到可以装车的技术水平，可以与世界发达国家竞争，而且在市场份额上，可以并且有能力占有一定比例[1]。我国自把质子交换膜燃料电池列为"九五"科技攻关计划的重点项目以后，以大连化学物理研究所为牵头单位，在全国范围内全面开展了质子交换膜燃料电池的电池材料与电池系统的研究，取得了很大进展，相继组装了多台百瓦、1kW-2kW、5kW、10kW至30kW电池组与电池系统。5kW电池组包括内增湿部分,其重量比功率为100W/kg，体积比功率为300W/L。质子交换膜燃料电池自行车已研制成功，现已开发出200瓦电动自行车用燃料电池系统。百瓦级移动动力源和5kW移动通讯机站动力源也已开发成功。千瓦级电池系统作为动力源，已成功地进行了应用试验。由6台5kW电池组构成的30kW电池系统已成功地用作中国首台燃料电池轻型客车动力源。装车电池最大输出功率达46千瓦。目前该车最高时速达60.6km/h，为燃料电池电动汽车以及混合动力电动汽车的发展打下良好的基础。该电池堆整体性能相当于奔驰、福特与加拿大巴拉德公司联合开发的MK7质子交换膜燃料电池电动车的水平[3]。我国目前正在进行大功率质子交换膜燃料电池组的开发和燃料电池发动机系统集成的研究。
在熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）方面，我国已经研制出α和γ型偏铝酸锂粗、细粉料，制备出大面积（大于0.2m2）的电池隔膜，预测隔膜寿命超过3万小时。在进行材料部件研究的基础上，成功组装和运行了千瓦级电池组。
在固体氧化物燃料电池（SOFC）技术方面，已经制备出厚度为5-10μm的负载型致密YSZ电解质薄膜，研制出一种能用作中温SOFC连接体的Ni基不锈钢材料。负载型YSZ薄膜基中温SOFC单体电池的最大输出功率密度达到0.4W/cm2,负载型LSGM薄膜基中温SOFC单体电池的最大输出功率密度达到0.8W/cm2。这些技术创新为研制千瓦级、十千瓦级中温固体氧化物燃料电池发电技术的研发奠定了坚实基础。
2，国外燃料电池技术发展迅猛
燃料电池是新世纪最有前途的清洁能源，是替代传统能源的最佳选择。因此，燃料电池技术的研究开发受到许多国家的政府和跨国大公司的极大重视。美国将燃料电池技术列为涉及国家安全的技术之一，《时代》周刊将燃料电池电动汽车列为21世纪10大高技术之首；日本政府认为燃料电池技术是21世纪能源环境领域的核心；加拿大计划将燃料电池发展成国家的支柱产业。近十年来，国外政府和企业在燃料电池方面的投资额超过100亿美元。为开发燃料电池，戴姆勒－克莱斯勒公司一家近年来每年就投入10亿美元，丰田公司的年投资额超过50亿日元[4]。欧、美发达国家和日本等国政府和企业界都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目，并且已取得了许多重要成果，PEMFC技术已发展到实用阶段，使得燃料电池即将取代传统发电机及内燃机而广泛应用于发电及汽车上。2MW、4.5MW、11MW成套燃料电池发电设备已进入商业化生产，用于国防、航天、汽车、医院、工厂、居民区等方面；各等级的燃料电池发电厂相继在一些发达国家建成，其中，国际燃料电池产业巨头加拿大巴拉德公司筹资3.2亿美元，建成的燃料电池厂已于2001年2月正式投产。美国和欧洲将成批生产低成本的家用供电－供暖燃料电池作为最近的开发计划。目前，在北美、日本和欧洲，燃料电池发电正快速进入工业化规模应用的阶段。
目前，车用氢燃料电池已成为世界各大汽车公司技术开发的重中之重。迄今为止，世界6大汽车公司在开发氢燃料电池车上的开发费用已超过100亿美元，并以每年10亿美元的速度递增[5]。1997年至2001年，各大公司研制出的车用燃料电池就达41种。
3，我国开发燃料电池技术相对乏力
我国研究燃料电池有过起落。在20世纪60年代曾开展过多种燃料电池的实验室研究，70年入大量人力物力开展用于空间技术的燃料电池研究，其后研究工作长期停顿。最近几年，我国才开始重新重视燃料电池技术的研究开发，并取得很大进展。特别在PEMFC方面，达到或接近了世界水平。但是，在总体上，我国燃料电池的研究开发刚刚起步，仍处于科研阶段，与国外相比，我国的燃料电池研究水平还较低，我国对燃料电池的组织开发力度还远远不够。作为世界上最大的煤炭生产国和消费国，开发以煤作为一次能源的高温型MCFC和SOFC具有特别重要的意义。但是我国在MCFC、SOFC研究方面与国外的差距很大，要实现实用化、商业化应用还有很长的路要走。迄今为止，我国还没有燃料电池发电站的应用实例。这和我国这样一个大国的地位很不相称。尽管国家也将燃料电池技术列为"九五"攻关项目，国家和企业投入的资金却极为有限，年度经费仅为千万元量级人民币，与发达国家数亿美元的投入相比显得微不足道；承担研究任务的也只是中科院等少数科研院所，且研究力量分散，缺少企业的介入，难以取得突破性进展，尤其是难以将取得的研究成果进行实际应用试验，以形成产业化趋势。从表1所列国外燃料电池的研究和开况看，欧、美国家和日本等大多是以公司企业为主在从事燃料电池的研究开发和制造生产，而且规模很大，例如，仅加拿大的Ballard一家公司的资产就达10亿美元。
4，大力发展燃料电池技术势在必行
从世界燃料电池迅猛发展的势头看，本世纪头十年将是燃料电池发电技术商品化、产业化的重要阶段，其技术实用性、生产成本等都将取得重大突破。预计燃料电池系统将在洁净煤燃料电池电站、电动汽车、移动电源、不间断电源、潜艇及空间电源等方面有着广泛的应用前景，潜在市场十分巨大。可以预料，分散电源供电系统——燃料电池发电厂必将在21世纪内取代以“大机组、大电网、高电压”为主要特征的现代电力系统，成为电力行业的主力军。而燃料电池的普遍推广应用，必将在能源及相关领域引发一场深刻的革命，促进新兴产业的形成，带动国民经济高速发展。能源领域的这场革命是我国政府、企业、科研院所、高等院校不得不正视的课题，我们对此必须有充分认识并给予足够的重视。我们应该准确把握这场革命所带给我们的机遇，毫不迟疑地投入足够的人力、物力、财力，推动燃料电池发电技术的研究开发和应用工作，使之早日实用化产业化，为我国的国家能源安全和国民经济可持续发展服务。
国家计委在1997年提出的中国洁净煤技术到2010年的发展纲要中，已把燃料电池列为煤炭工业洁净煤的14项技术重点发展目标之一[6]。在“十五”科技发展规划中，燃料电池技术被列为重点实施的重大项目[7]。
