第一篇：燃料電池材料及其儲(chǔ)能技術(shù)

燃料電池材料及其儲(chǔ)能技術(shù)

姓名：李浩杰

學(xué)號(hào)：2014050101018

摘要：出于對(duì)環(huán)境友好、高轉(zhuǎn)換效率、高功率、高能量密度的能源技術(shù)的需求，世界各國紛紛開展對(duì)于性能優(yōu)良的燃料電池的研究。其研究重點(diǎn)主要集中在四個(gè)方面：電解質(zhì)膜、電極、燃料、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其中又以前三個(gè)為熱點(diǎn)。目前，由于在燃料大規(guī)模制備上的困難以及其在工作時(shí)需要的一些昂貴的貴金屬，燃料電池大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用受到一定限制。關(guān)鍵字：燃料電池、電解質(zhì)膜、儲(chǔ)能

一、燃料電池原理

燃料電池是一種使用燃料進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的裝臵。所用的燃料主要包括氫氣、甲醇、乙醇、天然氣、汽油以及一些含氫有機(jī)物。氫氣可以直接作為燃料電池的燃料，其他氣體一般需要處理為含氫氣的重整氣。由于其燃料來源廣泛，發(fā)電后產(chǎn)生純水和熱，能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)80%~90%，對(duì)環(huán)境無污染，所以廣泛受到各國科學(xué)家的關(guān)注，被認(rèn)為是繼火電、水電、核電之后的第四代發(fā)電方式。

燃料電池的工作原理圖如上所示。在陽極，氫氣與堿中氫氧根的在電催化劑的作用下，發(fā)生氧化反應(yīng)生成水和電子：

電子通過外電路到達(dá)陰極，在陰極電催化劑的作用下，參與氧的還原反應(yīng)：

生成的氫氧根通過多孔石棉膜遷移到氫電極。

為保持電池連續(xù)工作，除需與電池消耗氫氣、氧氣等速地供應(yīng)氫氣和氧氣外，還需連續(xù)、等速地從陽極（氫電極）排出電池反應(yīng)生成的水，以維持電解液濃度的恒定；排除電池反應(yīng)的廢熱以維持電池工作溫度的恒定。

容易看出，與其他電池相比，燃料電池內(nèi)部并不儲(chǔ)能，它只是高效地將從外部源源不斷通入的燃料轉(zhuǎn)換成電能，所以，它更像是一個(gè)微型的發(fā)電站。

二、燃料電池發(fā)展歷程

1、國外

1839年，格羅夫發(fā)表世界上第一篇關(guān)于燃料電池的報(bào)告。初期的燃料電池使用氣體為氧化劑和燃料，但因?yàn)闅怏w在電解質(zhì)溶液中溶解度很小，導(dǎo)致電池的工作電流密度極低。后來，多孔氣體擴(kuò)散電極和電化學(xué)反應(yīng)三相界面概念的提出以及實(shí)際材料的突破，使燃料電池具備了走向?qū)嵱没谋貍錀l件。

60年代，由于載人航天器對(duì)于大功率、高比功率與高比能量電池的迫切需求，燃料電池開始引起一些國家與軍工部門的高度重視。其典型成果為阿波羅登月飛船上的主電源—培根型中溫氫氧燃料電池。

70~80 年代，由于出現(xiàn)世界性的能源危機(jī)和燃料電池在航天上成功應(yīng)用及其高的能量轉(zhuǎn)化效率，促使世界上以美國為首的發(fā)達(dá)國家大力支持民用燃料電池的開發(fā)，進(jìn)而使磷酸型及熔融碳酸鹽型燃料電池發(fā)展到兆瓦級(jí)試驗(yàn)電站的階段。

20世紀(jì)90年代以來，出于可持續(xù)發(fā)展、保護(hù)地球、造福子孫后代等目的，基于質(zhì)子交換膜的燃料電池開始高度發(fā)展。特別是在電動(dòng)車行業(yè)，世界上所有的大汽車公司與石油公司均已介入燃料電池汽車的開發(fā)。

總的來說，燃料電池主要經(jīng)歷了經(jīng)歷了第1代堿性燃料電池（AFC），第2代磷酸燃料電池（PAFC），第3代熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）后，在20世紀(jì)80年代迅速發(fā)展起了新型固體氧化物燃料電池(SOFC)。

2、國內(nèi)

中國燃料電池的研究始于1958年。

1970年前后,開始了燃料電池產(chǎn)品開發(fā)工作并在70年代形成了燃料電池產(chǎn)品的研制高潮。主要開發(fā)項(xiàng)目是由國家投資的航天用堿性氫氧燃料電池,該產(chǎn)品的研制目標(biāo)是為了配合中國航天技術(shù)發(fā)展計(jì)劃的一個(gè)項(xiàng)目。

到70年代末,由于總體計(jì)劃的變更而中止。但與該項(xiàng)計(jì)劃實(shí)施的同時(shí),一些由地方政府投資與使用部門合作的應(yīng)用堿性燃料電池項(xiàng)目也進(jìn)行了開發(fā)，只是尚未形成應(yīng)用。

80年代初、中期,中國燃料電池的研究及開發(fā)工作處于低潮。

進(jìn)入90年代以來,在國外先進(jìn)國家燃料電池技術(shù)取得巨大進(jìn)展,一些產(chǎn)品已進(jìn)入準(zhǔn)商品化階段的形勢(shì)影響下,中國又一次掀起了燃料電池研究開發(fā)熱潮。

三、幾種燃料電池簡介

1、分類

（1）按燃料電池的運(yùn)行機(jī)理可分為酸性燃料電池和堿性燃料電池。

（2）按電解質(zhì)的種類不同，燃料電池可分為堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池等。在燃料電池中，磷酸燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池可以冷起動(dòng)和快起動(dòng)，可以作為移動(dòng)電源，滿足特殊情況的使用要求，更加具有競爭力。

（3）按燃料類型分，有氫氣、甲烷、乙烷、丁烯、丁烷和天然氣等氣體燃料；甲醇、甲苯、汽油、柴油等有機(jī)液體燃料。有機(jī)液體燃料和氣體燃料必須經(jīng)過重整器“重整”為氫氣后，才能成為燃料電池的燃料。（4）按燃料電池工作溫度分，有低溫型，工作溫度低于200℃；中溫型，工作溫度為200～750℃；高溫型，工作溫度高于750℃。

上圖為幾種常見燃料電池各種性能，應(yīng)用環(huán)境的簡單對(duì)比，現(xiàn)主要以電解質(zhì)分類形式介紹幾種常見的燃料電池。

2、質(zhì)子交換膜燃料電池

質(zhì)子交換膜燃料電池是最接近商業(yè)化的一種燃料電池，最有希望作為未來電動(dòng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)。在各種燃料電池中，它的工作溫度是最低的，也是目前發(fā)展規(guī)模最大的一種。

上圖為典型的單結(jié)質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)。由質(zhì)子交換膜、催化層、氣體擴(kuò)散層、密封圈、雙極板等關(guān)鍵部件組成。通常以全氟磺酸型質(zhì)子交換膜為電解質(zhì)膜，用Pt/C或者PtRu/C作為催化劑。以陰陽極催化劑層和電解質(zhì)膜所組成的三合一組件統(tǒng)稱為膜電極，是 它的核心部件。

實(shí)際應(yīng)用的燃料電池電站是一個(gè)很復(fù)雜的系統(tǒng)，它包括燃料供應(yīng)、氧化劑供應(yīng)、電池反應(yīng)、水熱管理等多個(gè)子系統(tǒng)。

它的工作原理是是氫氣和氧化劑分別由燃料電池的陽極和陰極流道進(jìn)入電池內(nèi)部，經(jīng)過氣體擴(kuò)散層后到達(dá)電極催化層。陽極側(cè)的氫氣在催化劑的作用下，解離成氫離子和電子，氫離子穿過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極側(cè)，電子則經(jīng)過外電路形成電流后到達(dá)陰極；在陰極催化劑的作用下，氧氣接受質(zhì)子和電子生成水分子，在整個(gè)過程中，外電路的電子流動(dòng)形成電流。

目前限制質(zhì)子交換膜燃料電池進(jìn)入商業(yè)化的最主要原因是成本和壽命兩大問題，尋找和開發(fā)新型材料成為解決這兩大問題、推進(jìn)商業(yè)化進(jìn)程的必然選擇，也是質(zhì)子交換膜燃料電池近些年來的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

3、熔融碳酸鹽燃料電池

熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）在高溫下工作（約 650℃），可以利用排氣余熱和燃?xì)廨啓C(jī)混合發(fā)電，發(fā)電效率通常高達(dá)50%以上，,可用多種燃料(如天然氣和煤)，不需要用鉑等貴重金屬作為催化劑，有望應(yīng)用到中心電站，工業(yè)化或商業(yè)化聯(lián)合發(fā)電，是目前燃料電池研究的主流之一，上圖為平板式熔融碳酸鹽燃料電池單體結(jié)構(gòu)示意。它由電極-電解質(zhì)、燃料流通道、氧化劑流通道和上下隔板組成。目前,MCFC的主要技術(shù)問題已經(jīng)基本解決。美國、日本等正在進(jìn)行十萬瓦和兆瓦級(jí)的實(shí)用演示試驗(yàn),預(yù)計(jì)距商業(yè)化為期不遠(yuǎn)。

4、固體氧化物燃料電池

固體氧化物燃料電池是20世紀(jì)八九十年代燃料電池研究的成果，該燃料電池具有諸多優(yōu)點(diǎn)。比如避免了使用液態(tài)電解質(zhì)所帶來的腐蝕和電解質(zhì)流失等問題，反應(yīng)迅速，無須貴金屬催化劑，能量利用率高達(dá)80%以上，燃料廣泛，可以承受較高濃度的硫化物和CO的毒害，因此對(duì)電極的要求大大降低?；诖?，目前世界各國都在積極投入SOFC技術(shù)的研發(fā)。

上圖為固體氧化物燃料電池的工作原理圖。它主要由陰極、陽極、電解質(zhì)和連接材料組 成。在陽極和陰極分別送入還原、氧化氣體后，氧氣在多孔的陰極上發(fā)生還原反應(yīng)，生成氧負(fù)離子。氧負(fù)離子在電解質(zhì)中通過氧離子空位和氧離子之間的換位躍遷達(dá)到陽極，然后與燃料反應(yīng)，生成水和二氧化碳，因而形成了帶電離子的定向流動(dòng)。

四、燃料電池的應(yīng)用

1、航天領(lǐng)域

早在上個(gè)世紀(jì)60年代，燃料電池就成功地應(yīng)用于航天技術(shù)，這種輕質(zhì)、高效的動(dòng)力源一直是美國航天技術(shù)的首選。比如，以燃料電池為動(dòng)力的 Gemini宇宙飛船1965年研制成功，采用的是聚苯乙烯磺酸膜，完成了8天的飛行。后來在Apollo宇宙飛船采用了堿性電解質(zhì)燃料電池，從此開啟了燃料電池航天應(yīng)用的新紀(jì)元。

中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所早在70年代就成功研制了以航天應(yīng)用為背景的堿性燃料電池系統(tǒng)。A型額定功率為 500 W，B型額定功率為 300 W，燃料分別采用氫氣和肼在線分解氫，整個(gè)系統(tǒng)均經(jīng)過環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)，接近實(shí)際應(yīng)用。這一航天用燃料電池研制成果為我國此后燃料電池在航天領(lǐng)域應(yīng)用奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

2、潛艇

燃料電池作為潛艇AIP動(dòng)力源，從2002年第一艘燃料電池AIP潛艇下水至今已經(jīng)有6艘在役。FC-AIP 潛艇具有續(xù)航時(shí)間長、安靜、隱蔽性好等優(yōu)點(diǎn)，通常柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的潛艇水下一次潛航時(shí)間僅為 2天，而FC-AIP潛艇一次潛航時(shí)間可達(dá)3周。

3、電動(dòng)汽車

隨著汽車保有量的增加，傳統(tǒng)燃油內(nèi)燃機(jī)汽車造成的環(huán)境污染日益加劇，同時(shí)，也面臨著對(duì)石油的依存度日益增加的嚴(yán)重問題．燃料電池作為汽車動(dòng)力源是解決因汽車而產(chǎn)生的環(huán)境、能源問題的可行方案之一。燃料電池汽車示范在國內(nèi)外不斷興起，較著名的是歐洲城市清潔交通示范項(xiàng)目。

4、固定式分散電站

污染重、能效低一直是困擾火力發(fā)電的核心問題，燃料電池作為低碳、減排的清潔發(fā)電技術(shù)，受到國內(nèi)外的普遍重視。比如PAFC電站的代表性開發(fā)商UTC Power 公司已經(jīng)開發(fā)出了400 k W 磷酸燃料電池發(fā)電系統(tǒng)；PEMFC電站的代表性開發(fā)商Ballard 公司開發(fā)出了 250 k W ～ 1 MW的示范電站。

第二篇：燃料電池技術(shù)

燃料電池技術(shù)

發(fā) 展 動(dòng) 態(tài)

北京天恒可持續(xù)發(fā)展研究所

2000年7月

目錄

為開發(fā)生物質(zhì)燃料電池，ERC在中國建立合資企業(yè).........................................................................3 通用電氣公司和PLUG POWER公司將提供住宅用燃料電池..........................................................3 燃料電池機(jī)車比傳統(tǒng)電氣化鐵路的經(jīng)濟(jì)性更好嗎？...........................................................................3 09/15/98Texaco公司說：“傳統(tǒng)”石油公司將被淘汰。

休斯敦-據(jù)路透社報(bào)道，Texaco主席兼首席執(zhí)行官Peter Bijur在出席在休斯敦召開的世界能源理事會(huì)第17次會(huì)議上發(fā)表這番評(píng)論說：“傳統(tǒng)石油公司的日子已經(jīng)屈指可數(shù)了，其中一個(gè)原因是諸如燃料電池的先進(jìn)技術(shù)不斷涌現(xiàn)?！薄拔蚁嘈盼覀冋谂c傳統(tǒng)石油公司共度最后時(shí)光”，Bijur說。他認(rèn)為當(dāng)前石油工業(yè)面臨的壓力來自于新的運(yùn)輸技術(shù)，例如用燃料電池驅(qū)動(dòng)運(yùn)輸車輛，而不再使用汽油，以及那些據(jù)Bijur預(yù)計(jì)“將對(duì)自然資源加強(qiáng)控制”的國家。他預(yù)測(cè)，未來的石油公司提供更多的專業(yè)技術(shù)，而不是在新地方開采石油。Bijur說：“一個(gè)石油公司的價(jià)值將不再是其儲(chǔ)量的價(jià)值，而是其技術(shù)的價(jià)值?！?/p>

Energy Partners公司發(fā)布其第一個(gè)燃料電池組

Energy Partners公司最近向燃料電池研究開發(fā)市場介紹了其研制的NG2000型先進(jìn)質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池組，并向Virginia Tech公司提供了NG2000-20燃料電池組，這個(gè)電池組的功率為20千瓦，將安裝在混合動(dòng)力汽車(HEV)上。Energy Partners公司的質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)和Virginia Tech公司的混合動(dòng)力汽車將參加1999年6月美國能源部的未來汽車的挑戰(zhàn)展示會(huì)。該燃料電池公司還宣布將提供5千瓦、10千瓦和20千瓦的型號(hào)以滿足燃料電池測(cè)試、開發(fā)和示范項(xiàng)目的需求。Energy Partners公司希望在明年早些時(shí)候推出新型的NG2000可變?nèi)剂想姵亟M。(BUSINESS WIRE: 10/15)

Edison Technology Solutions對(duì)燃料電池與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行示范 洛杉磯-Edison Technology Solutions是Edison國際公司的一個(gè)下屬單位，4 也是南加利福尼亞Edison公司的母公司。上個(gè)星期三，該公司宣布他們研究開發(fā)成功功率為250千瓦的聯(lián)合發(fā)電站。公司說這個(gè)發(fā)電站將把燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)合在一起。這種發(fā)電站的成本比單純的燃料電池系統(tǒng)低，而效率是單純的微型燃?xì)廨啓C(jī)的兩倍。Edison Technology公司總裁Vikram Budhraja在說明中說：“最根本的改變?cè)谟诎l(fā)電過程，原有的規(guī)模效益被制造效益取代?！彼€說，由于效率提高意味著燃料成本降低并能夠防止價(jià)格波動(dòng)，同時(shí)排放減少將減輕當(dāng)?shù)氐年P(guān)注程度，小規(guī)模的發(fā)電站將能夠吸引大批的用戶。該公司宣布第一個(gè)發(fā)電站由200千瓦增壓固體氧氣燃料電池和50千瓦使用天然氣為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)組成，并將于1999年中期安裝在加利福尼亞大學(xué)。(C)Reuters Limited 1998.東芝和UTC聯(lián)合開發(fā)燃料電池技術(shù)

東芝公司將與美國的聯(lián)合技術(shù)公司(UTC)合作開發(fā)用于電動(dòng)汽車的小型燃料電池。這兩個(gè)公司已經(jīng)在美國建立了合資企業(yè)，并希望在2003年以前能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化。新公司為國際燃料電池公司，其90%的股份由飛機(jī)零部件制造商UTS掌握，其余部分由東芝公司掌握。兩公司宣布這個(gè)建于康涅狄格州的合資企業(yè)在2000年以前將開發(fā)功率為50千瓦的小型節(jié)能燃料電池。東芝公司和UTC已經(jīng)合作開發(fā)了用作工廠或辦公樓發(fā)電機(jī)的200千瓦燃料電池。早時(shí)候的公司還為美國國家航空和宇宙航行局提供了航天飛機(jī)上使用的燃料電池。東芝公司說未來10年內(nèi)燃料電池驅(qū)動(dòng)汽車市場的年銷售額預(yù)計(jì)將達(dá)到8,000億日元(55億美元)。據(jù)稱，新型燃料電池的效率為汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的兩倍。(ASIA PULSE: 8/2)

福特、Ballard和戴姆勒-奔馳成立新合資公司

福特、Ballard和戴姆勒-奔馳三家公司公布了其聯(lián)合企業(yè)的新名稱和標(biāo)志，這個(gè)聯(lián)合企業(yè)將為燃料電池汽車的汽車開發(fā)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。去年4月，福特、Ballard動(dòng)力系統(tǒng)和戴姆勒宣布建立全球聯(lián)盟，旨在成為在全世界范圍內(nèi)領(lǐng)先的燃料電池驅(qū)動(dòng)轎車、卡車和大客車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)和配件的生產(chǎn)商，Ecostar是 5 那時(shí)建立的兩個(gè)企業(yè)之一。新的合作企業(yè)將為電池驅(qū)動(dòng)和混合動(dòng)力汽車開發(fā)先進(jìn)的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以及非汽車方面應(yīng)用，如固定式的發(fā)電站。公司宣布他們的目標(biāo)是建立生產(chǎn)這些配件的基地并最終實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。福特是Ecostar公司的主要持股人，而Ballard擁有21%的股份，戴姆勒-奔馳擁有17%。DDB燃料電池發(fā)電機(jī)GmbH公司是合資企業(yè)中的第二個(gè)，主要持股人是戴姆勒-奔馳公司，而Ballard和福特分別擁有27%和22%的股份。DDB公司負(fù)責(zé)開發(fā)燃料電池系統(tǒng)。福特、Ballard和戴姆勒-奔馳三家公司一共已經(jīng)為聯(lián)盟投資超過7億美元，其中福特公司投入4.2億美元的現(xiàn)金、技術(shù)和資產(chǎn)。該公司宣布其目標(biāo)為在2004年之前使燃料電池動(dòng)力系能夠支持燃料電池汽車的商業(yè)化生產(chǎn)。(FORD RELEASE: 8/6)

殼牌公司計(jì)劃開發(fā)氫技術(shù)

殼牌(英國)有限公司的主席兼首席執(zhí)行官Chris Fay說，殼牌(英國)有限公司支持對(duì)氫作為運(yùn)輸燃料的開發(fā)，并已經(jīng)決定投入資金對(duì)氫驅(qū)動(dòng)汽車技術(shù)進(jìn)行研究。Chris Fay 說：“殼牌公司已經(jīng)與其它公司合作建立了專門研究氫生產(chǎn)和新型燃料電池技術(shù)的發(fā)展機(jī)會(huì)的氫經(jīng)濟(jì)研究小組?！彼€說：“我們相信氫燃料電池驅(qū)動(dòng)的汽車很可能會(huì)在2005年之前進(jìn)入歐洲和美國的汽車市場”?！霸跉づ乒?，我們確信，氫與液化氣類似，代表著明天的燃料?！钡聡鴮汃R汽車公司也同意殼牌在支持氫作為替代推進(jìn)系統(tǒng)的首選燃料的立場。寶馬公司已經(jīng)示范了一個(gè)自動(dòng)化加注高度冷卻液氫的加油站。ZEVCO 報(bào)紙?jiān)u論說：“殼牌石油公司正在開始其應(yīng)用于運(yùn)輸行業(yè)的氫氣供應(yīng)和銷售的業(yè)務(wù)?！薄斑@標(biāo)志著氫不再僅僅是一種工業(yè)氣體，也將成為(運(yùn)輸)燃料，而且隨著生產(chǎn)成本降低，大規(guī)模生產(chǎn)也將呼之欲出?！?HART'S EUROPEAN FUELS NEWS: 8/5)

殼牌公司和戴姆勒-奔馳汽車公司聯(lián)合研究氫驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車

殼牌公司最近宣布將與戴姆勒-奔馳公司的一個(gè)子公司合作開發(fā)新一代氫燃料汽 6 車。殼牌公司希望利用DDB燃料電池發(fā)電機(jī)GmbH 中采用的燃料電池新技術(shù)把氫氣轉(zhuǎn)化為電能并用于未來的電動(dòng)汽車中。這兩個(gè)公司在聲明中說：“結(jié)果將是汽車既具有燃料電池動(dòng)力所帶來的環(huán)保優(yōu)勢(shì)，又能夠方便地在已有的加油站中添加燃料?！睔づ乒菊谠囼?yàn)把DDB燃料電池與本公司的可以把液體燃料轉(zhuǎn)化為富氫氣體的催化劑部分氧化技術(shù)相結(jié)合。殼牌公司相信燃料電池可以象汽油和柴油一樣驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，而且排放和噪音都很小。殼牌公司說：“戴姆勒-奔馳公司已經(jīng)開發(fā)了使用車載氫氣為燃料的汽車和使用在汽車內(nèi)部甲醇轉(zhuǎn)化的氫氣為燃料的汽車?！?REUTERS: 8/17)

美國通用汽車公司與Ballard動(dòng)力系統(tǒng)公司簽訂協(xié)議

作為正在進(jìn)行的燃料電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的研究開發(fā)項(xiàng)目的一部分，通用汽車公司最近為Ballard動(dòng)力系統(tǒng)公司提供了價(jià)值70萬美元的協(xié)議。Ballard公司總裁Firoz Rasul 說：“Ballard公司珍視與通用汽車公司目前的關(guān)系，購買燃料電池測(cè)試設(shè)備和相關(guān)服務(wù)表明通用汽車公司對(duì)燃料電池汽車的一貫興趣和貢獻(xiàn)?！盉allard公司的燃料電池可以把天然氣、甲醇或氫燃料在不經(jīng)過燃燒的情況下轉(zhuǎn)化為電能，在過程中不產(chǎn)生任何污染排放。(BALLARD RELEASE: 8/14)

電力公司建設(shè)歐洲第一座質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電站

四個(gè)德國電力公司和一個(gè)法國電力公司將于明年在德國柏林建設(shè)歐洲第一個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電站。這座250千瓦的發(fā)電站將在1999年下半年安裝，并預(yù)計(jì)在安裝另一套熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備后馬上開始發(fā)電。發(fā)電站將由法國GEC Alsthom公司的德國子公司Alstom Energietechnik建設(shè)和安裝，法國GEC Alsthom公司在今年早些時(shí)候與Ballard發(fā)電系統(tǒng)公司建立了伙伴關(guān)系。另外，漢堡的HEW公司，漢諾威的PreussenElektra公司，柏林的VEAG公司和Bewag公司，法國巴黎的Electricite公司也將參加這個(gè)項(xiàng)目。這個(gè)投資417萬美元的項(xiàng)目將建在原東德所屬柏林的Treptowq區(qū)的一個(gè)熱力發(fā)電站旁邊。根據(jù)HEW公司提供的信息，歐盟將負(fù)擔(dān)項(xiàng)目總投資額的40%。Bewag公司說在歐洲其它 地區(qū)也將建設(shè)燃料電池發(fā)電站。這個(gè)公司說，五個(gè)電力公司將“鼓勵(lì)在示范項(xiàng)目框架內(nèi)的燃料電池開發(fā)”，在柏林的這個(gè)項(xiàng)目是多公司合作研究的第一個(gè)項(xiàng)目。(HYDROGEN & FUEL CELL LETTER: SEPTEMBER 1998)

NABI將引進(jìn)燃料電池公共汽車

北美公共汽車工業(yè)(NABI)宣布其將在明年向公眾展示新一代用先進(jìn)材料建造并由天然氣燃料電池驅(qū)動(dòng)的輕型公共汽車。預(yù)計(jì)于明年5月在美國面世的燃料電池公共汽車將包括長度為40英尺的低頂公共汽車、45英尺長的長途汽車，和長度為30英尺的低頂混合動(dòng)力公共汽車，這些型號(hào)都由使用壓縮天然氣為燃料的燃料電池來驅(qū)動(dòng)。(NATURAL GAS FUELS: SEPTEMBER 1998)

燃料電池汽車－下一代 競賽正在繼續(xù)。全世界的汽車生產(chǎn)商都在開發(fā)無污染排放的新型發(fā)動(dòng)機(jī)。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)看起來處于領(lǐng)先地位。美國通用汽車公司的全球替代推進(jìn)中心主任Byron McCormick說：“在所有技術(shù)之中，燃料電池汽車看起來是最有發(fā)展前途的，很有可能成為下一代批量生產(chǎn)的汽車?！贝髂防?奔馳汽車公司和通用汽車公司的燃料電池汽車都使用液體甲醇為燃料，把甲醇轉(zhuǎn)化為氫氣并通過燃料電池發(fā)電來驅(qū)動(dòng)汽車。另外，兩種汽車都有車載制氫設(shè)備和電池。豐田汽車公司及其競爭對(duì)手本田汽車公司都計(jì)劃在2003年之前把燃料電池汽車投放市場。汽車生產(chǎn)商一致認(rèn)為氫燃料電池汽車的性能與傳統(tǒng)汽車近似，但是效率更高，而且沒有污染排放。但是，燃料電池的成功將取決于其成本。戴姆勒-奔馳汽車公司的發(fā)言人說：“我們的目標(biāo)是在2004年能夠把成本可以與柴油機(jī)汽車相競爭的燃料電池汽車商業(yè)化。我們發(fā)現(xiàn)消費(fèi)者不愿意為環(huán)保原因而支付額外費(fèi)用，他們的決定取決于成本。”(REUTERS: 9/17)

日本公司開發(fā)燃料電池汽車

利于環(huán)保的先進(jìn)技術(shù)汽車的未來應(yīng)該包括燃料電池，尤其是當(dāng)燃料電池變得更小、效率更高時(shí)。世界上的汽車制造商準(zhǔn)備最早在2004年推出燃料電池汽車，8 日本Asahi 化學(xué)工業(yè)公司和日產(chǎn)汽車公司取得的技術(shù)進(jìn)步將使燃料電池汽車成為現(xiàn)實(shí)。燃料電池汽車技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)包括尺寸和效率。一般來說，當(dāng)燃料電池的尺寸縮小到適合于汽車時(shí)，其動(dòng)力輸出只有汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的一半。Asahi化學(xué)工業(yè)公司與Dow化學(xué)公司合作，已經(jīng)開發(fā)出一種方法能夠把燃料電池的單位體積發(fā)電功率提高一倍。這種技術(shù)利用了改進(jìn)的電極材料，而且對(duì)單個(gè)電池的測(cè)試表明一個(gè)小的電池組可以提供與傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)相等的動(dòng)力。日產(chǎn)汽車公司開發(fā)了一種當(dāng)置于電極之間可以加快燃料電池內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的特殊聚合膜。這種膜幾乎可以把氫離子的運(yùn)動(dòng)速度提高一倍，這樣就可以把燃料電池的總體尺寸降低，而又不犧牲動(dòng)力輸出。另外，Asahi化學(xué)工業(yè)公司與Noguchi研究所合作已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了解決一氧化碳雜質(zhì)問題的辦法，即使一氧化碳的濃度只有100ppm，燃料電池動(dòng)力輸出也會(huì)降低一半。公司已經(jīng)開發(fā)成功了可以把用于發(fā)電的氫氣中一氧化碳雜質(zhì)完全消除的特殊催化劑。(ASIA PULSE: 9/24)

Medis El公司將獲得燃料電池技術(shù)

Medis El有限公司最近宣布其子公司將從兩個(gè)以色列科學(xué)家那里獲得極其先進(jìn)的用于移動(dòng)電話、傳呼設(shè)備和計(jì)算機(jī)、并最終能夠應(yīng)用于汽車的燃料電池技術(shù)。如果一切順利，這兩個(gè)發(fā)明家及其助手將獲得Medis El有限公司這家子公司的30%股份。發(fā)明者之一，Mikhael Khidekel在前蘇聯(lián)開發(fā)并生產(chǎn)了高導(dǎo)電性聚合體(HECP)。他還開發(fā)了一種新型的據(jù)稱延展性極好的高導(dǎo)電性聚合體,使用這種材料可以降低燃料電池中電極設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的重量和體積。Medis El公司說，另一個(gè)發(fā)明者Gannady Finkelstein開發(fā)了可以大幅度降低鉑涂層材料但又能夠保持高質(zhì)量的燃料電池電極電鍍過程。公司表示要采用其在以色列航空工業(yè)(IAI)開發(fā)的航天密封技術(shù)方面的科學(xué)知識(shí)來解決燃料電池泄漏的問題。燃料電池將在Medis El公司的主要持股人以色列航空工業(yè)擁有的工廠進(jìn)行開發(fā)。Medis El公司主席Robert Lifton說：“為開發(fā)應(yīng)用于電動(dòng)汽車、家庭和其它用途的燃料電池已經(jīng)投入了上億美元，我們相信Khidekel教授和Finkelstein工程師開發(fā)的高導(dǎo)電性聚合體和先進(jìn)的電鍍技術(shù)加上Medis El公司的自身能力將有助 于燃料電池在所有這些方面應(yīng)用的發(fā)展?！?聯(lián)系人: Robert Lifton, Medis El, 電話：212-935-8484.(MEDIS EL RELEASE: 9/28)

APCI公司和HCI公司開發(fā)氫氣加油站

氣體產(chǎn)品和化學(xué)有限公司(APCI)與氫氣開發(fā)有限公司(HCI)合作，為芝加哥的燃料電池公共汽車示范項(xiàng)目設(shè)計(jì)并建設(shè)了氫氣加油站。這個(gè)燃料添加系統(tǒng)包括接收、儲(chǔ)存、壓縮和氣化液氫的燃料準(zhǔn)備系統(tǒng)和用于向公共汽車上的合成燃料箱添加氣體氫氣的傳遞系統(tǒng)。為盡可能地降低泄漏，在可能的情況下使用焊管系統(tǒng)取代螺紋連接系統(tǒng)。操作人員選擇盡可能高的加注壓力，而且加注系統(tǒng)要確保不能夠超過燃料箱的壓力和溫度限制。這種系統(tǒng)還具有許多自動(dòng)的超壓關(guān)閉開關(guān)和減壓閥門。為確保公共汽車不發(fā)生移動(dòng)，輪胎要固定在凹槽中，而且司機(jī)必須拉緊汽車的手剎車。如果其它系統(tǒng)不能夠保持汽車固定，脫逃雙重關(guān)閉裝置可以作為一種安全措施。到目前為止，加油站在示范期間運(yùn)行良好。項(xiàng)目中的所有三輛公共汽車都可以在15分鐘內(nèi)完成燃料添加。聯(lián)系人: APCI, 電話：610-481-8336.(THE CLEAN FUELS REPORT: SEPTEMBER 1998)

通用汽車公司向公眾展示燃料電池驅(qū)動(dòng)的面包車

通用汽車公司在上周的巴黎汽車展上展示了燃料電池版的Zafira面包車，這表明其已經(jīng)進(jìn)入了燃料電池載客汽車市場。致力于燃料電池技術(shù)商業(yè)化的獨(dú)立非盈利組織Fuel Cells 2000的執(zhí)行主任Bob Rose說：“我們?yōu)橥ㄓ闷嚬镜淖钚鲁晒蛩麄儽硎咀ＹR?！蓖ㄓ闷嚬疽呀?jīng)在燃料電池用于運(yùn)輸用途進(jìn)行了幾十年的工作。但是Zafira面包車使這一概念成為入門關(guān)注的焦點(diǎn)。這輛由通用汽車公司在歐洲的子公司歐寶公司生產(chǎn)的面包車由以甲醇轉(zhuǎn)化的氫氣為燃料的50千瓦質(zhì)子交換膜燃料電池驅(qū)動(dòng)。通用汽車公司稱這輛車“幾乎完全不排放氮氧化物，二氧化碳排放量只相當(dāng)于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的一半”。而且，通用公司還稱這輛燃料電池汽車的駕駛范圍與常規(guī)汽車相似。Rose說：“在燃料電池汽車尚處于發(fā)展階段時(shí)，通用汽車公司加入到載客汽車競賽令人興奮，而且意義重大，也使人確信燃料電池汽車是下一代汽車的有力競爭者?！蓖ㄓ闷嚬痉Q，他們計(jì)劃在2004年前完成可以商業(yè)化的燃料電池汽車。聯(lián)系人：Fuel Cells 2000, 電話：202-785-9620，傳

真

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202-785-9529，網(wǎng)

址

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http://004km.cn.(FUEL CELLS 2000 RELEASE: 10/1)

豐田汽車公司和戴姆勒-奔馳汽車公司討論環(huán)境問題

據(jù)來自東京的消息，日本豐田汽車公司和德國戴姆勒-奔馳汽車公司將就合作開發(fā)下一代有利于環(huán)保的汽車和零配件回收技術(shù)進(jìn)行談判。這將是豐田公司和戴姆勒-奔馳公司首次建立這種關(guān)系。自8月份來說，兩家汽車公司已經(jīng)在德國和日本進(jìn)行了工作級(jí)會(huì)談。根據(jù)日本的消息，兩家公司在環(huán)境問題將是引導(dǎo)未來全球汽車市場的決定因素方面持有一致意見。預(yù)計(jì)這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)將有助于為汽車生產(chǎn)建立與環(huán)境相關(guān)的技術(shù)的全球標(biāo)準(zhǔn)。兩家公司研究了讓通用汽車公司加入?yún)f(xié)議的計(jì)劃。通用汽車公司和豐田汽車公司已經(jīng)聯(lián)合開發(fā)了電動(dòng)汽車的電池充電裝置。但是有消息稱，通用公司加入改協(xié)議的計(jì)劃已經(jīng)被取消了。豐田公司已經(jīng)開始批量生產(chǎn)利于環(huán)保的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和低排放直燃汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。戴姆勒-奔馳公司正在與福特汽車公司聯(lián)合開發(fā)下一代燃料電池電動(dòng)汽車，這將使戴姆勒-奔馳公司與豐田公司進(jìn)行直接競爭。(KYODO: 10/8)

H Power公司從NIST獲得316萬美元資金

H Power公司最近宣布其從商業(yè)部下屬的國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所(NIST)獲得316萬美元資金，用于H Power公司及其合資伙伴Epyx/Arthur D.Little 有限公司進(jìn)行的以丙烷為燃料的燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)項(xiàng)目。H Power公司首席執(zhí)行官H.Frank Gibbard說：“我們非常高興國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所能夠認(rèn)識(shí)到我們的建議可以應(yīng)用于很多用途，并作出回應(yīng)?！?“在國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所的先進(jìn)技術(shù)計(jì)劃下，H Power公司和Epyx/Arthur D.Little 有限公司將開發(fā)以廉價(jià)并容易獲得的丙烷為燃料驅(qū)動(dòng)燃料電池的技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)將使燃料電池在通訊后備電源方面及其它工業(yè)或生活用途完全實(shí)現(xiàn)商業(yè)化?！睘樘娲ㄓ崙?yīng)用中的充電電池和其它動(dòng)力來源，H Power公司要制造尺寸與谷物箱相近的燃料電池，重量僅14磅。以丙烷為燃料的燃料電池的使用壽命預(yù)計(jì)是相同重量的電池的4倍。公司希望燃料電池在通訊行業(yè)中的成功可以帶動(dòng)燃料電池在其它方面的應(yīng)用，包括緊急動(dòng)力設(shè)備、小型海陸車輛推進(jìn)系統(tǒng)和手提式發(fā)電機(jī)。(H POWER RELEASE: 11 10/8)

通用汽車公司可以使用卡迪拉克汽車作為燃料電池平臺(tái)

通用汽車公司最近宣布其正計(jì)劃使用其豪華汽車－卡迪拉克牌轎車來開發(fā)技術(shù)先進(jìn)而且有利于環(huán)保的動(dòng)力系統(tǒng)。燃料電池驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)是被考慮的先進(jìn)技術(shù)之一。公司希望卡迪拉克可以率先成為環(huán)保型汽車。通用公司稱其正在向?qū)Τ杀静缓荜P(guān)心的消費(fèi)者介紹可以降低對(duì)汽油的依賴程度的高技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)。通用公司認(rèn)為卡迪拉克汽車的購買者與通用公司其它品牌汽車的購買者相比，對(duì)價(jià)格比較不敏感。另外，公司相信卡迪拉克汽車的購買者將愿意為成為第一批使用不對(duì)環(huán)境產(chǎn)生危害的先進(jìn)技術(shù)而支付稍多的費(fèi)用。燃料電池把氫氣轉(zhuǎn)化為電能來驅(qū)動(dòng)汽車，而水蒸汽是唯一的副產(chǎn)品。(EV WORLD: 10/14)

日本日產(chǎn)汽車公司計(jì)劃在2005年以前實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車商業(yè)化

日產(chǎn)汽車公司最近宣布其計(jì)劃在2003年到2005年間開始銷售以甲醇為燃料的小型燃料電池驅(qū)動(dòng)的汽車。燃料電池由加拿大的Ballard動(dòng)力系統(tǒng)公司開發(fā)。(ASIA PULSE: 9/2)

倫敦展示新型燃料電池出租汽車

Zevco公司制造的氫燃料出租汽車采用了Zevco公司的子公司Elenco公司為有人駕駛太空應(yīng)用開發(fā)的技術(shù)。原型車由通過混合空氣中的氧氣和車載壓縮燃料箱中的氫氣來工作的燃料電池來驅(qū)動(dòng)。(FINANCIAL TIMES: 7/30)12

第三篇：燃料電池的發(fā)電技術(shù)

新型材料及其應(yīng)用論文--《燃料電池發(fā)電技術(shù)》

燃料電池發(fā)電技術(shù)

摘要：概述了燃料電池的原理和分類，以及他們的反應(yīng)原理及技術(shù)和燃料電池發(fā)電技術(shù)做了初步介紹。

關(guān)鍵詞：燃料電池，發(fā)電

引言：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們對(duì)能源的依賴越來越嚴(yán)重，而生存環(huán)境的持續(xù)惡化又催促人們不斷尋求清潔能源。燃料電池由于其環(huán)保性和高效性被譽(yù)為繼火力發(fā)電、水力發(fā)電、核電之后的第四代發(fā)電技術(shù)，越來越多的國家和地區(qū)投入更多的資金對(duì)其進(jìn)行研究并使其產(chǎn)業(yè)化。

一：燃料電池簡介

燃料電池（Fuel cell），是一種使用燃料進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力的裝置，最早于1839年由英國的Grove所發(fā)明。最常見是以氫氧為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池，由于燃料價(jià)格便宜，加上對(duì)人體無化學(xué)危險(xiǎn)、對(duì)環(huán)境無害，發(fā)電后產(chǎn)生純水和熱，20世紀(jì)60年代應(yīng)用在美國軍方，后于1965年應(yīng)用于美國雙子星座5號(hào)飛船?，F(xiàn)在也有一些筆記型電腦開始研究使用燃料電池。但由于產(chǎn)生的電量太小，且無法瞬間提供大量電能，只能用于平穩(wěn)供電上。

燃料電池其原理：它是一種電化學(xué)裝置，其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負(fù)兩個(gè)電極(負(fù)極即燃料電極和正極即氧化劑電極)以及電解質(zhì)組成。不同的是一般電池的活性物質(zhì)貯存在電池內(nèi)部，因此，限制了電池容量。而燃料電池的正、負(fù)極本身不包含活性物質(zhì)，只是個(gè)催化轉(zhuǎn)換元件。因此燃料電池是名符其實(shí)的把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換機(jī)器。電池工作時(shí)，燃料和氧化劑由外部供給，進(jìn)行反應(yīng)。原則上只要反應(yīng)物不斷輸入，反應(yīng)產(chǎn)物不斷排除，燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電。這里以氫-氧燃料電池為例來說明燃料電池

氫-氧燃料電池反應(yīng)原理 這個(gè)反映是電觧水的逆過程。電極應(yīng)為： 負(fù)極：H2 +2OH-→2H2O +2e-

正極：1/2O2 +H2O+ 2e-→2OH-

電池反應(yīng)：H2 +1/2O2==H2O

圖1 燃料電池工作原理示意圖 燃料電池的類型：

堿性燃料電池（AFC）——采用氫氧化鉀溶液作為電解液。

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）——采用極薄的塑料薄膜作為其電解質(zhì)。

磷酸燃料電池（PAFC）——采用200℃高溫下的磷酸作為其電解質(zhì)。

熔融碳酸燃料電池（MCFC）

固態(tài)氧燃料電池（SOFC）——采用固態(tài)電解質(zhì)

二：燃料電池發(fā)電系統(tǒng)

燃料電池是一種將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能，直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。當(dāng)源源不斷地從外部向燃料電池供給燃料和氧化劑時(shí)，它可以連續(xù)發(fā)電。

燃料電池發(fā)電是在一定條件下使H2、天然氣和煤氣（主要是H2）與氧化劑（空氣中的O2）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能和熱能的過程。與常規(guī)電池的不同之處在于：只要有燃料和氧化劑供給，就會(huì)有持續(xù)不斷的電力輸出。與常規(guī)的火力發(fā)電不同，它不受卡諾循環(huán)（由兩個(gè)絕熱過程和兩個(gè)等溫過程構(gòu)成的循環(huán)過程）的限制，能量轉(zhuǎn)換效率高。燃料電池除可發(fā)電外，還可作為電動(dòng)汽車的電源。在對(duì)眾多的蓄電池以及一次電源的研究以及應(yīng) 新型材料及其應(yīng)用論文--《燃料電池發(fā)電技術(shù)》

用中發(fā)現(xiàn)：質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）作為一種不經(jīng)過燃燒直接以電化學(xué)反應(yīng)連續(xù)地把燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置，具有能量轉(zhuǎn)換效率高（一般都在40-50％，而內(nèi)燃機(jī)僅為18％-24％）、無污染、啟動(dòng)快、電池壽命長、比功率、比能量高等優(yōu)點(diǎn)。

1.磷酸燃料電池(PAFC)發(fā)電技術(shù)

磷酸型燃料電池由多節(jié)單電池按壓濾機(jī)方式組裝以構(gòu)成電池組。

堿性燃料電池在載人航天飛行中的成功應(yīng)用，證明了按電化學(xué)方式直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的燃料電池的高效與可靠性，為提高能源的利用效率，人們希望將這種高效發(fā)電方式用于地面發(fā)電。

以磷酸為電解質(zhì)的磷酸型氫氧燃料電池首先取得突破。至今，其技術(shù)獲得了高度發(fā)展，已進(jìn)行了規(guī)模為11000kW~4500kW的電站試驗(yàn)，定型產(chǎn)品PC25(200kW)已投放市場，有數(shù)百臺(tái)這種電站在世界各地運(yùn)行，運(yùn)行試驗(yàn)證明，這種燃料電池分散電站的運(yùn)行高度可靠，可作為不間斷電源應(yīng)用，其熱電效率達(dá)40%，熱電聯(lián)產(chǎn)時(shí)其燃料的利用率達(dá)60% ~70%。

圖2 PAFC的反應(yīng)原理

目前氫的貯存與運(yùn)輸均有不少技術(shù)問題需待解決，各國正在積極進(jìn)行攻關(guān)研究一旦這一系列的技術(shù)問題得到解決，燃料電池就可利用由太陽能，核能等發(fā)出的電來電解水所制備出的氫作為燃料。

在以礦物燃料為原始燃料時(shí)，則需經(jīng)化學(xué)轉(zhuǎn)化的過程，例如煤的氣化，天然氣或汽油的蒸氣轉(zhuǎn)化等，通過這些方法將礦物燃料先轉(zhuǎn)化為富氫氣體，才可以送入電池作為燃料電池的燃料。

磷酸燃料電池的輸出為直流電，而大部分用戶的電器均使用交流電，因此，需要把燃料電池輸出的直流電經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電后再提供給用戶使用。磷酸燃料電池的內(nèi)阻較常規(guī)化學(xué)電源如鉛酸蓄電池大，所以，當(dāng)輸出電流變化時(shí)它的工作電壓變化幅度大，為解決這一問題，常在燃料電池的輸出和逆變器之間加一個(gè)振蕩變流器(chopper)，它的功能是升壓或降，以確保供給用戶電力的工作電壓維持恒定。

燃料電池應(yīng)是一個(gè)能夠自動(dòng)運(yùn)行的發(fā)電廠，因此，對(duì)于磷酸燃料電池來說，其氧化劑的供應(yīng)，電池廢熱的排出，反應(yīng)生成水的回收等均需進(jìn)行控制與管理，再加上還需對(duì)電力輸出逆變進(jìn)行控制與管理等，所有這些必須齊備才能構(gòu)成一個(gè)完整的燃料電池系統(tǒng)。

新型材料及其應(yīng)用論文--《燃料電池發(fā)電技術(shù)》

圖3 磷酸燃料電池系統(tǒng)方框圖 2.質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)發(fā)電技術(shù)

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)由若干單電池串聯(lián)而成，單電池由表面涂有催化劑的多孔陽極

多孔陰極和置于二者之間的固體聚合物電解質(zhì)構(gòu)成。其工作原理如圖4所示，當(dāng)分別向陽極和陰極供給氫氣與氧氣時(shí)，進(jìn)入多孔陽極的氫原子在催化劑作用下被離化為氫離子和電子，氫離子經(jīng)由電解質(zhì)轉(zhuǎn)移到陰極，電子經(jīng)外電路負(fù)載流向陰極，氫離子與陰極的氧原子及電子結(jié)合成水分子，因此 PEMFC的電化學(xué)反應(yīng)為：

圖4 PEMFC的反應(yīng)原理

(1)原料來源廣泛，通過對(duì)石油，天燃?xì)?，煤炭還有沼氣，甲醇，水植物等加工取得，來之不盡，取之不竭。

(2)無污染，因沒有燃燒過程，不排放有害氣體，它的排出物是氫氧結(jié)合的純水。(3)無燥音，其發(fā)電過程是電化學(xué)反應(yīng)過程，沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)，所以沒有噪音。(4)能源轉(zhuǎn)換效率高，因其工作溫度低，能耗少，能源轉(zhuǎn)換效率理論上可高達(dá)。

欲使PEMFC依負(fù)荷的變化，長時(shí)間穩(wěn)定的向負(fù)載提供電能，必須給電池組配置以下4個(gè)功能單元，即燃料及氧化劑貯存與供給單元，電池濕度，溫度調(diào)節(jié)單元，功率變換單元及系統(tǒng)控制單元等，這樣，方能構(gòu)成一個(gè)實(shí)用化的，完整的PEMFC發(fā)電系統(tǒng)。如圖5

圖5 質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)示意圖

新型材料及其應(yīng)用論文--《燃料電池發(fā)電技術(shù)》

3.熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)發(fā)電技術(shù)

熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)以堿金屬（Li﹑Na﹑K）的熔融碳酸鹽為電解質(zhì)，富氫燃料天然氣甲烷煤氣等轉(zhuǎn)化而成為燃料，氧氣空氣加CO2為氧化劑，工作溫度約為650℃，余熱利用價(jià)值高，點(diǎn)催化劑以鎳為主，無需使用貴金屬，發(fā)電效率高。MCFC的反應(yīng)原理如圖

圖6 MCFC的反應(yīng)原理

MCFC單電池是由陰極、電解質(zhì)、電解質(zhì)隔膜和陽極組成，若組成電池堆，則還需要雙極板、集流器、氣泡屏等組件，其中，隔膜是MCFC的核心部件，必須強(qiáng)度高、耐高溫熔鹽腐蝕、浸入熔鹽電解質(zhì)后能夠阻擋氣體通過，并且有良好的離子導(dǎo)電性能（MCFC的導(dǎo)電離子是CO32-).通過對(duì)多種材料的篩選和多年的研究，目前已普遍采用偏鋁酸鋰來制備MCFC隔膜。

美國從1976年開始開發(fā)MCFC，主要的開商有能源研究所(Energy Research Corporation，ERC)和MC Power公司，ERC在1991至1994年間先后完成了25 kW、70 kW、125 kW電池組的試驗(yàn)，并于1996年建成了世界上功率最大的2MW MCFC電站，直接燃用脫硫后的天然氣。2000年，ERC設(shè)計(jì)的單電池堆出力達(dá)到250 kW并進(jìn)入商業(yè)化。2005年，兆瓦級(jí)的MCFC進(jìn)入商業(yè)化。日本從1981年開始研究MCFC，并于1987年研究成功10 kW MCFC發(fā)電設(shè)備，1997年1MW MCFC電站在日本川越火電廠投運(yùn)。日立公司2000年開發(fā)出1 MW MCFC發(fā)電裝置。東芝公司開發(fā)出低成本的10 kW MCFC發(fā)電裝置。此外，荷蘭、德國、意大利、韓國等國家也于20世紀(jì)90年代建成相關(guān)的試驗(yàn)電站。我國于1991年由原電力工業(yè)部哈爾濱電站成套設(shè)備研究所研制出由7個(gè)MCFC單電池組成的電池組，上海交通大學(xué)和大連化學(xué)物理研究所都于2001年完成了1 kwMCFC電站的試驗(yàn)。

MCFC試驗(yàn)電站的建成和運(yùn)行為MCFC商業(yè)化提供了豐富的經(jīng)驗(yàn)，各國的科學(xué)家正在研究改進(jìn)MCFC的關(guān)鍵材料和技術(shù)應(yīng)用。

MCFC工作溫度高，余熱利用價(jià)值高，可以與煤氣化聯(lián)合循環(huán)結(jié)合組成高效的潔凈煤發(fā)電技術(shù)。

4.固體氧化物燃料電池

同體氧化物燃料電池(SOFC)以固態(tài)氧化釔、氧化鋯為電解質(zhì)，天然氣、氣化煤氣、碳?xì)浠衔餅槿剂希鯕鉃檠趸瘎?。固態(tài)氧化釔、氧化鋯電解質(zhì)在高溫下有很強(qiáng)的離子傳導(dǎo)功能，能夠傳導(dǎo)02～，電解質(zhì)將電池分隔為燃料極(陽極)和空氣極(陰極)。氧分子在空氣極得到電子，被還原成02～，然后通過電解質(zhì)傳輸?shù)疥枠O，在陽極與氫氣(或一氧化碳)發(fā)生反應(yīng)。生成水(或二氧化碳)和電子。在迄今為止人類所發(fā)明的能源轉(zhuǎn)化方式中，SOFC的轉(zhuǎn)換效率是最高的，其反應(yīng)原理如圖

新型材料及其應(yīng)用論文--《燃料電池發(fā)電技術(shù)》

圖7 SOFC的反應(yīng)原理

從原理與結(jié)構(gòu)上講，固體氧化物燃料電池是一種理想的燃料電池，它不但具有其他燃料電池高效，環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有以下突出優(yōu)點(diǎn)

固體氧化物燃料電池是全固體結(jié)構(gòu)，無使用液體電解質(zhì)帶來的腐蝕和電解液流失問題，可望實(shí)現(xiàn)長壽命運(yùn)行，固體氧化物燃料電池在800~1000 下工作，不但電催化劑無需采用貴金屬，而且還可直接采用天然氣，煤氣和碳?xì)浠衔镒魅剂?，簡化了電池系統(tǒng)，固體氧化物燃料電池排出的高質(zhì)量余熱可與燃?xì)?，蒸汽輪機(jī)等構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，會(huì)大大提高總發(fā)電效率。

圖8 100kw SOFC系統(tǒng)示意圖

固體氧化物燃料電池技術(shù)的難點(diǎn)也源于它的高工作溫度，電池的關(guān)鍵部件陽極隔膜，陰極和聯(lián)結(jié)材料等在電池的工作條件下必須具備化學(xué)與熱的相容性，即在電池工作條件下，電 新型材料及其應(yīng)用論文--《燃料電池發(fā)電技術(shù)》

池構(gòu)成材料間不但不能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而且其熱膨脹系數(shù)也應(yīng)相互匹配。

固體氧化物燃料電池最適宜的用途是與煤氣化和燃?xì)?，蒸汽輪機(jī)構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，建造中心電站或分散式電站，這樣既能提高能源利用率，又可消除對(duì)環(huán)境的污染。

三：燃料電池發(fā)電的應(yīng)用前景

目前，美國、加拿大、日本、韓國以及歐洲的很多國家都把燃料電池發(fā)電技術(shù)提高到事關(guān)“國家能源安全”的戰(zhàn)略高度，投入大量資金予以資助和研發(fā)。我國是能源消耗大國，以煤和石油為主，能源利用率低，污染嚴(yán)重；同時(shí)，近年來我國由于自然災(zāi)害或人為因素導(dǎo)致的大面積停電事故，給社會(huì)和經(jīng)濟(jì)造成巨大損失。如果在電網(wǎng)中有許多分布式電源在供電，則供電的可靠性和供電質(zhì)量將會(huì)大大改善。分布式電源作為我國大電網(wǎng)的有效補(bǔ)充，如果能夠得到較快的發(fā)展，電網(wǎng)抵御各種災(zāi)害的能力將會(huì)有很大提高。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，備用電源需求日益增大，如移動(dòng)通信機(jī)站、軍用移動(dòng)指揮系統(tǒng)、野外醫(yī)療中心、固定或移動(dòng)辦公設(shè)施等的備用電源，需要配備技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性好的備用電源，而燃料電池中的PEMFC剛好能實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。從燃料電池發(fā)展的研究現(xiàn)狀來看，我國在燃料電池發(fā)電方面的技術(shù)與發(fā)達(dá)國家如美國、加拿大、日本等相距甚遠(yuǎn)。我國要發(fā)展燃料電池技術(shù)，需要引進(jìn)、消化及吸收國外先進(jìn)技術(shù)，加快完成技術(shù)革新。

四：結(jié)束語

燃料電池作為高效、清潔、友好的新能源技術(shù)，已經(jīng)得到越來越多國家的重視，掌握清潔高效的發(fā)電技術(shù)對(duì)國家能源和安全具有重要的戰(zhàn)略意義，而燃料電池正是高效環(huán)保的發(fā)電技術(shù)之一。隨著我國西氣東送、天然氣管網(wǎng)的不斷完善，對(duì)電網(wǎng)可靠性和穩(wěn)定性要求的不斷提高，以及對(duì)環(huán)保要求的不斷提高，燃料電池會(huì)起到越來越重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

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第四篇：2016年儲(chǔ)能技術(shù)成本分析報(bào)告

2016年儲(chǔ)能技術(shù)成本分析報(bào)告

目錄

摘要……………………………………………………………………………………1

一、概述………………………………………………………………………………1

二、儲(chǔ)能技術(shù)…………………………………………………………………………6

（一）物理儲(chǔ)能………………………………………………………………………7

（二）電化學(xué)儲(chǔ)能……………………………………………………………………10

圖表目錄

圖表1：全球電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)?！? 圖表2：中國電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模………………………………………4 圖表3：全球儲(chǔ)能裝機(jī)預(yù)測(cè)……………………………………………………5 圖表4：全球各類儲(chǔ)能規(guī)模預(yù)測(cè)……………………………………………………5 圖表5：電化學(xué)儲(chǔ)能將呈現(xiàn)星星之火可以燎原之勢(shì)………………………………6 圖表6：儲(chǔ)能在整個(gè)電力價(jià)值鏈中的作用…………………………………………6 圖表7：抽水儲(chǔ)能的特點(diǎn)……………………………………………………9 圖表8：壓縮空氣儲(chǔ)能的特點(diǎn)……………………………………………………9 圖表9：飛輪儲(chǔ)能的特點(diǎn)……………………………………………………10 圖表10：熱儲(chǔ)的特點(diǎn)………………………………………………………………10 圖表11：氫儲(chǔ)的特點(diǎn)………………………………………………………………10

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摘要：

我們預(yù)判分布式電站將在十三五期間有大發(fā)展，作為基礎(chǔ)性資產(chǎn)的電站上一定規(guī)模（有研究表明占比超過10%），其隨機(jī)性、間歇性和地域性等特征越發(fā)突出，導(dǎo)致用電和發(fā)電不對(duì)稱，對(duì)電網(wǎng)還會(huì)造成一定的沖擊，為了促進(jìn)光伏電站規(guī)模持續(xù)性增長以及占一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的比重逐步提高，勢(shì)必會(huì)對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)和相關(guān)設(shè)備有所訴求，儲(chǔ)能領(lǐng)域?qū)?huì)成為下一片藍(lán)海。

近期，國家能源局先后下發(fā)了《國家能源局關(guān)于推動(dòng)電儲(chǔ)能參與“三北”地區(qū)調(diào)峰輔助服務(wù)工作的通知（征求意見稿）》、《關(guān)于促進(jìn)電儲(chǔ)能參與“三北”地區(qū)電力輔助服務(wù)補(bǔ)償（市場）機(jī)制試點(diǎn)工作的通知》(國能監(jiān)管[2016]164號(hào))和《中國制造2025--能源裝備實(shí)施方案的通知》，進(jìn)一步對(duì)儲(chǔ)能領(lǐng)域進(jìn)行了戰(zhàn)略布局。我們認(rèn)為，蓄勢(shì)待發(fā)，2016年將是儲(chǔ)能領(lǐng)域最突出的表現(xiàn)。

與市場不同的是，基于國外實(shí)際的儲(chǔ)能落地項(xiàng)目，通過查閱大量資料，我們總結(jié)了最近幾年儲(chǔ)能技術(shù)的研究進(jìn)展和各儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)、相關(guān)成本和應(yīng)用范圍。從各成本要素的角度來看，壓縮空氣儲(chǔ)能的功率轉(zhuǎn)換成本最高（846歐元/kW），相應(yīng)地，Ni-Cd電池的成本最低，僅只有240歐元/kW。但是，在儲(chǔ)能成本方面，電化學(xué)儲(chǔ)能相對(duì)與物理儲(chǔ)能的成本要高。氫儲(chǔ)和壓縮空氣儲(chǔ)能（地下）相關(guān)儲(chǔ)能成本僅僅只有4和40歐元/kW。從全生命周期成本的角度來看，物理儲(chǔ)能明顯低于電化學(xué)儲(chǔ)能。飛輪儲(chǔ)能在電力質(zhì)量和調(diào)頻服務(wù)方面具有成本優(yōu)勢(shì)。但是，物理儲(chǔ)能的應(yīng)用領(lǐng)域受到地理?xiàng)l件的限制明顯，因此，隨著技術(shù)進(jìn)步的不斷加快，未來電化學(xué)儲(chǔ)能的成本有望持續(xù)降低，應(yīng)用前景更加廣泛。

一、概述：儲(chǔ)能—2016年是儲(chǔ)能元年

2015年11月公布的《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃的建議》（簡稱《建議》）中，“堅(jiān)持綠色發(fā)展，著力改善生態(tài)環(huán)境”部分提出了推進(jìn)能源革命，加快能源技術(shù)創(chuàng)新，提高非化石能源比例，加快發(fā)展風(fēng)能、太陽能，加強(qiáng)儲(chǔ)能和智能電網(wǎng)建設(shè)，發(fā)展分布式能源，推行節(jié)能低碳電力調(diào)度，實(shí)施新能源汽車推廣計(jì)劃等重點(diǎn)工作?？梢哉f，《建議》明確指出了儲(chǔ)能建設(shè)的必要性和戰(zhàn)略方向。同時(shí)，截至2015年底，我國光伏電站的裝機(jī)規(guī)模已經(jīng)達(dá)到43 GW，作為基礎(chǔ)資產(chǎn)的電站達(dá)到一定規(guī)模后，儲(chǔ)能的建設(shè)勢(shì)必提上議事日程。根

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據(jù)規(guī)劃，十三五期間，光伏電站累計(jì)將達(dá)到150 GW，其中分布式電站將達(dá)到70 GW，具備10倍的成長空間。同時(shí)，近期，國家能源局新能源與可再生能源司副司長梁志鵬出席第九屆亞洲太陽能論壇并指出，到2020年全球光伏規(guī)模在450至600 GW，到2030年的時(shí)候要達(dá)到1000至1500 GW。根據(jù)GTM Research發(fā)布報(bào)告稱，預(yù)計(jì)未來5年內(nèi)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本有望下降41%。因此，作為基礎(chǔ)資產(chǎn)的光伏電站而言，光伏電站規(guī)模化為儲(chǔ)能的建設(shè)提供了曠闊的增長空間。

從全球儲(chǔ)能領(lǐng)域發(fā)展態(tài)勢(shì)來看，目前，國際上儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)有了一定的規(guī)模，以抽水儲(chǔ)能為主，電化學(xué)儲(chǔ)能將呈現(xiàn)星星之火可以燎原之勢(shì)（見圖“藍(lán)點(diǎn)分布區(qū)域”），到2015年底全球累計(jì)電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模達(dá)到890.9 MW。國際上，歐美日等發(fā)達(dá)國家一直比較重視儲(chǔ)能技術(shù)的研究和應(yīng)用。以美國儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看，美國2015年第4季度新裝儲(chǔ)能規(guī)模為112 MW，整個(gè)2015年達(dá)成221 MW，相當(dāng)于增長率為243%。其中，電網(wǎng)級(jí)應(yīng)用占比為85%，主要位于PJM市場（2015年新增儲(chǔ)能規(guī)模為160 MW）。behind-the-meter部署較少，但是這一領(lǐng)域的增長率最快，2015年增長率高達(dá)405%。據(jù)GTM的預(yù)測(cè)，美國儲(chǔ)能市場到2019年會(huì)超過1 GW，到2020年規(guī)模達(dá)1.7 GW，市場規(guī)模在25億美元，相當(dāng)于人民幣157億元左右。

從中國儲(chǔ)能領(lǐng)域發(fā)展態(tài)勢(shì)來看，我國儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)該說只是起步階段，據(jù)CNESA不完全統(tǒng)計(jì)，我國電化學(xué)儲(chǔ)能僅105.5 MW。分布式發(fā)電及微網(wǎng)領(lǐng)域的儲(chǔ)能項(xiàng)目在我國全部儲(chǔ)能項(xiàng)目中的占比從2013年的24%，提高到2015年的46%。對(duì)于新的領(lǐng)域，從國際經(jīng)驗(yàn)來看，儲(chǔ)能領(lǐng)域初期技術(shù)研發(fā)和成本等因素都比較高，會(huì)相應(yīng)地有政府政策扶持，儲(chǔ)能領(lǐng)域才能有所發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，美國聯(lián)邦和州層面針對(duì)儲(chǔ)能的法案和政策就達(dá)到了21項(xiàng)。歐盟和日本也均有針對(duì)儲(chǔ)能的扶持政策。儲(chǔ)能的政策扶持主要包括：投資方面給予一定的布貼或稅收減免；技術(shù)研究方面給予一定的補(bǔ)貼；建立相應(yīng)的儲(chǔ)能領(lǐng)域的體制機(jī)制。因此，我們認(rèn)為，初期通過政府政策的配套和資金的扶持是必要的，2016年儲(chǔ)能領(lǐng)域的相關(guān)配套政策會(huì)陸續(xù)出臺(tái)，儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)將會(huì)大發(fā)展。

2016年3月10日，能源局印發(fā)《國家能源局關(guān)于推動(dòng)電儲(chǔ)能參與“三北”地區(qū)調(diào)峰輔助服務(wù)工作的通知（征求意見稿）》，鼓勵(lì)發(fā)電、售電企業(yè)、電力用戶和地理輔助服務(wù)提供商等投資建設(shè)電儲(chǔ)能設(shè)施，并可參加發(fā)電側(cè)調(diào)峰服務(wù)市場；鼓

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勵(lì)各地規(guī)劃集中式新能源發(fā)電基地時(shí)，配置適當(dāng)規(guī)模的電儲(chǔ)能設(shè)施，實(shí)現(xiàn)電儲(chǔ)能設(shè)施與新能源、電網(wǎng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行；鼓勵(lì)在小區(qū)、樓宇、工商企業(yè)等用戶側(cè)建設(shè)分布式電儲(chǔ)能設(shè)施并作為需求側(cè)資源參與輔助服務(wù)市場交易。

2016年6月7日，國家能源局正式發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)電儲(chǔ)能參與“三北”地區(qū)電力輔助服務(wù)補(bǔ)償（市場）機(jī)制試點(diǎn)工作的通知》（國能監(jiān)管[2016]164號(hào)），決定開展電儲(chǔ)能參與“三北”地區(qū)電力輔助補(bǔ)償（市場）機(jī)制試點(diǎn)，挖掘“三北”地區(qū)電力系統(tǒng)接納可再生能源的潛力，同時(shí)滿足民生供熱需求。其目標(biāo)為“三北”地區(qū)各?。▍^(qū)、市）原則上可選取不超過5個(gè)電儲(chǔ)能設(shè)施參與電力調(diào)峰調(diào)頻輔助服務(wù)補(bǔ)償（市場）機(jī)制試點(diǎn)，已有工作經(jīng)驗(yàn)的地區(qū)可以適當(dāng)提高試點(diǎn)數(shù)量，探索商業(yè)化應(yīng)用，推動(dòng)建立促進(jìn)可再生能源消納的長效機(jī)制。

2016年6月20日，國家發(fā)改委、工信部、能源局聯(lián)合印發(fā)了關(guān)于《中國制造2025—能源裝備實(shí)施方案的通知》。《通知》中，確定了儲(chǔ)能裝備等15個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展任務(wù)，并明確資金支持、稅收優(yōu)惠、鼓勵(lì)國際合作等五大保障措施。其中儲(chǔ)能裝備方面，涉及了抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、液流電池、鋰電池、超級(jí)電容器等方面。同時(shí)，《通知》中“在儲(chǔ)能裝備方面，高性能鉛炭電池儲(chǔ)能裝備就是要進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)的重點(diǎn)項(xiàng)目之一。其目標(biāo)為研究高導(dǎo)電率、耐腐蝕的新型電極材料設(shè)計(jì)、合成和改性技術(shù)，以及長壽命鉛炭復(fù)合電極和新型耐腐蝕正極板柵制備技術(shù)，掌握鉛炭電池本體制備技術(shù)，開發(fā)長壽命、低成本鉛炭電池儲(chǔ)能裝置?！睂?duì)鉛碳電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域內(nèi)的未來發(fā)展方向給予了明確的表述。我們認(rèn)為，蓄勢(shì)待發(fā)，2016年將是儲(chǔ)能領(lǐng)域最突出的表現(xiàn)。

儲(chǔ)能在整個(gè)電力價(jià)值鏈上起到至關(guān)重要的作用。它的作用涉及發(fā)電、傳輸、分配乃至終端用戶--包括居民用電以及工業(yè)和商業(yè)用電。在發(fā)電端，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以用于快速響應(yīng)的調(diào)頻服務(wù)及可再生能源如風(fēng)能、太陽能對(duì)于終端用戶的持續(xù)供電，這樣揚(yáng)長避短地利用了可再生能源清潔發(fā)電的特點(diǎn)，并且有效地規(guī)避了其間斷性、不確定性等缺點(diǎn)；在傳輸端，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以有效地提高傳輸系統(tǒng)的可靠性；在分配端，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以提高電能的質(zhì)量；在終端用戶端，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以優(yōu)化使用電價(jià)，并且保持電能的高質(zhì)量。隨著分布式電源的發(fā)展和智能電網(wǎng)的提出，儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用將會(huì)更加重要。

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圖1：全球電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模

圖2：中國電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模

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圖3：全球儲(chǔ)能裝機(jī)預(yù)測(cè)

圖4：全球各類儲(chǔ)能規(guī)模預(yù)測(cè)

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圖5：電化學(xué)儲(chǔ)能將呈現(xiàn)星星之火可以燎原之勢(shì)

圖6：儲(chǔ)能在整個(gè)電力價(jià)值鏈中的作用

二、儲(chǔ)能技術(shù)：百家爭鳴、百花齊放

儲(chǔ)能技術(shù)一般分為熱儲(chǔ)能和電儲(chǔ)能，未來應(yīng)用于全球能源互聯(lián)網(wǎng)的主要是電儲(chǔ)能。電儲(chǔ)能技術(shù)主要分為物理儲(chǔ)能（如抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能）、電化學(xué)儲(chǔ)能（如鉛酸電池、鈉硫電池、液流電池）和電磁儲(chǔ)能（如超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能、超級(jí)電容器儲(chǔ)能）三大類。

與市場不同的是，基于國外實(shí)際的儲(chǔ)能落地項(xiàng)目，通過查閱大量資料，我們

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總結(jié)了最近幾年儲(chǔ)能技術(shù)的研究進(jìn)展和各儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)、相關(guān)成本和應(yīng)用范圍。

對(duì)比各種儲(chǔ)能技術(shù)，成熟度和優(yōu)越性最高的要屬抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、氫儲(chǔ)、合成天然氣儲(chǔ)能，其中抽水蓄能占比最高，達(dá)到99%，占全球發(fā)電量的3%。

（一）物理儲(chǔ)能

抽水蓄能是當(dāng)前最主要的電力儲(chǔ)能技術(shù)。抽水儲(chǔ)能電站配備上、下游兩個(gè)水庫，負(fù)荷低谷時(shí)段抽水儲(chǔ)能設(shè)備工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，將下游水庫的水抽到上游水庫保存，負(fù)荷高峰時(shí)抽水儲(chǔ)能設(shè)備處于發(fā)電機(jī)的狀態(tài)，利用儲(chǔ)存在上游水庫中的水發(fā)電。目前，世界范圍內(nèi)抽水蓄能電站主要集中分布在美國、日本和西歐等國家和地區(qū)，并網(wǎng)總裝機(jī)容量超過7000萬kW。而美國、日本和西歐等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家抽水蓄能機(jī)組容量占到了世界抽水蓄能電站總裝機(jī)容量的70%以上。近年來，世界大型抽水蓄能電站的應(yīng)用案例主要有日本神流川電站（裝機(jī)282萬kW），美國落基山電站（裝機(jī)76萬kW），德國金谷電站（裝機(jī)106萬kW）。目前，日本有41座抽水蓄能電站，裝機(jī)容量24.65 GW，占日本發(fā)電總裝機(jī)容量10%以上。在日本抽水蓄能電站主要功能在于調(diào)峰、調(diào)頻、填谷、瞬時(shí)運(yùn)行的事故備用能力以及經(jīng)濟(jì)性蓄水。美國抽水蓄能電站年發(fā)電利用小時(shí)數(shù)差別很大，部分電站年發(fā)電利用小時(shí)數(shù)較高,最高達(dá)1953h，在系統(tǒng)中主要承擔(dān)調(diào)峰填谷、促進(jìn)電力系統(tǒng)合理經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的任務(wù)。有一半抽水蓄能電站年發(fā)電利用小時(shí)數(shù)少于1000h，最少的全年僅34h，它們?cè)谙到y(tǒng)中除參加調(diào)峰，主要擔(dān)負(fù)調(diào)頻、調(diào)相、提高電壓穩(wěn)定性和供電質(zhì)量并承擔(dān)事故備用。

壓縮空氣儲(chǔ)能也是一種物理儲(chǔ)能形式。儲(chǔ)能時(shí)，壓縮機(jī)將空氣壓縮并存于儲(chǔ)氣室中，儲(chǔ)存室一般由鋼瓶、巖洞、廢棄礦洞充當(dāng)。釋能時(shí)，高壓空氣從儲(chǔ)氣室釋放，做功發(fā)電。目前全球壓縮空氣儲(chǔ)能裝機(jī)約40萬kW。壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)研究始于20世紀(jì)40年代，70年代后，德、美等國相繼投運(yùn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，將幾十至一百多個(gè)大氣壓的空氣儲(chǔ)存于礦洞或地下洞穴，釋能時(shí)采用天然氣補(bǔ)燃的方式通過燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電。壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)術(shù)比較成熟，但大規(guī)模的應(yīng)用需要洞穴儲(chǔ)氣，選址有一定困難，2000年后全球無新增商業(yè)化運(yùn)營的案例。

飛輪儲(chǔ)能主要應(yīng)用于為蓄電池系統(tǒng)作補(bǔ)充，如用于不間斷電源/應(yīng)急電源、電網(wǎng)調(diào)峰和頻率控制。飛輪儲(chǔ)能利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)

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械能儲(chǔ)存起來，在需要時(shí)飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。近年來，一些新技術(shù)和新材料的應(yīng)用，使飛輪儲(chǔ)能技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，例如：磁懸浮技術(shù)、真空技術(shù)、高性能永磁技術(shù)和高溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，極大地降低了機(jī)械軸承摩擦與風(fēng)阻損耗；高強(qiáng)度纖維復(fù)合材料的應(yīng)用，飛輪允許線速度大幅提高，大大增加了單位質(zhì)量的動(dòng)能儲(chǔ)量；電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，使飛輪儲(chǔ)存的能量交換更為靈活高效。

氫儲(chǔ)能是近兩年受德國等歐洲國家氫能綜合利用后提出的新概念。氫儲(chǔ)已被證明是最有前途的儲(chǔ)能技術(shù)之一，因?yàn)樗m用范圍較為廣泛，如交通和電力。同時(shí)，結(jié)合可再生能源或低碳能源技術(shù)，氫儲(chǔ)可以減少溫室氣體排放。此外，氫儲(chǔ)能夠有效地整合了大量的間歇性風(fēng)能。氫儲(chǔ)能可看作是一種化學(xué)儲(chǔ)能的延伸，其基本原理就是將水電解得到氫氣和氧氣。以風(fēng)電制氫儲(chǔ)能技術(shù)為例，其核心思想是當(dāng)風(fēng)電充足但無法上網(wǎng)、需要棄風(fēng)時(shí)，利用風(fēng)電將水電解制成氫氣（和氧氣），將氫氣儲(chǔ)存起來；當(dāng)需要電能時(shí)，將儲(chǔ)存的氫氣通過不同方式（內(nèi)燃機(jī)、燃料電池或其他方式）轉(zhuǎn)換為電能輸送上網(wǎng)。通常所指的氫儲(chǔ)能系統(tǒng)是電-氫-電的循環(huán)，且不同于常規(guī)的鋰電池、鉛酸電池。其前端的電解水環(huán)節(jié)，多以功率（kW）計(jì)算容量，代表著氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的“充電”功率；后端的燃料電池環(huán)節(jié)，也以功率（kW）計(jì)算容量，代表著氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的“放電”功率；中間的儲(chǔ)氫環(huán)節(jié)，多以氫氣的體積（標(biāo)準(zhǔn)立方米Nm3）計(jì)算容量，如換算成電能容量，1Nm3氫氣大約可產(chǎn)生1.25kWh電能，儲(chǔ)氫環(huán)節(jié)的容量大小決定了氫儲(chǔ)能系統(tǒng)可持續(xù)“充電”或“放電”的時(shí)長。

目前歐、美、日等都制定了氫能發(fā)展戰(zhàn)略和詳細(xì)的計(jì)劃，并在迅速而有步驟地推進(jìn)。

歐盟實(shí)現(xiàn)不依賴化石能源的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的其中重要一環(huán)就是實(shí)現(xiàn)Power-to-Gas（P2G）技術(shù)路線，即把可再生能源以氫氣或甲烷等方式大規(guī)模儲(chǔ)存起來并加以應(yīng)用。根據(jù)德國制定的《氫能與燃料電池計(jì)劃》中的“氫的生產(chǎn)和配送”部分分析，德國目前的發(fā)展進(jìn)度已經(jīng)大大提前。德國一些大型能源電力公司，如EON和ENERTRAG等都在政府的宏觀指導(dǎo)和具體支持下積極實(shí)施P2G項(xiàng)目，以期最終實(shí)現(xiàn)利用風(fēng)能等可再生能源的大規(guī)模制氫，這將是今后大規(guī)模利用風(fēng)能最有前景的技術(shù)路線之一。下一步德國計(jì)劃開展更大規(guī)模的20-50MW風(fēng)力發(fā)電制氫的P2G示范項(xiàng)目，為未來的氫能源經(jīng)濟(jì)培育基礎(chǔ)。

日本可能是世界上最接近氫社會(huì)的國家。這并不單單是因?yàn)槿剂想姵仄?/p>

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（FCV）的產(chǎn)業(yè)化，而是因?yàn)槿澜缛剂想姵剡M(jìn)入千家萬戶的國家只有日本。2009年，家用燃料電池“ENE-FARM”的上市在全球開了先河。這種電池利用煤氣和煤油提取氫氣，注入燃料電池中發(fā)電。發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的廢熱用來燒水、泡澡和地暖使用，能源效率超過9成。ENE-FARM的主機(jī)由松下和東芝制造，通過東京瓦斯、大阪燃?xì)?、吉坤日礦日石能源等公司銷售。截至2015年1月底，松下在日本全國已累計(jì)出貨約5.2萬臺(tái)ENE-FARM。

公開的相關(guān)研究資料也分析了氫儲(chǔ)的技術(shù)領(lǐng)域的適用性問題。氫儲(chǔ)技術(shù)在選擇、設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營等方面具有一系列標(biāo)準(zhǔn)，具體包括：安全標(biāo)準(zhǔn)、終端使用標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)營標(biāo)準(zhǔn)以及經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)。

從目前儲(chǔ)能技術(shù)研究的角度看，大量的熱儲(chǔ)研究領(lǐng)域集中在熔鹽存儲(chǔ)、礦層存儲(chǔ)、低溫儲(chǔ)能，室溫離子液體儲(chǔ)能，并利用相變材料儲(chǔ)能。典型的熱儲(chǔ)能是熔鹽儲(chǔ)能。熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)早于1995年在美國的Solar Two塔式示范電站上進(jìn)行了示范應(yīng)用，并在2009年西班牙裝機(jī)50 MW的Andasol1槽式電站上進(jìn)行了首次成功的商業(yè)化應(yīng)用，自此開啟了熔鹽儲(chǔ)熱的商業(yè)化之門。雖然其技術(shù)仍在發(fā)展之中，但熔鹽技術(shù)固有的缺陷看起來比較難以克服，如有成熟應(yīng)用的二元太陽鹽的凝固點(diǎn)過高，導(dǎo)致其寄生性能源消耗過高；熔鹽的腐蝕性對(duì)熔鹽系統(tǒng)的設(shè)備材料要求較高，導(dǎo)致系統(tǒng)投資成本較高等。目前，熔鹽技術(shù)正從兩個(gè)方面發(fā)力來尋求更大的突破，一方面即革新熔鹽的成分配比，采用低熔點(diǎn)熔鹽等，另一方面即推進(jìn)熔鹽工質(zhì)直接吸熱傳熱技術(shù)的研發(fā)。

表7：抽水儲(chǔ)能的特點(diǎn)

表8：壓縮空氣儲(chǔ)能的特點(diǎn)

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表9：飛輪儲(chǔ)能的特點(diǎn)

表10：熱儲(chǔ)的特點(diǎn)

表11：氫儲(chǔ)的特點(diǎn)

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第五篇：石墨+水(未來儲(chǔ)能（定稿）

石墨 + 水 = 未來電池

兩種普通材料的組合——“石墨 + 水”能制造能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，產(chǎn)生媲美鋰離子電池的儲(chǔ)能效果，并且在幾秒鐘內(nèi)充滿電，擁有幾乎無限長的使用壽命。

“石墨 + 水” 儲(chǔ)能的原理是利用電荷在全界面導(dǎo)電碳原子表面的有序堆積來實(shí)現(xiàn)電能的大量、超快速儲(chǔ)存和釋放，以“石墨 + 水”凝膠為基礎(chǔ)的新型儲(chǔ)電裝置可以在幾秒內(nèi)充放電，擁有幾乎無限次的循環(huán)壽命。一直以來，產(chǎn)業(yè)界都在尋找高效、可控的電能儲(chǔ)備材料，要求其導(dǎo)電性能良好、物化性質(zhì)穩(wěn)定，能夠讓電荷在其微觀結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)最大程度的有序堆積，用以制作超級(jí)材料，實(shí)現(xiàn)電能的高效儲(chǔ)備及釋放。目前認(rèn)為納米石墨（石墨烯）就是這種潛在的理想材料。蒙納士大學(xué)材料工程系（Monash University Department of Materials Engineering）李旦博士和他的研究團(tuán)隊(duì)正在研究一種名叫石墨烯的材料，這種材料有可能成為下一代超快速能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。李博士說：“一旦我們能恰當(dāng)?shù)夭倏v這種材料，那么像 iPhone 這樣的設(shè)備可以在數(shù)秒鐘或更短的時(shí)間內(nèi)完成充電?！?/p>

石墨烯是石墨剝離成一個(gè)原子厚度的產(chǎn)物。石墨價(jià)格低廉、隨處可見，常用于鉛筆芯中，這種形式的石墨具有卓越的特性。由于石墨烯強(qiáng)度高，具有化學(xué)穩(wěn)定性，因此是絕佳的導(dǎo)電材料，它的另一個(gè)重要的特性就是表面積非常大。李博士說：“這些特性讓石墨烯非常適合應(yīng)用于能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。而目前石墨烯沒有被大規(guī)模應(yīng)用是因?yàn)檫@種材料非常薄，如果堆積到一起形成宏觀結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)立即緊密連接在一起形成石墨。石墨烯重新堆積之后大部分表面將消失，不再具有石墨烯的特性?！爆F(xiàn)在，李博士和他的團(tuán)隊(duì)找到了使石墨薄片保持其非凡特性的方法：水。水可讓石墨烯保持濕潤——以凝膠的形式存在——讓層與層之間產(chǎn)生排斥力，防止它們重新堆積。

李博士表示：“我們使用的是兩種基本的、不昂貴的材料——水和石墨，他們能讓這種納米材料擁有非常驚人的特性。這個(gè)技術(shù)非常簡單，能夠大規(guī)模應(yīng)用。我們發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)時(shí)，覺得它不可思議?！?/p>

目前，“石墨 + 水”儲(chǔ)能需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)是如何在不降低石墨烯物化性能的同時(shí)，將它高效有序的密集組裝在一起，并且能夠有效阻止石墨烯在加工過程中的二次堆疊。影響石墨烯廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問題是它的堆積結(jié)構(gòu)。通常情況下，緊密堆積的石墨烯容易重新形成石墨，這樣的話，將不再具有單片石墨烯獨(dú)有的性能。李博士團(tuán)隊(duì)在工作中發(fā)現(xiàn)，石墨烯作為一種極其少見的二維凝聚態(tài)導(dǎo)電物質(zhì)，在控制的條件下能夠與水相互作用自行組裝成微觀納米間隔而又宏觀緊密堆積的三維凝膠結(jié)構(gòu)，具有意想不到的性能，將會(huì)給電能儲(chǔ)備技術(shù)帶來突破性進(jìn)展。應(yīng)用到儲(chǔ)能設(shè)備上時(shí)，無論是在電荷的儲(chǔ)存量還是充電的速度方面，石墨烯凝膠能顯著超越當(dāng)前的碳基技術(shù)。目前以此材料構(gòu)造的電儲(chǔ)能裝置所獲能量密度已經(jīng)相當(dāng)于電動(dòng)汽車中廣泛使用的鋰離子電池，所獲功率密度百倍超過鋰離子電池，以此為動(dòng)力的電動(dòng)汽車將有可能替代傳統(tǒng)燃油動(dòng)力汽車。

新型儲(chǔ)電材料是低碳經(jīng)濟(jì)，清潔能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域，對(duì)人類未來可持續(xù)發(fā)展意義深遠(yuǎn)，尤其是對(duì)中國這樣一個(gè)石化能源進(jìn)口大國，關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的平穩(wěn)與安全。中國碳材料產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)，石墨礦藏儲(chǔ)量豐富，但是其產(chǎn)業(yè)一直處于產(chǎn)業(yè)鏈的低端?！笆?+ 水”儲(chǔ)能材料這一新技術(shù)將極大地提高現(xiàn)有石墨產(chǎn)業(yè)的附加值，改變電能儲(chǔ)存產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，有望在消費(fèi)電子、智能電網(wǎng)、動(dòng)力機(jī)械及電動(dòng)汽車領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。李博士認(rèn)為這種新技術(shù)的發(fā)展前景不僅僅局限于消費(fèi)電子產(chǎn)品，“高速、可靠、低成本的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，是未來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用可再生資源所產(chǎn)生的電能的關(guān)鍵，也是電動(dòng)汽車大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。石墨烯凝膠同時(shí)顯示出應(yīng)用于水凈化薄膜、生物醫(yī)療設(shè)備和傳感器的潛力。”

石墨烯每克賣600多美元 投產(chǎn)后能降到10元

更新：2013-04-27 09:57:48 作者：新聞中心 來源：現(xiàn)代金報(bào) 點(diǎn)擊：178次 【字號(hào)：大 中 小】

中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：全球首條石墨烯生產(chǎn)線今年將在寧波建成投產(chǎn)。記者昨天了解到，中科院寧波材料所與寧波墨西科技有限公司簽約，雙方聯(lián)合組建“石墨烯制備與應(yīng)用研發(fā)中心”。

這是全球首條石墨烯生產(chǎn)線

石墨烯量產(chǎn)技術(shù)是世界性難題，中科院寧波材料所的石墨烯量產(chǎn)技術(shù)在全球首先突破，寧波墨西科技有限公司將在今年建成全球第一條石墨烯生產(chǎn)線，第一期年產(chǎn)300噸。

寧波墨西科技有限公司董事長陳為健告訴記者，目前，7個(gè)生產(chǎn)車間以及倉庫已經(jīng)封頂，年產(chǎn)300噸石墨烯微片生產(chǎn)線將于今年10月建成投產(chǎn)。

“生產(chǎn)線第一期已基本建成，開始少量生產(chǎn)石墨烯產(chǎn)品，并免費(fèi)提供給本地企業(yè)試用。預(yù)計(jì)到今年10月，這條生產(chǎn)線第一期將正式建成投產(chǎn)?！标悶榻≌f，現(xiàn)在可以從國外少量進(jìn)口單層石墨烯產(chǎn)品，但價(jià)格非常昂貴，每克要600多美元，折合人民幣3000多元/克，價(jià)格是黃金的十多倍。這條300噸生產(chǎn)線建成后是生產(chǎn)石墨烯微片的，將成為全球首個(gè)量產(chǎn)的石墨烯生產(chǎn)線。到時(shí)候，可以將石墨烯生產(chǎn)成本降低到每克10元左右。

根據(jù)中科院寧波材料所與寧波墨西科技有限公司簽訂的協(xié)議，后者將從2012年起連續(xù)5年為前者提供每年1000萬元的研發(fā)經(jīng)費(fèi)。

中科院寧波材料所有關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，此次共建“石墨烯制備與應(yīng)用研發(fā)中心”，將圍繞石墨烯開展相關(guān)研發(fā)，提高產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性，擴(kuò)展石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域，最終使該研發(fā)中心成為國內(nèi)先進(jìn)的技術(shù)研發(fā)基地。

電瓶車10分鐘就能充滿電

石墨烯是從石墨材料中剝離出來，是目前世界上最薄的材料。除了最薄，它還是世界上最硬、導(dǎo)電性最好、導(dǎo)熱能力最強(qiáng)的新材料。

“石墨烯是有限資源，不可再生，制備成本很高，非常昂貴，現(xiàn)在只停留在實(shí)驗(yàn)室里，大大限制了石墨烯產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。”中科院寧波材料所的專家說，“我們的研究，就是讓其產(chǎn)業(yè)化，能成為大量供給的工業(yè)原料?！?/p>

石墨烯與我們的生活有什么關(guān)系呢？比如，能讓手機(jī)屏幕更薄，甚至折疊起來?！叭绻褂糜惺┏煞值脑蟻碜鍪謾C(jī)屏幕，可以直接把屏幕折疊起來使用，透明性也很好。這就像電影《阿凡達(dá)》里的那個(gè)透明彎曲、懸浮著的虛擬顯示屏。”

比如，用在電池上。“現(xiàn)在，電瓶車充電往往要1～3個(gè)小時(shí)才能充滿，如果使用石墨烯動(dòng)力的鋰電池，10分鐘內(nèi)就能完成，電池的性能、壽命也會(huì)大大提高?！痹搶＜艺f。

石墨烯的儲(chǔ)能特性及其前景展望

前言:能源和環(huán)境問題是目前人類亟需解決的兩大問題。在化石能源日漸枯竭，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，全球氣候變暖的今天，尋求替代傳統(tǒng)化石能源的可再生綠色能源，謀求人與環(huán)境的和諧顯得尤為迫切。對(duì)于新型的、綠色、儲(chǔ)能器件，在關(guān)切其綠色的同時(shí)，高功率密度，高能量密度則是其是否可以真正替代傳統(tǒng)能量儲(chǔ)運(yùn)體系的重要指標(biāo)。新型的電源體系，特別是二次電池或者超級(jí)電容器是目前重要的綠色儲(chǔ)能裝置，而其中核心部分是性能優(yōu)異的儲(chǔ)能材料。各種碳質(zhì)材料，特別是 sp2雜化的碳質(zhì)材料，由于其特殊的層狀結(jié)構(gòu)或者超大的比表面積，成為重要的儲(chǔ)能材料或者儲(chǔ)能體系的電極材料。作為 sp2雜化碳質(zhì)材料的基元結(jié)構(gòu)的單層石墨 ——石墨烯(graphene)，2004 年被成功制備；獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、真正的表面性固體(無孔 表面碳原子比例為 100%的超大表面材料)，使其成為下一代碳質(zhì)電極材料的重要選擇。

結(jié)構(gòu)研究：碳是自然界廣泛存在的一種元素，具有多樣性，特異性和廣泛性的特點(diǎn)。碳元素可以 sp、sp2、sp3三種雜化方式形成固體單質(zhì)。而 sp2雜化形成的碳質(zhì)材料的基元結(jié)構(gòu)是二維石墨烯片層。如圖 1 所示，如果在六元環(huán)形成的石墨烯晶格結(jié)構(gòu)中存在五元環(huán)的晶格, 就會(huì)使石墨烯片層翹曲, 當(dāng)有 12 個(gè)以上五元環(huán)晶格存在時(shí)就會(huì)形成零維的富勒烯；碳納米管可以看作是石墨烯沿一定角度卷曲形成的圓筒狀一維材料；石墨烯片層相互作用、疊加，便形成了三維的體相石墨。而作為無定形的多孔碳質(zhì)材料(活性炭 活性炭纖維及炭氣 凝膠等)則是由富含缺陷的微晶石墨炭(厚度和尺度很小的三維石墨片層結(jié)構(gòu))相互作用形成。

圖1 石墨烯的結(jié)構(gòu)(左圖)及由石墨烯為基本單元構(gòu)筑的sp2雜化碳質(zhì)材料(右圖)

石墨烯這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使其具有異常優(yōu)異的導(dǎo)電性。石墨烯的價(jià)帶和導(dǎo)帶(電子)相交于費(fèi)米能級(jí)處，是能隙為零的半導(dǎo)體，在費(fèi)米能級(jí)附近其載流子呈現(xiàn)線性的色散關(guān)系。石墨烯中的電子在軌道中移動(dòng)時(shí)，不會(huì)因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生散射。由于原子問作用力十分強(qiáng)，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯中電子受到的干擾也非常小。石墨烯是目前已知導(dǎo)電性能最出色的材料。石墨烯最大的特性是其中電子的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速 的 1／300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。石墨烯特殊的結(jié)構(gòu)使其具有完美的量子隧道效應(yīng)、半整數(shù)的量子霍爾效應(yīng)等一系列性質(zhì)

。石墨烯也具有良好的力學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)，具有突出的導(dǎo)熱性能(3 0 0 0 W／(I T I·K))和力學(xué)性能(1 0 6 0 GP a)，以及室溫下高速的電子遷移率(1 5 0 0 0 c m／(V·s))-l。石墨烯是真正的表面性固體，理想的單層石墨烯具有超大的比表面積，其理論比表面積高達(dá) 2600 m ／g，而單層石墨烯的比表面積為2 6 3 0 m ／g，大大超過目前應(yīng)用于電化學(xué)雙層電容器中的活性炭的比表面積。

良好的導(dǎo)電性是其他大比表面積碳質(zhì)材料很難具有的獨(dú)特性質(zhì)，預(yù)示著石墨烯很可能是性能極佳的電極材料；而良好的熱導(dǎo)性質(zhì)光學(xué)性質(zhì)和力學(xué)強(qiáng)度，也預(yù)示著石墨烯材料可用于超薄型、超微型的電極材料和儲(chǔ)能器件，而這樣的儲(chǔ)能元件可用于高密度的納電子器件和 高功率電池組中。3．石墨烯材料的制備

石墨烯的主要制備方法有機(jī)械劈裂法口、外延晶體生長法、化學(xué)氣相沉積法、氧化石墨的熱膨脹和還原法。還有一些其他制備方法也陸續(xù)被開發(fā)出來，如氣相等離子體生長技術(shù)、靜電沉積法和高溫高壓合成法等。在上述制備石墨烯的工藝中，化學(xué)法制備以相對(duì)簡單和低廉正受到越來越多的關(guān)注?；瘜W(xué)法制備石墨烯主要采用氧化石墨、膨脹石墨或微粉石墨作為石墨源，其中以氧化石墨為源制備的石墨烯存在較多的含氧官能團(tuán)和不可逆轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)缺陷，極大地影響了石墨烯的電學(xué)性能，而以膨脹石墨或者微粉石墨為源制備的石墨烯，具有缺陷很少、導(dǎo)電率很好的特點(diǎn)。

目前已能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室大規(guī)模制備石墨烯，但工業(yè)化生產(chǎn)還需有個(gè)過渡階段。大量的問題還需要研究，例如： 如何低成本、大規(guī)模制備出期望結(jié)構(gòu)的石墨烯，如何實(shí)現(xiàn)其微加工 來完成對(duì)石墨烯大小、邊緣和形狀的控制，不同層結(jié)構(gòu)的石墨烯性能如何等等，這些都是需要解決的關(guān)鍵性問題。另外，關(guān)于石墨烯的基本物理性能及展示獨(dú)特優(yōu)異性質(zhì)的內(nèi)在原理的研究也需要深入。4.石墨烯材料的應(yīng)用

石墨烯在超級(jí)電容器中的應(yīng)用

碳質(zhì)材料是最早也是目前研究和應(yīng)用得很廣泛的超級(jí)電容器電極材料。用于超級(jí)電容器的碳質(zhì)材料目前主要集中于活性炭(AC)、活性炭纖維(ACF)炭氣凝膠、碳納米管(CNTs)和模板炭等。這些 sp2碳質(zhì)材料的基元材料是石墨烯自石墨烯被成功制備出來后，人們開始探究其這種極限結(jié)構(gòu)的 sp2碳質(zhì)材料在超級(jí)電容器里應(yīng)用的可能性

Ruoff 小組利用化學(xué)改性的石墨烯作為電極材料，測(cè)試了基于石墨烯的超級(jí)電容器的性能。這種石墨烯材料的電容性能在水系和有機(jī)電解液中的比電容分別可以達(dá)到 135 F/g 和 99 F/g。Rao 等人比較了通過三種方法制備的石墨烯的電容性能。在硫酸電解液中，通過氧化石墨熱膨脹法和納米金剛石轉(zhuǎn)化法得到的石墨烯具有較高的比電容，可以達(dá)到 117 F/g；在有機(jī)電解液中，電壓為5 V 的時(shí)候，其比電容和比能量可以達(dá)到 71 F/g 和 31.9 Wh/kg。

石墨烯材料應(yīng)用于超級(jí)電容器有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。石墨烯是完全離散的單層石墨材料，其整個(gè)表面可以形成雙電層；但是在形成宏觀聚集體過程中，石墨烯片層之間互相雜亂疊加，會(huì)使得形成有效雙電層的面積減少(一般化學(xué)法制備獲得的石墨烯具有 200-200 m2/g)即 使如此，石墨烯仍然可以獲得 100~230F/g 的比電容 如果其表面可以完全釋放，將獲得遠(yuǎn)高于多孔炭的比電容在石墨烯片層疊加，形成宏觀體的過程中，形成的孔隙集中在 100 nm 以上，有利于電解液的擴(kuò)散，因此基于石墨烯的超級(jí)電容器具有良好的功率特性。

石墨烯在鋰離子電池中的應(yīng)用

對(duì)鋰離子電池負(fù)極材料的研究，主要集中在碳質(zhì)材料、合金材料和復(fù)合材料等方面。碳質(zhì)材料是最早為人們所研究并應(yīng)用于鋰離子電池商品化的材料，至今仍是大家關(guān)注和研究的重點(diǎn)之一。碳質(zhì)材料根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分成可石墨化炭(軟炭)無定形炭(硬炭)和石墨類 目前對(duì)碳負(fù)極的研究主要是采用各種手段對(duì)其表面進(jìn)行改性，但是對(duì)人造石墨再進(jìn)行表面處理 將進(jìn)一步增加制造成本，因此今后研究的重點(diǎn)仍將是怎樣更好地利用廉價(jià)的天然石墨和開發(fā)有價(jià)值的無定形碳材料。因此，從石墨出發(fā)制造低成本高性能的鋰離子電池負(fù)極材料是現(xiàn)在的主要研究方向石墨烯作為一種由石墨出發(fā)制備的新型碳質(zhì)材料，單層或者薄層石墨在鋰離子電池里的應(yīng)用潛力也落入研究者的視野之中。

Yoo 等人研究了石墨烯應(yīng)用于鋰離子二次電池負(fù)極材料中的性能，其比容量可以達(dá)到 540 mAh/g 如果在其中摻入 C60 和碳納米管后，負(fù)極的比容量可以達(dá)到 784 mAh/g 和 730 mAh/g。Khantha 等人通過理論計(jì)算討論了石墨烯的儲(chǔ)鋰機(jī)理。3 在太陽能電池和燃料電池中的應(yīng)用

除了顯示出作為超級(jí)電容器和鋰離子電池的巨大潛力外，石墨烯也在太陽電池、燃料電池方面展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。二維的石墨烯具有良好的透光性和導(dǎo)電性，是替代 ITO很有

潛力的材料。利用石墨烯及其復(fù)合材料制作透明導(dǎo)電膜并將其應(yīng)用于太陽能電池中也成為人們研究的熱點(diǎn)。

W an g等

將氧化石墨熱膨脹后熱處理還原得到的石墨烯制作為透明導(dǎo)電膜，應(yīng)用于染料敏化太陽電池中，取得了較好的結(jié)果。制備的石墨烯透明導(dǎo)電膜的電導(dǎo)率可以達(dá)到 5 5 o s／c m，在 1000 ~3 000 nm的波長范圍內(nèi)，透光率可達(dá)7%以上。Wu等m 采用溶液法制備石墨烯透明導(dǎo)電膜，并應(yīng)用于有機(jī)太陽能電池中作為陽極。由于應(yīng)用的石墨烯未經(jīng)過有效的還原，所以電阻較大，致得到的太陽能電池短路，電流及填充因數(shù)不及氧化銦。如果可以降低石墨烯膜的電阻，得到的結(jié)果可能要更好。L i 等對(duì)石墨采用剝離一 再嵌入一擴(kuò)張的方法，成功地制備了高質(zhì)量石墨烯，其電阻為通過以氧化石墨為原料制備的石墨烯電阻的，并以D MF為溶劑，成功地制備了 L B膜。這種透明導(dǎo)電膜也成為應(yīng)用于太陽能電池的潛在材料。Ry a n等“用溶液法制備”的石墨烯與其它貴金屬材料復(fù)合作為電極，組裝的有機(jī)太陽能電池的短路電流密度可以到 4.O mA／c I T I，開路電壓為

硅高2 V，光轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到 1.1 %。

目前，太陽能電池的重要原料是高純的單晶硅或多晶。但硅的生產(chǎn)成本高，加工需要高溫，能量轉(zhuǎn)換率還不夠，如果石墨烯能成為太陽能電池的主要材料，就能克服以上缺點(diǎn)。在儲(chǔ)氫／ 甲烷中的應(yīng)用

Di mi t r a k a k i s 等利用石墨烯和碳納米管設(shè)計(jì)了一個(gè)三維儲(chǔ)氫模型，如果這種材料摻入鋰離子，其在常壓下儲(chǔ)氫能力可以達(dá)到4 1 g／L。因此，石墨烯這種新材料的出現(xiàn)，為人 們對(duì)儲(chǔ)氫／ 甲烷材料的設(shè)計(jì)提供了一種新的思路和材料。

圖2由石墨烯和碳納米管組成的3D結(jié)構(gòu)儲(chǔ)氫模型

展望：石墨在大自然中非常普遍，但科學(xué)家如何找到一種將石墨轉(zhuǎn)變成大片高質(zhì)量石墨烯“ 薄膜” 的方法是很重要的。目前，人們的研究主要集中于 3個(gè)方面： 一是石墨烯的低成本大規(guī)模制備的基礎(chǔ)研究，二是石墨烯基復(fù)合材料的制備與性能研究，三是石墨烯材料在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用研究。石墨烯具有獨(dú)特的優(yōu)異電學(xué)性能，近年來石墨烯材料的制備及其儲(chǔ)能材料領(lǐng)域的應(yīng)用取得了較大進(jìn)展，隨著人們對(duì)石墨烯及其復(fù)合材料研究的深入 以及制備方法的改進(jìn)，石墨烯及其復(fù)合材料在電化學(xué)中的應(yīng)用將會(huì)得到更為廣泛的關(guān)注。與碳納米管的發(fā)現(xiàn)與研究應(yīng)用過程類似，在今后的若干年里石墨烯的研究會(huì)越來越深入，其最終進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段是必然的。石墨烯材料是當(dāng)今世界新材料科技發(fā)展的又一制高點(diǎn) 對(duì)其深入研究與開發(fā)將給許多領(lǐng)域的發(fā)展帶來巨大機(jī)會(huì)。

在日前舉行的―2011中國科技創(chuàng)業(yè)計(jì)劃大賽‖中，中科院寧波材料所新能源技術(shù)研究所劉兆平團(tuán)隊(duì)的石墨烯產(chǎn)業(yè)化技術(shù)一舉奪得―海外人才創(chuàng)業(yè)獎(jiǎng)‖，獲大賽最高獎(jiǎng)金100萬元，從而引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。人們不禁要問：什么是石墨烯？這項(xiàng)陌生的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)具有怎樣的意義？

“石墨烯其實(shí)就是單層石墨，是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的二維晶體，它只有一層碳原子的厚度，是目前世界上最薄的材料?！眲⒄灼窖芯繂T告訴記者，“2004年，海姆與同事康斯坦丁·諾沃肖洛夫制成石墨烯，石墨烯從此成為科學(xué)界和工業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)，兩人憑此獲得2010年的諾貝爾物理獎(jiǎng)?！?/p>

石墨烯之所以如此令人關(guān)注，是因?yàn)檫@個(gè)產(chǎn)品在信息技術(shù)、新能源、功能復(fù)合材料乃至生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域均具有極其廣闊的應(yīng)用前景。劉兆平解釋說，石墨烯很有可能取代硅成為下一代超高頻率晶體管的基礎(chǔ)材料而廣泛應(yīng)用于高性能集成電路和新型納米電子器件中，也有可能作為添加劑廣泛應(yīng)用于新型高強(qiáng)度復(fù)合材料之中。石墨烯良好的導(dǎo)電性及其對(duì)光的高透過性，又讓它在透明導(dǎo)電薄膜的應(yīng)用中獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。

“石墨烯產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的應(yīng)用，將會(huì)給我們的生活帶來很多令人驚喜的變化。比如我們都知道蘋果手機(jī)，它的屏幕已經(jīng)很薄了，但是如果用有石墨烯成分的原料來做這個(gè)屏幕，我們可以直接把屏幕折疊起來使用，透明性也很好，就像電影《阿凡達(dá)》里的那個(gè)透明彎曲、懸浮著的虛擬顯示屏。另外，它還可以用于制作石墨烯動(dòng)力電池?，F(xiàn)在的電瓶車、電動(dòng)汽車的普通電池充電通常需要1~3小時(shí)，石墨烯動(dòng)力鋰電池在10分鐘內(nèi)就可以完成快速充電，而且電池的性能會(huì)大大提高，壽命更長?！眲⒄灼秸f。

誘人的市場前景促使世界各國的科學(xué)家們紛紛以極大的熱情投入到石墨烯的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究之中，近年來該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展更是呈現(xiàn)出突飛猛進(jìn)的態(tài)勢(shì)。但由于石墨烯資源有限且不可再生，制備成本又非常昂貴，每克要5000元，高昂的制作成本成為橫亙?cè)谑┊a(chǎn)業(yè)化發(fā)展進(jìn)程中的一道難以逾越的障礙。因此，攻克石墨烯低成本規(guī)制備技術(shù)，成為科學(xué)家們共同面對(duì)的一個(gè)挑戰(zhàn)。

為攻克這道世界性難題，劉兆平研究員和他的團(tuán)隊(duì)義無反顧地投身到艱苦的研究之中。在中科院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目的支持下，經(jīng)過兩年多的努力，最終成功取得了石墨烯低成本規(guī)?；苽浼夹g(shù)的重大突破。今年7月，他們通過和寧波一家企業(yè)合作，建成了世界上第一條且擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的年產(chǎn)30噸石墨烯中試生產(chǎn)線，并成功地通過了中試。從中試結(jié)果來看，不僅產(chǎn)品品質(zhì)達(dá)到國際先進(jìn)水平，而且產(chǎn)品售價(jià)可以直降至每千克3000元，具有極強(qiáng)的市場競爭力。現(xiàn)在項(xiàng)目組已經(jīng)收到了國外客戶的大量訂單。

從最硬到最軟，從絕緣體到導(dǎo)體，從全吸光到全透光，各種類型碳材料所具有的性質(zhì)幾乎囊括了地球上所有物質(zhì)的性質(zhì)，極大推動(dòng)了航空航天、航海、能源、交通、電子、化工、環(huán)保等領(lǐng)域的快速發(fā)展。甚至有人提出，21世紀(jì)有可能是碳的時(shí)代。作為新材料的中堅(jiān)力量，碳材料在未來將有哪些優(yōu)異表現(xiàn)？能否成為新材料領(lǐng)域里的尖端部隊(duì)？從科學(xué)家們對(duì)以碳納米管、石墨烯為代表的碳納米材料和以核石墨為代表的新型碳材料的未來暢想中，人們看到了激動(dòng)人心的前景。

碳納米管：太空電梯有望成真

著名科幻大師阿瑟·克拉克1979年在其小說《天堂噴泉》中首次提出太空電梯概念。簡單來說，太空電梯就是一條從地球表面延伸至太空的長電纜，其質(zhì)心位于35786千米高的地球靜止軌道（GEO）。電磁飛行器將沿著電纜行進(jìn)，在地球和太空之間運(yùn)送乘客和有效載荷。一旦夢(mèng)想成真，其運(yùn)輸成本將大大低于火箭，并將滿足人類在潔凈和可再生能源方面的需求。他預(yù)言：―太空電梯將在人們停止對(duì)其嘲笑50年以后被制造出來?！?/p>

太空電梯如果能成為未來到達(dá)外層太空的運(yùn)輸系統(tǒng)，科學(xué)家面臨的首要問題就是電纜材質(zhì)的選擇。該電纜必須重量超輕、強(qiáng)度超高，可以承受地球大氣層內(nèi)外所有發(fā)射體的撞擊。日本太空電梯協(xié)會(huì)會(huì)長大野修一介紹，經(jīng)過研究，科學(xué)家們已開發(fā)了一種叫作碳納米管的纖維，可達(dá)到所需強(qiáng)度的四分之一，這是已知最接近標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的物質(zhì)。

與此同時(shí)，英國Nanocomp技術(shù)公司日前制造出了世界最大的碳納米管被單。雖然被單面積僅1.6平方米，不足以充當(dāng)一條沙灘毯子，但其包含數(shù)百億個(gè)碳納米管，強(qiáng)度為鋼的200倍，而密度只有鋼的1/30，這讓人類太空電梯的夢(mèng)想顯現(xiàn)出絲絲光亮。日本科學(xué)家認(rèn)為，他們可以解決這其中會(huì)遇到的材料、工程等問題，目前正計(jì)劃在距離地球赤道地面36000千米的空中發(fā)射一顆靜止衛(wèi)星，從衛(wèi)星上垂下一條總長度達(dá)10萬千米的納米材質(zhì)電纜，預(yù)計(jì)建造成本僅1萬億日元。

美國麻省理工學(xué)院教授杰夫·霍夫曼表示，相信人類在一個(gè)合理的時(shí)間框架內(nèi)能夠做到，但目前沒有能力用碳納米管制造長電纜。

石墨烯：超級(jí)計(jì)算機(jī)放進(jìn)口袋

晶體管的發(fā)明打開了硅元素的應(yīng)用之門。信息時(shí)代可以說是硅電子元器件的天下，集成電路更是信息時(shí)代名副其實(shí)的―核心‖。但隨著集成度越來越高，晶體管的體積面臨物理極限，內(nèi)部金屬導(dǎo)線也難以承受更高頻率的信號(hào)傳送，傳統(tǒng)硅集成電路發(fā)展遭遇瓶頸。未來出路在哪里呢？IBM的一項(xiàng)研究為人們打開了思路。據(jù)了解，IBM用石墨烯制造成場效應(yīng)晶體管，取代硅集成電路。這種石墨烯場效應(yīng)管的頻率可達(dá)100G赫茲，即每秒一千億次以上。如果用它來制作CPU、GPU之類的芯片，不僅速度快、能耗低，說不定超級(jí)計(jì)算機(jī)也可以放進(jìn)口袋。

美國康奈爾大學(xué)研究人員還利用碳納米管代替?zhèn)鹘y(tǒng)硅管，制造出高效太陽能電池，其在光能轉(zhuǎn)化成電能的過程中，可以使電流強(qiáng)度加倍。研究人員稱碳納米管是一種理想的光電二極管。

石墨烯晶體管和碳納米管在替代硅方面的應(yīng)用，或許有朝一日能讓人類告別硅時(shí)代，那時(shí)候的―硅谷‖可能要改成―碳谷‖。不過，石墨烯制造工藝要比單晶硅復(fù)雜得多，可能需要一個(gè)很久遠(yuǎn)的時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)。

核石墨：核電站的安全衛(wèi)士

核石墨具有熱膨脹系數(shù)低、抗熱沖擊性好、中子活化性能低等優(yōu)異性能，早在第一代核裂變反應(yīng)堆就已經(jīng)使用。在第四代反應(yīng)堆，特別是最近的高溫氣冷堆中，核石墨更是不可缺少的慢化、反射和結(jié)構(gòu)材料。日本核電站事故中的主反應(yīng)堆并沒有爆炸，發(fā)生爆炸的只是其儲(chǔ)存核廢料的部分，而保住核電站主反應(yīng)堆的正是用純核石墨制成的外罩?？梢哉f，核石墨在捕集核廢料、吸收核放射粒子等方面具有極大應(yīng)用潛力，是核電站不折不扣的―安全衛(wèi)士‖。

據(jù)清華大學(xué)深圳研究生院院長康飛宇教授介紹，核石墨主要用于生產(chǎn)石墨球、堆芯材料、電極等制品。由于核石墨對(duì)純度、各向同性等指標(biāo)要求比較高，世界上至今只有德國西格里、日本東洋炭素和東海炭素、法國羅蘭石墨等企業(yè)能夠生產(chǎn)，我國則主要依靠進(jìn)口，而1噸核石墨的價(jià)格高達(dá)幾十萬元。

核石墨技術(shù)是核電站技術(shù)進(jìn)步的基礎(chǔ)。目前，我國正大力研究最先進(jìn)的第四代反應(yīng)堆，反應(yīng)堆升級(jí)換代對(duì)核石墨的需求也水漲船高。如果新一代的核石墨外罩能夠做到一步成型、無縫銜接，相信核電技術(shù)也會(huì)發(fā)展得更快、更安全。

10月17日，美國科學(xué)家表示，他們研發(fā)了一種人工合成高質(zhì)量石墨烯的技術(shù)，新方法不僅可控且可進(jìn)行擴(kuò)展，有望為下一代電子設(shè)備的研制鋪平道路。相關(guān)研究將發(fā)表在今年的第11期《碳》雜志上。

石墨烯是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的二維晶體，只有一層碳原子的厚度，是迄今最薄也最堅(jiān)硬的材料，其導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能超強(qiáng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過硅和其他傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料。科學(xué)家們認(rèn)為，石墨烯有望徹底變革材料科學(xué)領(lǐng)域，未來或能取代硅成為電子元件材料，廣泛應(yīng)用于超級(jí)計(jì)算機(jī)、柔性觸摸屏、環(huán)保和醫(yī)療設(shè)備、光子傳感器以及有機(jī)太陽能電池等諸多領(lǐng)域。但要讓石墨烯更好地應(yīng)用于電子工業(yè)，還需找到可控且有效的方法，在更大范圍內(nèi)獲得更高質(zhì)量的石墨烯。加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校（UCSB）電子和計(jì)算機(jī)工程系教授考斯塔弗·巴納吉領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)研制出的最新合成技術(shù)能提供高質(zhì)量且均質(zhì)的石墨烯。這一過程不僅可進(jìn)行擴(kuò)展，還能控制最終得到的石墨烯的層數(shù)——單層還是雙層，這一點(diǎn)對(duì)石墨烯在電子和其他技術(shù)領(lǐng)域大展拳腳來說非常重要。研究團(tuán)隊(duì)的技術(shù)關(guān)鍵是他們深刻理解了基座對(duì)石墨烯生長動(dòng)力學(xué)的重大影響。他們?cè)谝粋€(gè)經(jīng)過預(yù)處理的銅基座上使用低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）法并在特定的高溫下將甲烷分解，從而制造出了均質(zhì)的碳層（石墨烯）。參與研究的博士后研究員劉偉（音譯）表示：―銅基座上不完美的位置點(diǎn)會(huì)顯著影響石墨烯的生長，通過對(duì)銅表面進(jìn)行正確處理并精確選擇生長參數(shù)，我們做到了讓石墨烯的質(zhì)量和均質(zhì)性達(dá)到最優(yōu)化的同時(shí)控制石墨烯的層數(shù)?！芯咳藛T李宏（音譯）稱：―新方法制造出的石墨烯獲得了迄今化學(xué)氣相沉積法制造出的石墨烯擁有的最大載流子遷移率：平均值為4000平方厘米/伏·秒，最大值為5500平方厘米/伏·秒。與硅相比要高很多。

巴納吉表示：―毫無疑問，石墨烯是一種非常優(yōu)異的材料，其應(yīng)用范圍非常廣泛，但在如何獲得高質(zhì)量的石墨烯以及如何定制其屬性以便用于特殊用途等方面，我們還面臨著巨大的挑戰(zhàn)，不過，這些挑戰(zhàn)也是我們未來研究的肥沃土壤?！?/p>

石墨烯 + 水 = 未來電池

兩種材料的組合——―石墨烯 + 水‖能制造能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，產(chǎn)生媲美鋰離子電池的儲(chǔ)能效果，并且在幾秒鐘內(nèi)充滿電，擁有幾乎無限長的使用壽命。

―石墨烯 + 水‖ 儲(chǔ)能的原理是利用電荷在全界面導(dǎo)電碳原子表面的有序堆積來實(shí)現(xiàn)電能的大量、超快速儲(chǔ)存和釋放，以―石墨烯 + 水‖凝膠為基礎(chǔ)的新型儲(chǔ)電裝置可以在幾秒內(nèi)充放電，擁有幾乎無限次的循環(huán)壽命。一直以來，產(chǎn)業(yè)界都在尋找高效、可控的電能儲(chǔ)備材料，要求其導(dǎo)電性能良好、物化性質(zhì)穩(wěn)定，能夠讓電荷在其微觀結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)最大程度的有序堆積，用以制作超級(jí)材料，實(shí)現(xiàn)電能的高效儲(chǔ)備及釋放。目前認(rèn)為納米石墨（石墨烯）就是這種潛在的理想材料。蒙納士大學(xué)材料工程系（Monash University Department of Materials Engineering）李旦博士和他的研究團(tuán)隊(duì)正在研究一種名叫石墨烯的材料，這種材料有可能成為下一代超快速能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。李博士說：―一旦我們能恰當(dāng)?shù)夭倏v這種材料，那么像 iPhone 這樣的設(shè)備可以在數(shù)秒鐘或更短的時(shí)間內(nèi)完成充電?！?/p>

石墨烯是石墨剝離成一個(gè)原子厚度的產(chǎn)物。石墨價(jià)格低廉、隨處可見，常用于鉛筆芯中，這種形式的石墨具有卓越的特性。由于石墨烯強(qiáng)度高，具有化學(xué)穩(wěn)定性，因此是絕佳的導(dǎo)電材料，它的另一個(gè)重要的特性就是表面積非常大。李博士說：―這些特性讓石墨烯非常適合應(yīng)用于能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。而目前石墨烯沒有被大規(guī)模應(yīng)用是因?yàn)檫@種材料非常薄，如果堆積到一起形成宏觀結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)立即緊密連接在一起形成石墨。石墨烯重新堆積之后大部分表面將消失，不再具有石墨烯的特性?！F(xiàn)在，李博士和他的團(tuán)隊(duì)找到了使石墨薄片保持其非凡特性的方法：水。水可讓石墨烯保持濕潤——以凝膠的形式存在——讓層與層之間產(chǎn)生排斥力，防止它們重新堆積。

李博士表示：―我們使用的是兩種基本的、不昂貴的材料——水和石墨烯，他們能讓這種納米材料擁有非常驚人的特性。這個(gè)技術(shù)非常簡單，能夠大規(guī)模應(yīng)用。我們發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)時(shí)，覺得它不可思議?！?/p>

目前，―石墨烯 + 水‖儲(chǔ)能需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)是如何在不降低石墨烯物化性能的同時(shí)，將它高效有序的密集組裝在一起，并且能夠有效阻止石墨烯在加工過程中的二次堆疊。影響石墨烯廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問題是它的堆積結(jié)構(gòu)。通常情況下，緊密堆積的石墨烯容易重新形成石墨，這樣的話，將不再具有單片石墨烯獨(dú)有的性能。李博士團(tuán)隊(duì)在工作中發(fā)現(xiàn)，石墨烯作為一種極其少見的二維凝聚態(tài)導(dǎo)電物質(zhì)，在控制的條件下能夠與水相互作用自行組裝成微觀納米間隔而又宏觀緊密堆積的三維凝膠結(jié)構(gòu)，具有意想不到的性能，將會(huì)給電能儲(chǔ)備技術(shù)帶來突破性進(jìn)展。應(yīng)用到儲(chǔ)能設(shè)備上時(shí)，無論是在電荷的儲(chǔ)存量還是充電的速度方面，石墨烯凝膠能顯著超越當(dāng)前的碳基技術(shù)。目前以此材料構(gòu)造的電儲(chǔ)能裝置所獲能量密度已經(jīng)相當(dāng)于電動(dòng)汽車中廣泛使用的鋰離子電池，所獲功率密度百倍超過鋰離子電池，以此為動(dòng)力的電動(dòng)汽車將有可能替代傳統(tǒng)燃油動(dòng)力汽車。

新型儲(chǔ)電材料是低碳經(jīng)濟(jì)，清潔能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域，對(duì)人類未來可持續(xù)發(fā)展意義深遠(yuǎn)，尤其是對(duì)中國這樣一個(gè)石化能源進(jìn)口大國，關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的平穩(wěn)與安全。中國碳材料產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)，石墨礦藏儲(chǔ)量豐富，但是其產(chǎn)業(yè)一直處于產(chǎn)業(yè)鏈的低端。―石墨烯 + 水‖儲(chǔ)能材料這一新技術(shù)將極大地提高現(xiàn)有石墨產(chǎn)業(yè)的附加值，改變電能儲(chǔ)存產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，有望在消費(fèi)電子、智能電網(wǎng)、動(dòng)力機(jī)械及電動(dòng)汽車領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。李博士認(rèn)為這種新技術(shù)的發(fā)展前景不僅僅局限于消費(fèi)電子產(chǎn)品，―高速、可靠、低成本的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，是未來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用可再生資源所產(chǎn)生的電能的關(guān)鍵，也是電動(dòng)汽車大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。石墨烯凝膠同時(shí)顯示出應(yīng)用于水凈化薄膜、生物醫(yī)療設(shè)備和傳感器的潛力?！?/p>

在科技部、國家自然科學(xué)基金委和中國科學(xué)院的支持下，化學(xué)研究所有機(jī)固體院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)研究人員致力于分子材料和器件的研究，取得了一些新進(jìn)展，引起了國際學(xué)術(shù)界的關(guān)注，并分別在Chem.Rev.和Chem.Soc.Rev.上發(fā)表了綜述。

在有機(jī)場效應(yīng)晶體管(OFET)中，介電層/半導(dǎo)體層界面狀態(tài)對(duì)器件性能有重要影響。在目前OFET的界面研究中，諸多界面參數(shù)的計(jì)算和測(cè)量都是基于統(tǒng)計(jì)平均的方法。表面能作為一個(gè)重要的介電層/半導(dǎo)體界面影響因素，其均勻程度對(duì)器件性能的影響在此前的界面研究中長期被忽視，而對(duì)表面能非均性這一關(guān)鍵因素考量的缺失，也正是界面研究中眾多爭議產(chǎn)生的主要根源之一。

該課題組在對(duì)介電層表面能非均勻性引起的一系列實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行充分研究的基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)證明了表面能非均勻性對(duì)有機(jī)場效應(yīng)晶體管性能影響的廣泛性，并且發(fā)現(xiàn)了表面能非均勻程度和有機(jī)場效應(yīng)晶體管遷移率之間存在一種線性反比關(guān)系。相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Adv.Mater.2011, 23, 1009-1014）上，并被選為插頁（圖1）。

隨后，該課題組的研究人員又在上述工作基礎(chǔ)上，通過利用介電層表面能非均勻性對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體層生長形貌進(jìn)行控制和優(yōu)化，制備出空穴遷移率高達(dá)3.6cm2/Vs的并五苯場效應(yīng)晶體管，這是國際上已報(bào)道的并五苯柔性薄膜器件的最優(yōu)結(jié)果之一。同時(shí)，研究人員又在這一高性能晶體管基礎(chǔ)上，制備了高性能柔性環(huán)形振蕩器，振蕩頻率超過1 kHz（圖2）。相關(guān)研究成果在《先進(jìn)材料》（Adv.Mater.2011, 23, 3128-3133）上發(fā)表。

石墨烯是由碳原子六角結(jié)構(gòu)緊密排列的二維單層石墨層，是構(gòu)成其它維度碳材料如富勒烯、碳納米管和金剛石的基本單元。如何制備高質(zhì)量，大面積，形貌可控的石墨烯是石墨烯領(lǐng)域的核心問題，也成為國際上石墨烯研究的競爭點(diǎn)所在。化學(xué)氣相沉積法（CVD）由于具有成本低廉，可大規(guī)模制備等優(yōu)點(diǎn)，近幾年發(fā)展迅速，已經(jīng)成為制備石墨烯的主要手段。該課題組采用CVD方法，選取金屬銅作為催化劑，精確控制生長條件，成功地制備出形貌規(guī)則的六角石墨烯，并對(duì)其電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了深入研究（圖3）。六角形貌石墨烯的發(fā)現(xiàn)極大地?cái)U(kuò)展了石墨烯領(lǐng)域的研究內(nèi)容。相關(guān)研究內(nèi)容發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Adv.Mater.2011, 23, 3522-3525）上。

基于石墨烯的新結(jié)構(gòu)的探索是石墨烯研究領(lǐng)域的一個(gè)重要研究內(nèi)容。課題組在液氮的條件下通過微波火花法剝離天然石墨，獲得了高質(zhì)量、高純度的碳納米卷（圖4）。這種石納米卷是由少數(shù)層或單層石墨烯卷曲而成，并有緊密的結(jié)構(gòu)。該碳納米卷的場效應(yīng)器件在空氣和氮?dú)庵卸季哂蟹€(wěn)定的雙極性行為，在氮?dú)庵凶罡叩目昭ㄟw移率可以達(dá)到3117 cm2/Vs，電子遷移率可以達(dá)到4595 cm2/Vs。碳納米卷的還具有著穩(wěn)定的線性電流/電壓曲線，最高電流密度可達(dá)7 × 107 A/cm2（Adv.Mater.2011, 23, 2460-2463）。

最近，課題組和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究人員合作利用電化學(xué)方法，在柔性襯底上，將滴在兩電極間的氧化石墨烯溶液中的氧化石墨烯通過一步法實(shí)現(xiàn)了還原和排布（圖5左），并成功將其應(yīng)用于農(nóng)藥的傳感器中。該傳感器對(duì)常用農(nóng)藥—樂果的傳感靈敏度達(dá)到了7.6 ppb（圖5右），并進(jìn)一步分析得到該農(nóng)藥分子的活性來自于：氮、硫和磷原子的共同作用結(jié)果。相關(guān)研究成果發(fā)表在Adv.Mater.(2011, 23, 4626–4630)上。

多年來，相關(guān)研究人員開展了碳納米管及其特性的研究，在碳納米管可控制備、生長機(jī)理和電性能方面取得了系列成果，并得到學(xué)術(shù)界同行的認(rèn)可，英國皇家化學(xué)會(huì)發(fā)表了Tutorial Review(Chem.Soc.Rev., 2011, 40, 1324-1336)，系統(tǒng)地介紹了近幾年來在碳納米管分離和富集的成果。

作為潛在的大面積，低成本，柔性的電子器件，有機(jī)場效應(yīng)晶體管的研究在過去十年取得了重要的發(fā)展，正在走向應(yīng)用。有機(jī)場效應(yīng)晶體管主要為薄膜型器件，因此薄膜的制備技術(shù)、表征技術(shù)對(duì)薄膜的質(zhì)量和器件性能具有重要的影響。該課題組不但重視分子材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)與器件性能之間的關(guān)系，還在薄膜的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)與器件性能之間的關(guān)系的研究方面取得一些成果。應(yīng)Chem.Rev.雜志的邀請(qǐng)，就―應(yīng)用于場效應(yīng)晶體管的有機(jī)薄膜的制備與表征的實(shí)驗(yàn)技術(shù)‖撰寫了綜述(Chem.Rev.2011, 111, 3358-3406)。

圖1 介電層表面能非均勻性機(jī)理示意圖和當(dāng)期《先進(jìn)材料》插頁

圖2 基于高性能并五苯場效應(yīng)晶體管的五級(jí)柔性環(huán)形震蕩電路

圖3 CVD方法制備的六角石墨烯AFM圖和兩種可能的邊界排列

圖4 碳納米卷形成示意圖

圖5 左圖：為一步法排布與還原氧化石墨烯的示意圖；右圖：為制備的傳感器對(duì)農(nóng)藥樂果的電流信號(hào)響應(yīng)。