太陽(yáng)能燃料電池（中學(xué)化學(xué)201212）

1、發(fā)表期刊：中學(xué)化學(xué) 2011年第12期簡(jiǎn)說(shuō)太陽(yáng)能燃料電池湖北襄樊東風(fēng)中學(xué) 441004 但世輝 陳莉莉進(jìn)入21世紀(jì)，環(huán)境污染和能源短缺是人類(lèi)亟待解決的兩大難題。因此，對(duì)清潔可再生能源的開(kāi)發(fā)和利用越來(lái)越受到世界各國(guó)的廣泛重視。2010年7月，美國(guó)能源部向美國(guó)加州理工學(xué)院的劉易斯教授所領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)提供了為期5年總額達(dá)1.22億美元的資助，主要用于研究一種新型能源技術(shù)：太陽(yáng)能燃料電池技術(shù)，這也是美國(guó)能源部?jī)?yōu)先資助的3個(gè)新能源研究項(xiàng)目之一。一、太陽(yáng)能燃料電池的工作原理白天夜晚 負(fù)載太陽(yáng)能電池電解槽燃料電池圖1 太陽(yáng)能燃料電池工作示意圖太陽(yáng)能燃料電池主要由太陽(yáng)能電池、電解槽、燃料電池等組成（圖1）

2、，各部件具體功能如下：太陽(yáng)能電池：作為太陽(yáng)能燃料電池的核心部分，其作用是將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化成電能，用于負(fù)載運(yùn)行，多余電能供給電解槽電解水得到氫氣和氧氣。電解槽：其作用是將獲得的電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能。在催化劑和直流電的作用下，水分子在陽(yáng)極失去電子，被分解為氧氣和氫離子，氫離子通過(guò)電解質(zhì)和隔膜到達(dá)陰極，與電子結(jié)合生成氫氣，儲(chǔ)存在氫氣瓶中。燃料電池：從電解槽獲取的氫氣在負(fù)極釋放電子生成氫離子，氫離子通過(guò)電解質(zhì)在正極得到電子與氧氣結(jié)合生成水，電子的定向移動(dòng)產(chǎn)生電流。燃料電池的主要作用是作為太陽(yáng)能燃料電池的備用電源。一般采用質(zhì)子交換膜燃料電池。就太陽(yáng)能燃料電池的發(fā)電方式而言，其運(yùn)行方式有兩種：當(dāng)日照充足時(shí)，太

3、陽(yáng)能電池以滿功率發(fā)電。由于白天用電負(fù)荷輕，太陽(yáng)能電池多余電能便可分配給電解槽用于電解水，制出的氫氣儲(chǔ)存在氫氣瓶中，在夜晚或陰天無(wú)日照時(shí)燃料電池利用儲(chǔ)存的氫氣進(jìn)行二次發(fā)電，供用戶(hù)使用；當(dāng)日照不足，太陽(yáng)能電池發(fā)出的電能不能滿足負(fù)載需求時(shí)，啟用燃料電池和太陽(yáng)能電池同時(shí)發(fā)電，一起為負(fù)載供電。二、太陽(yáng)能燃料電池的技術(shù)瓶頸1.太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)成本和轉(zhuǎn)換效率自從1954年第一塊實(shí)用太陽(yáng)能電池問(wèn)世以來(lái)，雖然太陽(yáng)能電池取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但仍然面臨著生產(chǎn)成本過(guò)高和光電轉(zhuǎn)換效率較低的兩大難題。多晶硅為太陽(yáng)能電池的主要原料，每生產(chǎn)1MW太陽(yáng)能電池，大約需要15噸左右的多晶硅。根據(jù)我國(guó)工程院的調(diào)查，2005年，我國(guó)對(duì)多

4、晶硅的需求為3800噸，其中太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)需求2690噸，缺口更大。如此大的缺口導(dǎo)致了多晶硅的價(jià)格居高不下，也致使太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)成本較高，不便于廣泛普及。另外，雖然經(jīng)歷了近60年的發(fā)展，太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率由最初的6%提高到了目前的20%左右，但距離科學(xué)家心中理想的效率值仍有很大差距。因此，最大限度地提高太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換效率是太陽(yáng)能燃料電池急需解決的重要問(wèn)題之一。假如隨著科技的發(fā)展，太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率有了更大的提升，那時(shí)需要解決的問(wèn)題便會(huì)轉(zhuǎn)移至太陽(yáng)能電池的輸出功率上，只有控制好太陽(yáng)能電池的最大輸出功率才能獲得更多的電能。但目前的困難在于：太陽(yáng)能電池的輸出功率與日照強(qiáng)度和環(huán)境溫度密切相關(guān)，當(dāng)環(huán)

5、境溫度一定時(shí)，日照強(qiáng)度增大，輸出功率也隨之增大；當(dāng)日照強(qiáng)度一定時(shí)，環(huán)境溫度增大，輸出功率減小。但是，由于日照強(qiáng)度增大時(shí)，溫度也會(huì)隨之升高，這就使得太陽(yáng)能電池的最大輸出功率變得難以跟蹤，也就很難發(fā)揮出太陽(yáng)能電池的最大功效。2.電解槽中催化劑的價(jià)格目前使用較多的電解槽為質(zhì)子交換膜電解槽，這種電解槽可以90%的效率連續(xù)工作超過(guò)4000小時(shí)。目前面臨的困難在于，這種電解槽必須使用鉑電極作催化劑，雖然鉑是目前催化水分解反應(yīng)最好的材料，但它的價(jià)格卻高達(dá)每克350元人民幣。因此，尋找價(jià)格低廉且高效的催化劑成為太陽(yáng)能燃料電池急需解決的另一重大難題。2008年，美國(guó)麻省理工學(xué)院的諾切拉教授和一位同事無(wú)意中發(fā)現(xiàn)，

6、由磷和鈷構(gòu)成的一種廉價(jià)材料能夠催化產(chǎn)生氧氣，這是水分解反應(yīng)的一個(gè)必要步驟。對(duì)于其反應(yīng)機(jī)理，諾切拉教授認(rèn)為是帶正電荷的鈷離子從水中的氫原子中奪走了電子，同時(shí)釋放了氧。尤為重要的是鈷和磷是兩種既便宜又豐富的元素，假如用其替換金屬鉑，那么太陽(yáng)能燃料電池的生產(chǎn)成本將會(huì)大大降低。此外太陽(yáng)能燃料電池進(jìn)行聯(lián)合發(fā)電還存在的技術(shù)難點(diǎn)在于：太陽(yáng)能光伏發(fā)電內(nèi)在的間歇問(wèn)題會(huì)給整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)帶來(lái)較大的波動(dòng)和控制難題。因此如何有效地將燃料電池與光伏系統(tǒng)結(jié)合，消除光伏系統(tǒng)所產(chǎn)生的波動(dòng)影響成為發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。同時(shí)，如何延長(zhǎng)使用壽命、簡(jiǎn)化裝置、提高裝置可靠性、保障系統(tǒng)安全持續(xù)運(yùn)行等問(wèn)題也是今后的發(fā)展方向。三、太陽(yáng)能燃料電池與

7、其它電池的優(yōu)勢(shì)比較雖然太陽(yáng)能燃料電池尚未得到大面積的推廣使用，但相比其它已經(jīng)民用化的電池而言其理論上的優(yōu)勢(shì)還是顯而易見(jiàn)的（表1）。 表1 太陽(yáng)能燃料電池與部分民用電池的優(yōu)勢(shì)比較類(lèi)別太陽(yáng)能電池氫氧燃料電池太陽(yáng)能燃料電池原料太陽(yáng)光需制取H2和O2太陽(yáng)光和電解槽中自動(dòng)產(chǎn)生的H2和O2操作較簡(jiǎn)單需要引燃，啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)（2h4h）自動(dòng)化程度高，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作環(huán)保無(wú)污染無(wú)污染無(wú)污染、無(wú)噪聲、零排放使用范圍近空間等有陽(yáng)光處不受天氣影響不受天氣影響，有無(wú)陽(yáng)光均可發(fā)電使用壽命15年數(shù)月10年左右除了以上簡(jiǎn)單對(duì)比之外，太陽(yáng)能燃料電池在發(fā)電質(zhì)量上也有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。其發(fā)電質(zhì)量高，負(fù)載有變動(dòng)時(shí)能很快響應(yīng)，沒(méi)有空耗，只有在

8、用戶(hù)需要時(shí)才會(huì)消耗電能，更加節(jié)能。四、太陽(yáng)能燃料電池的應(yīng)用及展望太陽(yáng)能燃料電池具有儲(chǔ)能密度高、使用壽命長(zhǎng)以及沒(méi)有污染等特點(diǎn)，特別適用于一些特殊應(yīng)用領(lǐng)域和邊遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)民用生活的用電需求，例如微波中繼站、部隊(duì)通訊系統(tǒng)、水閘、小型戶(hù)用系統(tǒng)和村莊供電系統(tǒng)等。目前，在美國(guó)、歐洲、日本等地已將太陽(yáng)能燃料電池推入實(shí)用化階段，初步實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化的布局。日本東京的多摩川大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)已研制出了以太陽(yáng)能燃料電池為動(dòng)力的汽車(chē)。該車(chē)在太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上增加燃料電池單元，能夠以110km/h的速度行駛。白天使用太陽(yáng)能電池驅(qū)動(dòng)，直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能供發(fā)電機(jī)運(yùn)作；晚上和陰天時(shí)換用燃料電池，采用氫作能源。這種生態(tài)環(huán)保汽車(chē)完全使用太陽(yáng)能和氫能驅(qū)動(dòng)，被稱(chēng)作Apollodine（意為太陽(yáng)能和水）新型汽車(chē)。美國(guó)多家公司合作于1999年6月安裝了太陽(yáng)能燃料電池進(jìn)行聯(lián)合發(fā)電，該電池系統(tǒng)位于美國(guó)加利福利亞的科爾比中心野營(yíng)地。電池從1999年6月到2001年6月可靠運(yùn)行兩年。其中，在2001年9月2日至9月15日的13天時(shí)間里，太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到89%。燃料電池轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到了42%。德國(guó)巴伐利亞電力公司于1986年與西門(mén)子等公司聯(lián)合實(shí)施了為期15年的太陽(yáng)能燃料電池技術(shù)示范工程。該