新能源材料的应用与发展前景

新能源材料的应用与发展前景 题目: 新能源材料的应用与发展前景 学院: 材料科学与学院 0 2013年11月26日 目 录 0.摘要 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 1(太阳能电池及光伏材料„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 2(风电机组叶片材料„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 3(贮氢材料„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 4(镍氢电池和锂离子电池„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 4.1(镍氢电池„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 4.1.1(镍氢电池基本简介„„„„„„„„„„„„„„„„„6 4.1.2(镍氢电池电池材料„„„„„„„„„„„„„„„„„6 4.1.3(镍氢电池研究进展„„„„„„„„„„„„„„„„„7 4.2(锂离子电池„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 4.2.1(锂离子电池基本简介„„„„„„„„„„„„„„„„7 4.2.2(锂离子电池充放电原理及其电池材料„„„„„„„„„7 4.2.3(锂离子电池的应用前景„„„„„„„„„„„„„„ 9 5(燃料电池 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10 5.1(燃料电池的基本原理及组成„„„„„„„„„„„„„„10 5.2(燃料电池的分类„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 5.3(燃料电池的优缺点„„„„„„„„„„„„„„„„„„12 6. 新能源材料有待解决的课题„„„„„„„„„„„„„„„12 7.参考文献 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12 1 摘要 人类社会对能源的需求持续增长，能源需求结构也在发生变化，与此同时人 类又面临着矿物能源环境污染和枯竭的难题，这一切都激励着新能源的出现和发 展。太阳能、氢能、核能、生物能、风能、地热能、海洋能等被认为是新能源， 但它们必须依靠新材料的开发与应用才能得以实现，并进一步提高效率、降低成 本。新能源材料就是用于新能源生产、转换和应用所需的材料。新能源材料有以 下特点: 1.新材料把原来已经使用的能源变成新能源，更便于使用; 2.一些新材料可提高储能和能量转化效果; 3.新材料保障了核反应堆等新能源的安全; 4.材料工艺决定着新能源的成本。 Abstract Human society’s demand for energy continued growth, energy demand structure is changing, at the same time the human faces pollution and depletion of fossil energy environment problem, this all motivated the emergence of new energy and development. Solar energy, hydrogen energy, nuclear energy, bio energy, wind energy, geothermal energy, ocean energy is considered to be a new energy, but they must rely on the development and application of the new materials can be realized, and further improve efficiency, reduce costs. Shinno source material for ability of Industrial sources, Change sum Application required plant material. Shinno source material have the following Features: 1. New materials have used the original energy into new energy sources, easier to use; 2. Some new materials to improve energy storage and energy conversion effect; 3. New materials to protect the safety of nuclear reactors and other new energy; 4. Materials technology determines the cost of new energy sources. 关键词:太阳能电池 贮氢材料 风电机叶片 镍氢电池 锂离子电池 燃料电池 1(太阳能电池及光伏材料 我国地面接收的太阳能资源非常丰富，辐射总量为3340~8400(MJ/m2)/a,主 要分布在我国的西北、华北以及云南中部和西部、广东东南部、福建东南部、海 南岛东部和台湾西南部等地区。太阳照射到地面的能量相当于全球能耗的数万 倍，既无污染，又是永久性能源。但太阳辐射到地球的能量密度太低，还受时间、 气候的影响。尽管太阳能利用成本较高，在某些日照时间长、居民分散度大的地 区建立太阳能电站还是有意义的。我国西部地区日照好、居民分散，适合发展太 阳能。 2 建立新能源未来太阳能的大规模利用是用来发电。利用太阳能发电的方式有多种。已实用的主要有以下两种。 ? 光—热—电转换。即利用太阳辐射所产生的热能发电。一般是用太阳能集热 器将所吸收的热能转换为工质的蒸汽，然后由蒸汽驱动气轮机带动发电机发 电。 前一过程为光—热转换，后一过程为热—电转换。 ?光—电转换。其基本原理是利用光生伏特效应将太阳辐射能直接转换为电能，它的基本装置是太阳能电池。 光伏材料是能将太阳能直接转换成电能的材料，光伏材料又称太阳电池材料，只有半导体材料具有这种功能。可做太阳电池材料的材料有可做太阳电池材料的材料有单晶硅、多晶硅、非晶硅、GaAs、GaAlAs、InP、Cds、CdTe等。 表1是几种常见光伏材料特性一览表。 表1 几种常见光伏材料特性 类型 光电转换效率 优点 缺点 普及情况 单晶硅太阳能电15%~24% 光电转换效率最制作成本很大 主要用于空间技池 高，坚固耐用 术 多晶硅太阳能电约12% 材料制造简便，光电转换率和寿得到大量发展 池 节约电耗，总的命比单晶硅太阳 生产成本较低 能电池低 非晶硅太阳能电10% 工艺过程大大简光电转换效率偏 池 化，硅材料消耗低，且不够稳定， 很少，电耗更低，随着时间的延 在弱光条件也能长，其转换效率 发电 衰减 多元化合物太阳18%左右 用多种元素半导 正在研究 电池 体制成的，可扩 大太阳能吸收光 谱范围，光电转 换率高达18%。 目前致力于降低材料成本和提高转换效率，使太阳电池的电力价格与火力发电的电力价格竞争，从而为更广泛更大规模应用创造条件。太阳能电池中，材料费占成本的60% ~ 80 %。因此，发展厚度仅1 ~ 2μm的非晶薄膜(相对于50 μm的多晶硅膜)对节约材料和费用具有显著的意义。近年来正在研制便于大规模制造的燃料纳米半导体材料及有机光伏转换薄膜。 2(风电机组叶片材料 太阳能在地面上约2,转变为风能，全球风力用于发电功率可达11.3万亿kW，很有发展前景。风力发电的缺点是噪声大，会产生视觉污染，占用大片土地，不稳定，不可控，目前成本仍然很高，影响鸟类。但对于缺水、缺燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地带，因地制宜地利用风力发电，非常适合，大有可为。 风力发电的原理:是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速 3 度提升，来促使发电机发电。依据目的风车技术，大约是每秒三公里的微风速度(微风的程度)，便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一般热潮，为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行，我国也在西部地区大力提倡，小型风力发电系统效率很高，但它不是只 充电由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统;风力发电机+器+数字逆变器，风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成，每一部分都很重要，各部分功能为:叶片用来接受风力并通过机头转为电能;尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能;转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能;机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。。风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13-25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电。使风力发电机产生的电能变成化学能，然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。 叶片成本占风力发电机组总成本的20%左右，其原材料国产化是降低风机总造价的关键之一。据了解，风电机叶片是风电机组的重要组成部件之一其效能决定整机的发电效率。叶片研发时，既要考虑减轻叶片的重量，又要满足其强度与刚度要求。[1] 为确保在野外极恶劣环境中,长期不停、安全地运转,对风电机叶片的要求有: 1、比重轻且具有最佳的疲劳强度和机械性能,能经受住极端恶劣条件和随机的负荷的考验,确保安全运转10 年以上; 2、成本较低; 3、叶片的弹性、旋转时的惯性及其振动频率特性曲线都正常,传递给整个发电系统的负荷稳定性好; 4、耐腐蚀、紫外线(UV) 照射和雷击的性能好; 5、维护费用最低。[2] 在国家“十一五”“863”中的“研发兆瓦级风力发电机组风轮叶片原材料国产化”项目支持下，中材科技风电叶片股份有限公司等单位承担的“国产化原材料风轮机叶片设计机制造技术开发”等3个课题通过技术验收。在此3个课题中，研发人员既要考虑减轻叶片的重量，又要满足其强度与刚度要求。为此，他们开发了适用于兆瓦级风电机组风轮叶片的高性能真空灌注环氧树脂体系、高强高模E 玻璃纤维及其多轴向织物、高性能泡沫夹芯材料、环氧结构胶粘剂以及叶片表面保护涂料等新材料及技术，重点突破了兆瓦级叶片结构强度分析校级及国产化原材料评价等关键技术难关。 而在学术界，由郑州大学材料科学与工程学院的张娜等，联合俄亥俄州大学，纳米材料与生物分子研究中心等进行了“碳纳米纤维纸环氧复合材料对风力发电叶片的影响”的实验研究，并得出了最新的研究结论:碳纳米纤维纸环氧复合材料具有良好的界面结合，且纳米纤维纸的引入提高了玻纤增强环氧复合材料的玻璃化转变温度(从55度提高到63度)，从而改善了耐固体粒子的冲刷腐蚀性能，同时碳纳米纤维纸的加入改善了玻纤增强环氧复合材料的表面疏水性能(接触角从104度提高到131度)。 [3] 3(贮氢材料 4 贮氢材料是在适当的温度和压力下能大量可逆地吸收、释放氢的材料。在氢能系统中，贮氢材料作为氢的贮藏和输送的载体，是一种重要的候选材料。氢与贮氢材料的组合，将是21世纪新能源——氢能的开发与利用的最佳搭档。贮氢材料分为金属贮氢材料、非金属贮氢材料以及有机液体贮氢材料三大类。 ?金属贮氢材料 氢几乎可以和所有金属元素反应生成氢化物, 但是只有那些能在温和条件下大量可逆地吸收和释放氢的金属或合金氢化物才能用作贮氢材料。目前已开发 ; 锆、钛系Laves 相AB2 型; 钛系AB 型; 的金属贮氢材料可以分为稀土系AB5 型 镁系A 2B 型; 钒系固溶体型等几种。其中A 是指能与氢形成稳定氢化物的放热型金属;B 是指具有氢催化活性的吸热型金属。这些ABx 型金属, 当 x 由大变小时, 贮氢量有不断增大的趋势; 但与之相应的是反应速度减慢、反应温度增高、容易劣化。这类材料的贮氢量一般在 3(w t) % 以下, 无污染, 安全可靠。 ?非金属贮氢材料 从目前研究的情况看, 能大量可逆地吸放氢的非金属贮氢材料仅限于碳系材料、玻璃微球等。这些非金属贮氢材料如碳纳米管、石墨纳米纤维、高比表面积的活性炭、玻璃微球等贮氢均属于物理吸附型。也就是说, 利用其极大的活性比表面积, 在一定温度和压力下吸收大量氢气; 当提高温度或降低压力时, 则 可达 5(w t) %, 10(w 将氢气放出。这种贮氢材料的吸氢量均大于金属吸氢材料, t) % , 是很有前途的新型贮氢材料。 ?有机液体贮氢材料 某些有机液体, 在合适的催化剂作用下, 在较低压力、较高温度下可作氢载体, 达到贮存和输送氢的目的。其贮氢功能借助贮氢载体(如苯和甲苯等不饱和液体有机物) 与H 2 的可逆反应来实现, 贮氢量可达 7(w t) % 左右。[4] 理想的金属储氢材料应具备以下条件: 1、在不太高的温度下，储氢量大，释放氢量也大; 2、原料来源广，价格便宜，容易制备; 3、经多次吸、放氢，其性能不会衰减; 4、有较平坦和较宽的平衡压力平台区; 5、易活化，反应动力学性能好。 然而, 到目前为止, 那些在室温下容易释放氢的金属氢化物, 其可逆质量氢密度不超过 2% , 这对于用燃料电池的电动车以及一些新的应用显然是不够的。高比表面积活性炭、碳纤维及碳纳米管均可用于贮氢, 且贮氢量大, 但价格昂贵、产量低, 大规模进入商业应用还有一段路要走。国际能源协会 ( IEA ) 规定未来新型贮氢材料的标准为: 在低于 373K 下吸氢容量大于 5(w t) %。要达到这一标准, 还需全人类的共同努力。 4(镍氢电池和锂离子电池 一次电池使用后，回收不及时或处理不当，常随普通垃圾一起被丢弃或被填埋，造成资源浪费，同时电池中的重金属元素的泄漏也污染了当地的水体和土壤。因此，开发二次新型电池是必要的。常用的二次电池的充、放电反应是可逆的。而二次新型电池对环境的污染更小，可循环使用，性能优良，避免了一次电池的上述弊病。这些优势是导致二次新型电池迅速发展的主要原因推动力。下面将简要介绍镍氢电池和锂离子电池。 5 4.1(镍氢电池 4.1.1(镍氢电池基本简介 镍氢电池是有氢离子和金属镍合成。镍氢电池现主要应用于混合电动车。世界镍氢电池主要由中国和日本企业生产，大型电池主要由日本松下生产。镍氢电池广泛应用于移动通讯，便携式电脑，电动工具以及电动车辆。 镍氢电池的基本特点 下面是 1、重量方面——以每一个单元电池的电压来看，镍氢与镍镉都是1.2V，而锂电池却为3.6V，三者在输出同等电压情况下，重量由轻到重依次为锂电池>镍镉电池>镍氢电池。 2、记忆效应——镍氢电池与镍镉电池相同都有记忆效应,锂电池完全没有记忆效应，在使用上非常方便简单。 3、充电方式——镍氢电池及锂电池无法耐过充电。而锂电池则使用定电流、定电压方式充电最好。 4、容量问题——不同型号的电池，他的容量高，提供使用的时间越长，抛开体积和重量的因素，当然容量越高越好。但不在电池材料的改性上下文章，是不可 提高"电池容量的。 能真正" 4.1.2(镍氢电池电池材料 1、正极材料 Ni,MH电池的容量为正极所限制。影响球形Ni(OH)2正极材料性能的主要素有化学组成、粒径大小、粒径分布、结构缺陷和表面活性等，须进一步提高正极的放电容量和循环稳定性。 2、负极材料 研究表明，用于Ni,MH电池负极材料的储氢合金应满足下述条件: 1、电化学储氢容量高，在较宽的温度范围内不发生太大的变化; 2、在氢的阳极氧化电位范围内，储氢合金具有较强的抗阳极氧化能力; 3、在热碱电解质溶液中合金组分的化学性质相对稳定; 4、反复充放电过程中合金不易粉化，制成的电极能保持形状的稳定; 5、合金应有良好的电和热的传导性; 6、原材料成本低廉。 图1 镍氢电池充放电示意图 4.1.3(镍氢电池研究进展 目前研究的储氢合金负极材料主要有AB5型稀土镍系储氢合金、AB2型Laves 6 合金、AB型Ti-Ni系合金，A2B型镁基储氢合金以及V基固溶体等几种类型。上述5种类型的储氢合金中，AB5被最早应用于电极材料，对其研究也最为广泛;而AB2型、A2B型及固溶体因具有更高的容量正受到更多的研究。发展高功率和大容量电池始终是Ni,MH电池技术的研究热点。 4.2(锂离子电池 4.2.1( 锂离子电池基本简介 锂离子电池研究始于 20 世纪 80 年代，1991 年首先由日本索尼公司推出了批量民用产品。锂离子电池目前有液态锂离子电池(LIB)和聚合物锂离子电池(PLB)两类。其中液态锂离子电池按正极材料又可分为 LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4 等种类。由于锂离子电池具有比能量高、体积小、重量轻、工作电压高、循环寿命高、基本无记忆效应、无污染、自放电小等优点，受到市场欢迎并迅速占领市场，广泛用于移动通讯、笔记本电脑、移动 DVD、摄像机、数码相机、蓝牙耳机等便携式电子产品，大容量锂离子电池已在电动汽车中开始试用，预计它将成为 21 世纪电动汽车的主要动力电源之一，并将在人造卫星、航空航天和储能方面得到广泛应用。 4.2.2(锂离子电池充放电原理及其电池材料 锂离子电池实际上是一种锂离子浓差电池，正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成。充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富锂态，正极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极，保证负极的电荷平衡。放电时则相反，Li+ 从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态。在正常充放电的情况下，锂离子在层状结构的碳材料和层状结构氧化物的层间嵌入和脱出，一般只引起层面间距变化，不破坏晶体结构，在充放电过程中，负极材料的化学结构基本不变。因此，从充放电反应的可逆性看，锂离子电池反应是一种理想的可逆反应。 锂离子电池的工作电压与构成电极的锂离子嵌入化合物和锂离子浓度有关。目前，用作锂离子电池的正极材料是过渡金属和锰离子嵌入化合物，负极材料是锂离子嵌入碳化合物，常用的碳材料有石油焦和石墨等。 1、充放电原理 目前已商品化的锂离子电池正极是 LiCoO2，负极是层状石墨，电池的电化学表达式为 (-)C6|1mol?L-1LiPF6-EC+DEC|LiCoO2(+) ，电池的充放电反应为 LiCoO2+6C Li1-xCoO2+LixC6 7 图2 锂离子电池的充放电示意图 2、正极材料 锂离子电池的正极材料必须有能接纳锂离子的位置和扩散的路径。具有高插入点位层状结构的过渡金属氧化物LiCoO2、LiNiO2和尖晶石结构的LiMn2O4是目前已应用的性能较好的正极材料。这些正极的插锂电位都可达4V以上。LiCoO2、LiNiO2为层状晶体，六方晶胞，在晶体中，Li 离子处于 O构成的八面体空隙中。LiMn2O4晶体为尖晶石型，其结构如图 3 所示。为了扩展扩展锂离子脱嵌通道和稳定骨架结构，往往向晶体中掺入一定量的离子半径较大的金属离子，由于掺杂离子的离子半径较 Co、Ni 离子大，因此掺杂材料的晶胞参数比未掺杂材料的大，这在一定程度上扩充了锂离子迁移的三维通道，更有利于锂离子的嵌入与脱嵌，有效提高了锂离子电池的电化学循环可逆性及循环稳定性。 图3 LiMn2o4的尖晶石结构示意图 3、负极材料 锂离子电池的负极是将负极活性物质碳材料或非碳材料、粘合剂和添加剂混合制成糊状胶合剂均匀涂抹在铜箔两侧，经干燥、滚压而成。锂离子电池所采用的负极材料一般都是碳素材料，如石墨、软碳、硬碳等。正在探索的负极材料有氮化物、PAS、锡基氧化物、锡合金，以及纳米负极材料等。 碳负极对锂离子电池的性能有重要影响，常用正负极材料组合见表 2，从提高电池性能出发，选用的碳负极材料应符合以下要求:1.锂贮存量高;2.锂在碳中的嵌入-脱嵌反应快;3.锂离子在电极材料中的存在状态稳定;4.在电池的充放电循环中，碳负极材料体积变化小. 表 2 锂离子电池电极材料组合情况 正极材料 LiCoO2 LiCoO2 LiCoO2 LiNiO2 LiMn2O4 锡无定型氧负极材料 焦炭 石墨 石墨 石墨 化物 以石墨为例，锂离子在石墨中的存在状态如图 5，锂离子位于石墨层与层的间隙之中。 8 图4 锂离子在石墨晶体中位置的水平投影 4、电解液 电池的电解液对电池性能有重大影响，传统电池中，电解液均采用以水为溶剂的电解液体系，但是，由于水的理论分解电压只有 1.23V，即使考虑到氢和氧的超电势，以水为溶剂的电解液体系的电池的电压最高也只有 2V 左右。锂离子电池电压高达 3~4V，传统的水溶液体系显然已不再适应电池的需要，而必须采用非水电解液体系作为锂离子电池的电解液。目前，锂离子电池的电解液分为液体、固体和熔盐电解质三类，以有机点解液为主。常见的有机点解液有环状碳酸 锂离子电池使用的电解质盐有多种，一酯，环状醚，链状醚，链状碳酸酯等。 般阴离子半径大的锂盐最好，目前开发的无机阴离子导电盐有 LiBF4,LiPF6,LiAsF6等。以每一个单元电池的电压来看，镍氢与镍镉都是1.2V，而锂电池却为3.6V，锂电池的电压是其他两者的3倍。并且同型电池的重量锂电池与镍镉电池几乎相等，而镍氢电池却比较重。可知，每一个电池本身重量不同，但锂电池因3.6V高电压，在输出同等电压的情况下使的单个电池组合时数目可减少3分之1而使成型后的电池重量和体积减小。 4.2.3(锂离子电池的应用前景 随着21世纪微电子技术的发展，小型化设备日益增多，对电源提出了很高的要求。化学电源随之进入了大规模应用阶段。目前应用的可充电电池主要有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池。锂离子电池是目前世界上最为理想也是技术最高的可充电化学电池，与其他电池相比，锂离子电池的能量密度具有极大的优势。锂离子电池目前主要用于手机、手提电脑、摄像机、PDA 产品，未来将运用于电动自行车、航天航空、军事移动通信工具和设备以及电动汽车等领域，其需求量将越来越大。预计 5 年内，随着全球笔记本电脑、移动通信的发展，锂离子电池将会有上百亿只左右的市场。目前作为锂离子电池主要负极材料的石墨性能已经接近极限，新一代以锡系合金为负极材料的锂离子电池正在开发之中，若开发成功，则其中可充加的锂离子量将达到石墨的 10 倍以上，届时，锂离子电池的性能将跃上一个新的台阶，锂离子电源将得到更为广泛的利用。 9 图 5 目前应用的各种可充电电池能量密度比较 锂离子电池的发明和大规模应用改变了我们的生活，如今各行各业都在以各种方式应用着锂离子电池，随着锂离子电池技术的不断发展，未来还会有更多更先进的技术投入使用，锂离子电池的容量会更大，循环次数会更多，体积会更小，应用会更广泛，锂离子电池必将成为 21 世纪的重要能源之一。[5] 5(燃料电池 5.1(燃料电池的基本原理及组成 燃料电池是一种将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个 “发电厂”。 燃料电池通过氧与氢结合成水的简单电化学反应而发电。燃料电池的基本组成有:电极、电解质、燃料和催化剂。二个电极被一个位于这它们之间的、携带有充电电荷的固态或液态电解质分开。在电极上，催化剂，例如白金，常用来加速电化学反应。燃料可以是H2、CH4、CH3OH、CO等，氧化剂一般是氧气或空气，电解质可为水溶液(H2SO4、H3PO4、NaOH等)、熔融盐(NaCO3、K2CO3)、固体聚合物、固体氧化物等。燃料和氧化剂由电池外部分别供给电池的阳极和阴极，阳极发生燃料的氧化反应，阴极发生氧化剂的还原反应，电解质将两电极隔开， 发电时，燃燃料和氧化剂由电池外部分别供给电池的阳极和阴极，阳极发生燃料的氧化反应，阴极发生氧化剂的还原反应，电解质将两电极隔开，导电离子在电解质内移动，电子通过外电路做功并构成电的回路。与普通电池不同的是，只要能保证燃料和氧化剂的供给，燃料电池就可以连续不断地产生电能。 10 5.2(燃料电池的分类 按电解质划分，燃料电池大致上可分为五类:?质子交换膜燃料电池?碱性燃料电池?磷酸燃料电池?溶化的碳酸盐燃料电池?固态氧化物燃料电池 ?质子交换膜燃料电池 工作时，氢在阳极被转变成氢离子 的同时释放出电子，电子通过外电路回 到电池阴极，与此同时，氢离子则通过 电池内部高分子膜电解质到达阴极。在 阴极，氧气转变为氧原子，氧原子得到 从阳极传过来的电子变成氧离子，和氢 离子结合生成水。每个电池能产生约0.7 伏的电，驱动一辆汽车则需要约300伏的 电力为了得到更高的电压，将多个单个 的电池串联起来便可形成人们称做的燃 料电池存储器。 质子交换膜燃料电池工作原理示意图 图7 ?碱性燃料电池 碱性燃料电池是该技术发展最快的一种电池，主要为空间任务，包括航天飞机提供动力和饮用水。碱性燃料电池的设计基本与质子交换膜燃料电池相似，但其使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质。电化学反应: 碱性燃料电池的工作温度大约80?。因此启动很快，但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍，在汽车中使用显得笨拙。不过，碱性燃料电池是燃料电池中生产成本最低的，因此可用于小型的固定发电装置。 ? 磷酸燃料电池 磷酸燃料电池是当前商业化发展得最快的一种燃料电池。使用液体磷酸为电解质。磷酸燃料电池的工作温度要位于150 -200?左右，需电极上的白金催化剂或镍金属来加速反应。磷酸燃料电池的效率比其它燃料电池低，约为40%，其加热的时间也比质子交换膜燃料电池长。优点是构造简单，稳定，电解质挥发度低等。 ?溶化的碳酸盐燃料电池 溶化的碳酸盐燃料电池与上述讨论的燃料电池差异较大，这种电池不是使用溶化的锂钾碳酸盐就是使用锂钠碳酸盐作为电解质。当温度加热到650?时，这种盐就会溶化，产生碳酸根离子，从阴极流向阳极，与氢结合生成水，二氧化碳和电子。电子然后通过外部回路返回到阴极，在这过程中发电。 ?固态氧化物燃料电池 固态氧化物燃料电池工作温度比溶化的碳酸盐燃料电池的温度还要高，其工作温度位于800-1000?之间。在这种燃料电池中，当氧阳向离子从阴极移动到阳极氧化燃料气体(主要是氢和一氧化碳的混合物)使便产生能量。阳极生成的电子通过外部电路移动返回到阴极上，减少进入的氧，从而完成循环。固态氧化物 11 燃料电池对目前所有燃料电池都有的硫污染具有最大的耐受性。由于它们使用固态的电解质，这种电池比溶化的碳酸盐燃料电池更稳定。固态氧化物燃料电池的效率约为60%左右，具有为车辆提供备用动力的潜力。 5.3(燃料电池的优缺点 燃料电池运行时必须使用流动性好的气体燃料。低温燃料电池要用氢气，高温燃料电池可以直接使用天然气、煤气。目前，使用燃料电池面临的主要问题: 1、氢气储存技术不满足时代需求，氢燃料基础建设不足。 2、燃料电池造价偏高，燃料电池系统投资额较高。 3、氢气是易燃气体，使用时易泄露，易爆炸。 燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，洁净、无污染、噪声低，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。 6. 新能源材料有待解决的课题 1、提高能量的利用率和转换; 2、资源的合理利用; 3、安全与环境保护; 4、材料规模生产工艺与设备; 5、延长材料的使用寿命。 7.参考文献: [1]王进.兆瓦级风机叶片原材料国产化见曙光[I].中国船舶报，2013年/7月/3日.第007版. [2]董永棋.国外风力发电机FRP叶片近况[J].2001年9月.纤维复合材料[M]第3期46. [3]张娜，龙春光等.碳纳米纤维纸环氧复合材料对风力发电叶片的影响[J].国家自然科学基金(11172271)和937项目(2012CB025904). [4]袁华堂，邹雅冰等. 贮氢材料及其应用研究进展[M].化学通报. 2004年第12期 [5]赵东江,马松艳，新型储氢材料的研究进展[M].应用化工.2010年3月.1671-3206(2010)03-0427-05 [6]陈硕冰，徐林楠.锂离子电池的原理及应用[M] 12