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生物燃料电池的应用范文1
关键词：葡萄糖燃料电池 生物燃料电池 直接燃料电池 研究进展
中图分类号：TM911 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2015）06-0289-02
燃料电池作为一种新型能源，具有能量转换效率高、功率密度高、响应速度快、启动时间短、洁净、无污染、噪声低等优点，适用于可移动动力源、电动车以及分散电站，既可以集中供电也适合分散供电。葡萄糖是具有潜在的巨大能量密度的生物质燃料，其完全转化为CO2将转移24个电子，经热力计算可得理论能量密度为4430 Wh・kg-1[1]。造纸、酿酒等工业废水中都含有大量的葡萄糖，且相较于甲醇等生物质燃料，葡萄糖具有无毒无臭、清洁等特点，可成为代替甲醇作为燃料电池的能源。
一、葡萄糖燃料电池的分类
根据葡萄糖燃料电池（Glucose fuel cell， GFC）按照催化剂的种类可以分为葡萄糖生物燃料电池（Biofuel cell， BFC））和葡萄糖直接燃料电池（Direct glucose fuel cell， DGFC）。葡萄糖生物燃料电池是以微生物或酶为催化剂，将燃料中的化学能直接转化为电能的一种特殊燃料电池。 微生物燃料电池（Microbial fuel cell， MFC）是通过微生物的催化反应将化学能转换成电能，相对酶燃料电池（Enzyme biofuel cell， EBFC）寿命较长。但由于细胞膜的传质阻碍，使电子从微生物转移到电极上的比较困难，导致其产电性能较低。酶生物燃料电池通过的酶来催化燃料的氧化和氧的还原。一方面，单酶只能部分氧化葡萄糖，能输出的能量密度较低；另一方面酶是蛋白质，其寿命很短也很容易受到环境的影响，所以大多酶生物燃料电池只能部分氧化燃料且寿命有限。近年来的一些研究中，在碱性溶液下使用贵金属催化剂（如铂）来代替酶或微生物，以增加葡萄糖燃料电池的产电性能[2]。这些贵金属由于其长期稳定性和生物相容性，成为葡萄糖燃料电池中合适的催化剂。所以使用金属催化剂的葡萄糖直接碱性燃料电池逐渐得到关注。
二、葡萄糖生物燃料电池
生物燃料电池是利用酶或者微生物组织作为催化剂将燃料的化学能转化为电能的一类电池。19世纪80年代，研究人员试图用生物燃料电池从天然作物的废弃物中产生电能，出现了采用固定酶电极和电子介体的生物燃料电池。20世纪90年代起，利用微生物发电的技术出现了较大突破，生物燃料电池在环境领域的研究与应用也逐步发展起来。
微生物燃料电池具有酶生物燃料电池所不具备的优点，如长期工作稳定性好以及对燃料的催化效率较高等。与微生物燃料电池使用全细胞微生物作为生物催化剂，因为没有细胞膜限制传质，而且没有微生物分子的稀释作用而实现的高的酶负载量，酶生物燃料电池可能有更高的能量输出。由于酶电极催化反应的性质不同，不同酶修饰的电极可以分别用于酶生物燃料电池的阳极或阴极。酶生物燃料电池通常在阳极利用氧化还原酶作为生物催化剂通过氧化化学化合物产生电能。酶生物燃料电池的阳极主要有含有辅基FAD 的氧化酶（如葡萄糖氧化酶，GOx） 电极、具有辅基NAD（P）+的脱氢酶（如乳酸脱氢酶，LDH） 电极。研究较多的阴极有微过氧化物酶电极、漆酶Lac 电极、胆红素氧化酶BOD 电极、HRP 电极。根据电极上固定酶数量的不同，可以分为单酶电极和多酶电极。固定化GOx电极是酶燃料电池中采用最多的酶阳极。以阳极为葡萄糖氧化酶修饰电极为例，电池工作时，在GOx的辅因子FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸） 的作用下葡萄糖转化为葡萄糖酸内酯并最终转化为葡萄糖酸。反应产生的电子通过介体转移到电极上，H+透过质子交换膜传到阴极；Lac和BOD常用作O2 还原的生物催化剂，O2被还原为水。
完全氧化燃料能够获得很高的能量输出，但是大多数酶生物燃料电池中，都只采用一个酶来部分氧化生物燃料。例如虽然葡萄糖具有很高的能量密度，但它需要12个酶氧化步骤才能完全氧化它，因此单一酶生物燃料电池只能获得有一个相对较低的能量密度。多酶电极是用固定在同一电极上的多种酶催化连续或同时发生的多个反应。多酶电极扩大了酶燃料电池可使用燃料的范围，提高了输出电流或电压，具有单酶电极难以达到的性能。在已有的研究中，多酶级联的范围从简单的双酶系统到复杂的仿代谢途径酶系统。在一个生物燃料电池中，第一个使用的一种酶级联的是Palmore等[3]，利用以NAD（P）+为辅酶的醇脱氢酶（ADH）、醛脱氢酶（AldDH）和甲酸脱氢酶（FDH）的多酶级联，将甲醇完全至二氧化碳。这是第一次将酶串联然后将燃料完全氧化的研究，但是这个理论适用于氧化所有的生物燃料。此后，科学家们开始研究使用代谢途径中的多酶应用于生物燃料电池以提高其能量输出，Akers等[4]用相同与甲醇的酶级联用于氧化乙醇，Daria等[5]利用三羧酸循环（Kreb’s cycle）中多酶完全氧化乳酸，Xu等[6]利用一个六酶级联将葡萄糖氧化为CO2。
三、葡萄糖直接燃料电池
葡萄糖直接燃料电池即是以金属催化剂作为葡萄糖燃料电池的催化剂催化氧化葡萄糖，将反应的化学能转化为电能。直接燃料电池不用与生物燃料电池一样考虑适宜酶及微生物活性的pH、温度、营养物等环境条件，因此此类燃料电池也具有较强的稳定性。在目前的葡萄糖直接燃料电池的研究中，常用于催化葡萄糖反应的催化剂通常分为贵金属如铂、金和银，合金和过渡金属及过渡金属氧化物等。
直接燃料电池大多是采用膜电极组件作为空气阴极的单室燃料电池。直接葡萄糖燃料电池根据其反应环境可以分为碱性葡萄糖燃料电池和中性葡萄糖燃料电池；根据其使用的离子交换膜可以分为无膜燃料电池、阴离子交换膜燃料电池（AEM-DGFC）和阳离子交换膜电池（CEM-DGFC）。
非酶催化剂在CEM-DGFC中作为阳极催化剂催化葡萄糖氧化，发生电子转移的过程如下[7]。
阳极反应：
阴极反应：
在阳极催化层表面，氢氧根离子与阳极反应生成的H+发生反应，促进阳极表面反应的正向进行，从而影响电池的性能。在CEM-DGFC中，葡萄糖氧化反应生成的H+从阳极通过阳离子交换膜向阴极转移，在阴极与空气中的氧气发生氧还原反应，传递电子，因此空气阴极处气体为氧气或空气即可。
非酶催化剂在AEM-DGFC中作为阳极催化剂催化葡萄糖氧化，发生电子转移的过程如下[8]：
阳极反应：
阴极反应：
在阳极催化层表面，氢氧根离子的浓度直接影响电极表面葡萄糖氧化反应的动力，从而影响电池的性能。在AEM-DGFC中，阴极上空气中的氧气和水发生氧还原反应生成OH-，通过阴离子交换膜转移至阳极发生葡萄糖氧化反应，因此阴极处需同潮湿空气或潮湿氧气。
四、总结与展望
随着经济发展与环境、能源之间的矛盾越来越突出，燃料电池因其绿色无污染且原料来源广泛、生物相容性好，是一种可再生的绿色能源，越来越受到人们的关注。
目前葡萄糖燃料电池的研究还处于基础理论研究阶段，还存在电池的输出功率比较低、使用寿命短等问题。但随着生物、电化学、材料学和环境工程等学科交叉研究的深入，特别是传感器和生物电化学研究的快速发展，以及对电极材料、纳米材料科学等研究的层层深入，葡萄糖燃料电池的研究必然会得到更快的发展。并将有望成为一种电子装置在疾病的诊断和治疗、航空航天等领域得到广泛应用。
参考文献
[1]Basu D， Basu S. A study on direct glucose and fructose alkaline fuel cell [J]. Electrochimica Acta， 2010， 55（20）： 5775-5779.
[2]Basu D， Sood S， Basu S. Performance comparison of PtCAu/C and PtCBi/C anode catalysts in batch and continuous direct glucose alkaline fuel cell [J]. Chemical Engineering Journal， 2013， 228（867-870.
[3]Palmore G T R， Bertschy H， Bergens S H， et al. A methanol/dioxygen biofuel cell that uses NAD+-dependent dehydrogenases as catalysts： application of an electro-enzymatic method to regenerate nicotinamide adenine dinucleotide at low overpotentials [J]. Journal of Electroanalytical Chemistry， 1998， 443（1）： 155-161.
[4]Akers N L， Moore C M， Minteer S D. Development of alcohol/O2 biofuel cells using salt-extracted tetrabutylammonium bromide/Nafion membranes to immobilize dehydrogenase enzymes [J]. Electrochimica Acta， 2005， 50（12）： 2521-2525.
[5]Sokic-Lazic D， de Andrade A R， Minteer S D. Utilization of enzyme cascades for complete oxidation of lactate in an enzymatic biofuel cell [J]. Electrochimica Acta， 2011， 56（28）： 10772-10775.
[6]Xu S， Minteer S D. Enzymatic biofuel cell for oxidation of glucose to CO2 [J]. ACS Catalysis， 2011， 2（1）： 91-94.
生物燃料电池的应用范文2
高效利用能源主要是针对传统能源系统而言立足于新技术、新工艺，或者新理念构架的新型的能源利用技术，高效利用能源技术可大大提高了能源的综合利用效率，有效减少污染的排放。高效利用能源技术主要是指的热电联产技术和燃料电池技术。
热电联产是既产电又产热的先进能源利用形式，具有降低能源消耗、提高空气质量、补充电源、节约城市用地、提高供热质量、便于综合利用、改善城市形象、减少安全事故等许多优点，所以世界各国都在大力发展。世界热电联产发展呈现许多趋势，其中，丹麦在热电联产综合利用效率方面超过70％以上。
工业化国家在发展热电联产的同时，由于燃料结构向气体化和非化石矿物化转化，热电联产的规模也越来越小型化，多功能化。这种小型、微型的热电联产被国际上称之为――分布式能源。
分布式能源技术对能源的利用方式与传统的能源利用存在很大的区别，它不再追求规模效益，而是更加注重资源的合理配置，追求能源利用效率最大化和效能的最优化，充分利用各种资源，就近供电供热，将中间输送损耗降至最低。由于小型化和微型化，使能源需求者可以根据自己对于多种能源的不同需求，设置自己的能源系统，调动了终端能源用户参与提高能源利用效率的努力。分布式能源可以和终端能源用户的能源需求系统进行协同优化，通过信息技术将供需系统有效衔接，进行多元化的优化整合，在燃气管网、低压电网、热力管网和冷源管网上，以及信息互联网络上实现联机协作，互相支持、互相平衡，构成一个多元化的能源网络，使能源供应与能源的实际需求更加匹配。对于传统能源形式，分布式能源毫无疑问是一种新型的能源生产利用形式，是信息时代能源技术的核心。它不仅是一些传统能源技术的集合，也是全新的能源综合利用系统。
目前，高效利用能源技术发展的一个重点是“燃料电池”技术。燃料电池的能源利用效率更高，污染更小，理论上燃料电池使用的是氢能，属于可再生能源。但自然界中可以直接利用的氢根本不存在，制氢需要其他外部能量实现。我国制氢的技术方向是如何利用天然气、煤气化、甲醇、乙醇等能源，特别有前途的是利用废弃在地下煤炭资源进行地下可控气化再制氢技术。燃料电池不仅可以解决人类发展的电力难题，同时也可以解决对于石油的替代难题。虽然，就燃料电池技术本身应该属于新能源，但是大多数燃料电池将不会依赖于可再生能源。
热电联产和燃料电泄技术等能源高效利用技术都是立足于新技术、新工艺，或者新理念构架的新型的能源利用技术，虽然不是可再生能源，但针对传统的大规模分离生产的能源系统而言，大大提高了能源的综合利用效率，有效减少了污染的排放。据专家测算，能源利用效率提高1个百分点，可节省能源费用130多亿元。促进能源的合理和高效利用，对我国经济可持续发展具有深远的战略意义。
三低缸三排汽凝汽式汽轮机组热电联产装置
项目简介：一种三低缸三排汽凝汽式汽轮机组热电联产装置，包括高压缸、与中压缸联体低压缸、对称分流式低压缸、低压导汽管、程控装置；在低压导汽管上并联接出抽汽供热支管，在该抽汽供热支管上设置流量调节装置，该支管的另一端与热网相连接；在连通中压缸与对称分流式低压缸的低压导汽管上设置流量调节装置；中压缸出口压力传感器其输出接至程控装置；安装有流量分配软件的程控装置其输出接至主蒸汽输入管路流量调节装置、抽汽供热支管流量调节装置和对称分流式低压缸供汽管道流量调节装置。
意义：本实用新型在不需要供热时仍保持原有之发电功率、热耗率等技术经济指标；而在需要供热时能立即转入热电联产方式运行，供热能力相当于一台135MW超高压热电联产机组或260t/h规模的锅炉房。
生物质等离子体气化
项目简介：该项目研究中提出充分利用热等离子体提供的高温、高能量的反应环境，结合生物质自身特点，使气化过程无焦油形成，同时获得高品位的化学合成气。生物质等离子体气化工艺中，通过调整等离子体气氛以获得不同的目的产物。
意义：生物质与废轮胎、废塑料等共热解气化除得到合适比率的化学合成气外，还可获得碳黑为主的副产物，消除了环境污染，提高了资源利用率，也为固体废弃物的高效洁净处理提供了新的途径，具有较好的经济效益和社会效益。
应用热力学定律分析技术降低制药生产能耗
项目简介：不断应用热力学定律分析制药生产过程中耗能状况，深入开展了许多技术节能工作。以技术创新为切入点，以新思维优先考虑重点用能单位及设备的技术改造。主要手段如下：按质用能，节约蒸汽20%；一次将能源用好，尽量减少回收；减少重复加热、重复冷却过程；依靠仪器仪表测试并应用热力学的计算分析对产品用能进行系统分析，继续深入发现节能潜力；梯级利用能源，实现能源的综合利用。如：多效蒸发器，多效蒸馏水机运用等；不断开发和利用节能新技术，如：采用锅炉分层燃烧技术，膜分离设备，气升式发酵罐、短程（分子）蒸馏器等。
意义：该项目将热力学与制药工艺相结合，通过热平衡和分析，实施按质用能和递阶使用，取得了较大的节能、环保和经济效益。
超低焦油秸秆高效制气技术
项目简介：该技术是以秸秆为主要原料，采用先进的低倍率低速循环流化床气化技术和双层催化裂化炉，通过特定的流场组织和多级进料、组合进气方式，在气化介质和特殊催化剂（钙镁复合催化剂）作用下，在特殊的工艺流程内进行催化气化反应制取超低焦油燃气，其净化过程具有用水量极少，并从生活垃圾中获得的高活性焦炭基材料作为过滤干燥介质等特点。意义：该项目在国内处于领先水平，提高了传统气化炉产气效率和燃气品质，大大降低了燃气中焦油含量，减少了废水的排放和焦油对环境的污染，充分利用农村农林废弃物，避免了其露天放置对环境的污染。
锥形流化床生物质气化技术
项目简介：该项目针对目前国内生物质气化发电、供热、供气存在的原料适应范围窄、燃气焦油含量高、自动化程度低、适用松散型物料的气化发电设备和系统等问题，开发锥形流化床生物质气化发电供热、供气机技术产业化为目标，研制生物质气化装置与气体发电机组成的系列生物质气化发电系统。
意义：降低燃气中的焦油含量；生物质气化系统的操作弹性试验；提高生物质气燃气热值。
燃氢蒸汽锅炉科研开发
项目简介：本实用新型设计了一种燃氢蒸汽锅炉，包括壳体、设有耐火衬里的燃烧室、对流室、花隔板、换热火管、水分布器、下降水管和氢气燃烧构件。壳体为竖式的塔体，对流室设置在塔体上部，燃烧室设置在塔体下部，花隔板设置在对流室的顶端和底端，换热水管设置在燃烧室中，换热火管设置在对流室中，氢气燃烧构件设置在壳体底部的燃烧室中，氢气燃烧构件包括扩散式外混烧嘴，本实用新型的燃氢蒸汽锅炉，采用竖式，炉膛内无死角，对流部分采用单程换热，烟气流动通畅，流动阻力小，可避免未燃烧的氢气积聚，产生爆炸。
意义：采用扩散式外混烧嘴，可有效防止回火，并在对流室上部和燃烧室下部设有防爆门，防爆面积大，安全可靠。
热电联产系统
项目简介：本项目热电联产系统包括将由引擎回收的废热供应至压缩机的吸入单元侧的废热供应热交换器。因而，本项目具有能够最大化废热的利用率的优点。此外，所述热电联产系统使用压缩比为1.5~2.5的低压缩变频式压缩机，其压缩比低于现有技术。
意义：本项目能够更大程度地利用由废热供应热交换器供应的废热，从而其具有能够最大化热电联产系统的效率的优点。由于压缩机的吸入单元与排出单元之间的压差变小，因此本项目还具有能够防止损坏压缩机以及能够节约能耗的优点。
生物质高效转化与利用
项目简介：该项目从分子结构和聚集态结构不同层次出发，通过多学科交叉和多种高新技术集成，创立经济合理的生物质燃料氢气和柴油的新工艺流程，为生物质资源高效利用探索出切实可行的新途径。通过应用化学工程与生物工程技术相结合，建立“生物质能源（氢气）”新途径；筛选和优化到高效产氢气菌；提出了生物质制备柴油三个关键技术问题。
意义：强化基础研究与工程研究的密切配合，大幅度降低综合生产成本；开发出生物质高效制备氢气的新途径，降低生产成本；高效综合利用发酵剩余物质，使之资源化。开展本项目研究的现实意义和长远意义均十分重大。
SLQ-300型空气鼓风常压流化床生物质气化成套设备
项目简介：技术原理为：鼓入气化器的适量空气经布风系统均匀分布后，将床料流化，合适粒度的生物质原料送入气化器并与高温庆料迅速混合，在布风器以上的一定空间内激烈翻滚，在常压条件下迅速完成干燥、热解、燃烧及气化反应过程，从而生产出低热值燃气。排出气化器的热燃气再依次通过由干式旋负除尘器、冲击式水除尘器、旋风水膜净化器、多级水喷淋净化器、焦油分离器和过滤器等组成的净化系统，被冷却净化为符合使用要求的干净冷燃气以供不同用户使用。
意义：该项目研制开发的新型生物质气化系统，即空气鼓风常压流化床生物质气化系统，可生产低热值生物质燃气，用于乡镇居民炊事与生活、工副业生产及发电。
超低焦油秸秆高效制气技术
项目简介：该技术是以秸秆为主要原料，采用先进的低倍率低速循环流化床气化技术和双层催化裂化炉，通过特定的流场组织和多级进料、组合进气方式，在气化介质和特殊催化剂（钙镁复合催化剂）作用下，在特殊的工艺流程内进行催化气化反应制取超低焦油燃气，其净化过程具有用水量极少，并从生活垃圾中获得的高活性焦炭基材料作为过滤干燥介质等特点。该技术在国内处于领先水平，提高了传统气化炉产气效率和燃气品质，大大降低了燃气中焦油含量，减少了废水的排放和焦油对环境的污染。
意义：充分利用农村农林废弃物，避免了其露天放置对环境的污染，解决了部分劳动力就业。
分布式高纯度氢气生产装置
项目简介：适应氢经济及燃料电池行业的迅猛发展，研发生产分布式高纯度氢气生产装置。反应器采用流化床天然气水蒸气重整反应器，氢气提纯采用钯膜。该装置与氢气压缩机相配套，形成现场生产式汽车加氢站的主要设备；与PEM燃料电池相配套，形成分布式天然气发电装置作为可靠的备用电源。
意义：该项目还可在食用油加工，电子，金属炼制，浮法玻璃生产，金属的一次，二次加工中广泛应用。
分布式可编程能源系统及其利用方法
项目简介：一种分布式可编程能源系统及其利用方法，它包含分布在n个电能源使用地的能源发生地、分布在各能源发生地的能源转化及贮存装置和可编程逆变器组成的用户终端设备、连接 m个用户终端设备的局域电力网、对用户终端设备进行组态、编程控制和管理的L个编程控制中心、连接用户终端设备和编程控制中心的远程数据传输网络。该系统可以综合利用各种能源，通过可远程下载控制程序的用户终端设备将分布式的能源就地转化成各种电源。不需要投资巨大、损耗巨大的远程输配电系统，需要传输的只是数据。
意义：本项目将大大提高可利用能源的利用率，并大大降低能源使用成本，促进用电设备的标准化，使电力的转化和控制更精确、更专业化，亦解决了电能即用即发的问题。
高效节能回风式取暖炉
项目简介：高效节能回风式取暖炉以煤炭为燃料，比普通回风式取暖炉热效率高，热利用效率提高近一倍。具有购置费低，安装简单，使用方便，经济实用，取暖时可以同时烧开水，煮饭，炒菜，“吃火锅”等，我国南方的贵州、四川、重庆、云南、湖南、湖北、广西等省市无集中供暖的城乡家庭，及城镇小餐饮店、小酒楼、小商铺等可作室内取暖及餐饮炉具。 高效节能回风式取暖炉主要由金属外套、内套、吸热翅片及内筒等部件构成的高效节能换热体炉身，炉胆、及炉面板、灰箱、烟道等组成。生炉后,由炉胆内煤炭燃烧产出的热能除小量经炉面板、烟道向外辐射外，大量的热能经高效换热体内筒、吸热翅片、内套壁吸收和传导后，经外壁迅速向外辐射，以达到加热周围空气，满足室温需求。
意义：由于炉胆和炉身的蓄能保温作用，热能在炉体内的存留时间相对延长，煤炭在炉内燃烧更充分，促进炉膛内温度进一步升高，炉口火力加强，出烟口不再有黑烟排出，下落灰渣也明显减少，灰渣内碳含量明显少，降低了有害气体和烟尘向大气中的排放量。煤炭在炉膛内燃烧时间延长，充分，炉膛内温度高。
再生氢氧燃料电池研制
项目简介：该项目进行了RFC催化剂制备技术研究，对催化剂的活性、催化剂的组成及粒径分布进行了分析，建立了催化剂的制备方法；研究了质子交换膜燃料电池（PEMFC）和固体电解质（SPE）水电解的膜电极三合一组件的制备方法及制作过程，建立了膜电极的制备工艺，分析了电极结构、组分、含量及制作工艺对PEMFC和SPE水电解性能的影响；进行了可逆式质子交换膜燃料电池双效膜电极结构的探索研究；成功设计了综合式百瓦级RFC电池组及运行系统。
意义：该系统为我国第一台再生燃料电池系统，为千瓦级的再行燃料电池系统打下基础。
直接醇类燃料电池研究
项目简介：本项目研究与开发直接甲醇燃料电池(DMFC)所用的电催化剂、廉价的聚合物电解质膜等关键材料和多孔电极、膜电极集合体(MEA)、电池、电池组的制备集成等核心技术。在铂系电催化剂基础上深入研究材料的结构与性能关系，提高电催化剂的催化活性、减少电极中贵金属的含量，增强催化剂抗CO毒化能力，降低燃料甲醇从阳极向阴极的渗透率，改善电子、质子电导率，增强催化层与电解质膜的结合力，提高电池性能、稳定性和使用寿命。
意义：直接甲醇燃料电池(DMFC)是直接将燃料(甲醇)和氧化剂(氧气或空气)的化学能转化为电能的一种电化学反应装置。在国防通讯、家用电器、传感器件诸多领域具有广阔的应用前景，现已成为国际上燃料电池的研究热点之一。
质子交换膜燃料电池
项目简介：燃料电池是一种效率高、节能、环境友好的绿色动力源，被誉为21世纪上叶的全球经济原动力，中科院大连化学物理研究所研制、开发的5kW～10kW质子交换膜燃料电池组，其结构、部件和放大工艺已形成了具有自主和成套的知识产权，申请了25件国家发明专利，并拥有多项专有技术。该质子交换膜燃料电池组，具有体积小、功率大、运行稳定时间长等特点，单节电池连续稳定运行已达到1000小时以上，性能指标已达到国外同类产品水平，该电池组件无污染，无噪声，是国际上最理想的环保卫士之一。广阔应用于固定电站、电动车、军用特种电源、可移动电源等方面，尤其是电动车的最佳驱动电源。它已成功地用于载人的公共汽车和奔驰轿车上。
意义：所研制开发成功的薄金属双极板额定功率为5kW～10kW电池组属世界首创，电池组性能已达到国际先进水平，部分技术已达到国际领先水平。
燃料电池混合动力系统试验台
项目简介：本项目主要研究燃料电池汽车动力系统的研发方法，从而建成一个试验研究平台，该试验台能进行燃料电池混合动力系统及其零部件性能测试，能评价动力系统对整车运行环境和道路阻力的适应性。创新点包括用动态测功机为燃料电池混合动力系统提供整车道路阻力特性相似的负载，构建与整车基本相同的电磁环境，分层同步测试从零部件到动力系统以及整车的性能，测试参数准确齐全，实现了在强电和强电磁环境中安全使用大量高压氢气，研发出燃料电池模拟装置，节省了研发成本。
意义：研究推出了我国第一台燃料电池城市客车用燃料电池混合动力系统，在燃料电池混合动力系统测试方法、电磁兼容性、强电磁干扰环境中的动力系统数据采集和控制等前沿领域的创新和经验对学科发展起到了促进作用。
直接醇类燃料电池研究
项目简介：直接甲醇燃料电池(DMFC)是直接将燃料(甲醇)和氧化剂(氧气或空气)的化学能转化为电能的一种电化学反应装置。在国防通讯、家用电器、传感器件诸多领域具有广阔的应用前景，现已成为国际上燃料电池的研究热点之一。本项目研究与开发直接甲醇燃料电池(DMFC)所用的电催化剂、廉价的聚合物电解质膜等关键材料和多孔电极、膜电极集合体(MEA)、电池、电池组的制备集成等核心技术。
意义：在铂系电催化剂基础上深入研究材料的结构与性能关系，提高电催化剂的催化活性、减少电极中贵金属的含量，增强催化剂抗CO毒化能力，降低燃料甲醇从阳极向阴极的渗透率，改善电子、质子电导率，增强催化层与电解质膜的结合力，提高电池性能、稳定性和使用寿命。
直接醇类燃料电池微电源系统
项目简介：“直接醇类燃料电池微电源系统研究”通过中科院高技术研究与发展局组织的验收。专家组一致认为：该项目在电催化剂、阻醇电解质膜等关键材料制备、新型多层复合电极和有序化膜电极（MEA）等核心技术、笔记本电脑用直接醇类燃料电池（DAFC）微电源系统集成三方面取得了重要进展，电池性能达到国内领先、国际先进水平。
意义：申请了8项我国和5项国外发明专利，取得了具有创新性和自主知识产权的成果，达到并部分超过合同规定的技术指标。
大型生物质气化发电系统
项目简介：开发了适合于我国国情的生物质中小型气化发电系统,采用循环流化床气化炉和多级气体净化装置,配置多台200-400KW的单气体燃料内燃发电机组,用谷壳,木屑,稻草等多种生物质作原料,可以在不同的负荷下运行。气化发电系统燃气值在5.02～6.27MJ/m 之间,系统发电效率达16%～25%,发电参数正常稳定。由于系统简单,单位投资约3500～5000元/KW,运行成本约0.25元/KW.h,经济性好；采用多种废水处理方法,废水可以循环使用,不造成二次污染,能满足工厂企业用电要求或上网,取得显著的经济效益和社会效益。该生物质气化发电技术应用范围广,灵活性好,根据用户不同需要,发电规模可选择在200-5000KW之间。用于处理,碾米厂的谷壳,家具厂,人造板厂垢木屑,边角料,树皮,为工厂提供电力,也适用于处理林场及农场的枝桠材,农村秸杆,棉花杆,稻草,稻壳等,为缺电农村地区和企业供电。
意义：由于该项目属于环保技术,对消除污染,减少C02的排放有重要的意义,有条件销售国家政府的相关优惠政策,有很好的市场前景和巨大的推广潜力。
氢能材料及其应用研究
项目简介：在非晶合金的制备方面，研究了制备工艺参数对合金的形成、组织结构等方面的影响规律，首次观察到了机械研磨过程中MgZNi相的fcC转变，计算了二元及三元镁基非晶合金的形成范围；开发具有自主知识产权和优良性能价格比的系列合金，开发的AB2型贮氢合金其电化学容量达350mAh/g,AB5型合金其容量为310mAh/g；进行了表面微型包覆处理提高合金电极循环寿命、改善材料活化性能的研究工作。
意义：本项目研究的技术内容适用于民用二次电池、船用二次电池以及为燃料电池提供氢源的贮氢罐等方面的研究开发。
百瓦级质子交换膜燃料电池堆的研制
项目简介：采用阴极面贯通式结构双极板，以常压空气作为氧化剂，依靠风机为电池提供氧源，同时利用空气的流动排走了电池所产生的废热和阴极所生成的水。对阳极进行了自增湿处理，以自增湿膜电极取代外增湿系统，以减小除去增湿系统给电堆带来的不足。氢气的流道采用密闭系统，并通过控制系统控制电磁阀定时排放废气，氢气的利用率得到极大的提高。采用电流和电压传感器来检测电池堆运行时的电流、电压以及各单电池的电压，采用温度传感器检测电堆的温度，通过这些来监控并确保电堆的正常稳定运行。
意义：所研制开发的百瓦级氢空PEMFC除可用做电动自行车、电动轮椅车或电动滑板车的动力源之外，电池堆的输出功率适当放大即可用作电动摩托车、电动割草机等的动力电源和家庭小型发电站等分散能源系统，而电池堆的输出功率适当缩小则可作为手提电脑、摄放相机、电动工具等的动力电源。
便携式质子交换膜燃料电池
项目简介：质子交换膜燃料电池（PEMFC）采用固体聚合物(质子交换膜)为电解质，通过电化学反应把储存在氢气和氧气（空气）内的化学能直接转化为电能，并产生水和热。具有发电效率高、能量密度和功率密度大，噪音低，不产生环境污染物等优点。项目研制的便携式质子交换膜燃料电池可以广泛应用于电动自行车，残疾人电动助力车，电动摩托车，备用电源，移动通讯电源，以及军队的单兵电源，通讯报务电源和车载电源等。
意义：代替目前蓄电池和汽油发电机，提高工作时间，增大隐蔽性等。
发酵沼气燃料电池废水深度处理研究
项目简介：该研究采用臭氧氧化法和生物活性炭法处理发酵沼气燃料电池废水。臭氧对脱色、杀菌、去除难降解有机物、氨氮都有显著效果；生物活性炭法对难降解有机物和氨氮有良好的去除作用，可获得高质量的出水。我们通过对臭氧氧化法和生物活性炭法处理性能、投资成本及运行费用的实验论证和分析类比，确定了一种适合发酵沼气燃料电池废水的最佳处理方法。研究成果可以彻底实现猪场废物的资源化、无害化和减量化。
意义：该成果不仅在畜牧行业将得以成功的应用，且能推广到食品、纺织等行业的高浓度有机废水的处理，具有广泛的应用价值。
百瓦级质子交换膜燃料电池堆的研制
项目简介：采用阴极面贯通式结构双极板，以常压空气作为氧化剂，依靠风机为电池提供氧源，同时利用空气的流动排走了电池所产生的废热和阴极所生成的水。对阳极进行了自增湿处理，以自增湿膜电极取代外增湿系统，以减小除去增湿系统给电堆带来的不足。氢气的流道采用密闭系统，并通过控制系统控制电磁阀定时排放废气，氢气的利用率得到极大的提高。采用电流和电压传感器来检测电池堆运行时的电流、电压以及各单电池的电压，采用温度传感器检测电堆的温度，通过这些来监控并确保电堆的正常稳定运行。
意义：所研制开发的百瓦级氢空PEMFC除可用做电动自行车、电动轮椅车或电动滑板车的动力源之外，电池堆的输出功率适当放大即可用作电动摩托车、电动割草机等的动力电源和家庭小型发电站等分散能源系统，而电池堆的输出功率适当缩小则可作为手提电脑、摄放相机、电动工具等的动力电源。
固体氧化物燃料电池关键材料
项目简介：固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种高效洁净的发电技术，它的应用属于能源科技领域。SOFC以材料科学技术为基础，其关键技术属于材料科学技术领域。其中，氧化锆固体电解质材料、Fe-Cr合金连接体材料和玻璃陶瓷封接材料及其相对应的材料制备技术是核心。
意义：以这些材料为基础制备的SOFC具有高功率和高能源转换效率(热电联供效率为60－80%)，环境友好（极少排放温室气体）等特性。
直接甲烷中温固体氧化物燃料电池阳极材料和电池组的研制
生物燃料电池的应用范文3
通用电气“风”光无限
风中蕴含着无尽的能量。通用电气在“捕风”上走到了前列，每年来自风机销售和维护业务的收入达到了20亿美元。
1888年，一位睿智的发明家查尔斯・弗朗西丝・布拉什在位于克里夫兰市的自家后院中安装了一部巨大的风机，首次实现了风能向电能的大规模转换。
如今，这一技术突破已经在美国实现了商业化运作。通用电气从安然公司的破产财产中购得了其风机制造业务。公司预计今年来自风机销售和维护业务的收入将达到20亿美元。
风力发电现在是全球增长最快的发电方式，预计全球需求量每年增长15%以上。“在过去五到十年间，这一产业已经从试验阶段跨入到大规模生产阶段。”通用电气风能公司总裁史蒂夫・佐林斯基说。在西欧，由于矿物燃料成本较高，而且政府给予可再生能源大量补贴，某些地区用电量的25%以上都是来自风力发电。
风电的魅力显而易见。能源成本是零，污染排放量同样是零，而且供应充足。现在的风机比以往更大，效率更高，性能也更稳定。通用电气生产的1.5兆瓦风机能同时满足460户人家的用电需求，高达100米（相当于32层楼的高度），旋翼长70米（比波音747飞机的翼展还要长）。因此，考虑到税收激励因素，一部标准风机现在每生产一度电的成本只有3~4美分，而20世纪80年代早期每度电的成本是20美分。在美国部分地区，与煤炭或者新型天然气电厂相比，这种发电方式相当具有竞争力。
戴－克释放“大豆的力量”
生物柴油是一种从大豆或其他自然界油料作物中提取的可再生能源，它可以和汽油或者柴油混合使用以减少废气污染。同时由于其可再生的特点，它在未来可能成为石油资源枯竭之后一种替代性能源。
戴姆勒－克莱斯勒集团2004年11月17日在美国的圣路易斯展出了一辆由含大豆的燃料驱动的中型SUV。这款名为Liberty Common Rail的柴油吉普将在俄亥俄州的Toledo工厂正式下线。据有关人士透露，这款汽车将采用B5柴油作为燃料，这种柴油含有大约5%的从成熟大豆中提取的生物柴油。当然，车主也可以选择使用标准柴油代替这种生物柴油。
戴－克一名技术人员称，如果全美所有的柴油汽车都使用这B5柴油作为燃料的话，相当于为美国从国外少进口17亿加仑的石油。同时他还表示，这种能源的使用还能够一定程度上解决美国豆农卖豆难的问题。他说：“柴油汽车在整个汽车市场中占的份额不多，而生物柴油的市场份额更是微不足道。生物柴油可能并不是解决能源问题的办法，但是它不失为爱护环境人士一种不错的选择。”
Gineair公司的空中发力
压缩空气动力汽车的原理就是“弹簧”――弹簧压缩时可以贮存能量，扩张时便释放出能量。压缩空气动力汽车的“弹簧”，就是空气。暖空气从气缸进入引擎后，便会被泵进引擎的燃烧室，在这里与压缩的冷空气混合，利用冷暖空气在温度上的差别制造物理反应，产生动力推动引擎活塞，车子便能走动，时速最高可达50多公里。
2004年8月，澳大利亚墨尔本Gineair公司推出了世界第一辆商用压缩空气动力汽车。
压缩空气动力车的设计师安吉洛・迪・皮尔特罗指出，这种新型汽车对环境不会造成污染，整个汽车只有两个运动部件，比传统汽车设计更为有效。皮尔特罗说：“我们用压缩空气驱动转式发动机，取缔了传统的活塞和汽缸装置。”据悉，目前这种压缩空气动力车可达到每小时50公里。这种新型汽车销售前景十分看好，目前，美国、中国、荷兰和英国市场都密切关注着压缩空气动力汽车。
日企燃料电池总动员
在氢能源的开发利用上，燃料电池成为了日本企业的主攻方向。燃料电池前景无限，能量转换非常高效，使用效率达到48%以上。而且原料也非常广泛，石油、天然气、煤炭、太阳能、风能、生物能等都可以用来生产氢气。使用燃料电池还能减少二氧化碳、氧化硫等有害物质排放，降低环境负荷。
松下电器、三洋电机、三菱重工、东芝电器、新日本石油、日立制作所、东京燃气、大阪燃气等公司都在2002年陆续参加燃料电池的验证试验，在2004年基本实现了1000千瓦燃料电池的实用化和商品化。在固定装置燃料电池验证实验方面，到2005年，日本全国已经有30多个地点进行了运行实验，实验地点范围遍及全国各地。
日本企业燃料电料发展的路线图是：
2002~2005年为完善基础设施和技术验证阶段，在这一时期，燃料电池汽车、固定装置燃料电池开始限定出售。如丰田、本田、日产等燃料汽车由政府试验性购买使用。这一阶段的开发竞争将决定将来的企业竞争能力。
2005~2010年为开始使用阶段，这一时期燃料电池汽车、固定装置燃料电池将加速实用化，政府计划至2010年生产燃料电池车5万台，固定装置燃料电池发电量达到220万千瓦。
2010~2020年为普及阶段，这一时期燃料电池汽车、固定装置燃料电池将真正开始扩大市场规模，政府计划普及燃料电池车500万台，固定装置燃料电池发电1000万千瓦。
2020~2030年为真正普及阶段，这一时期将以民间为中心自发扩大普及率。政府计划到2030年，燃料电池车达到1500万台，固定装置燃料电池发电1250万千瓦。燃料电池车在日本全国汽车市场的占有率将达到1/5。
通用汽车的神奇“气功”
腐烂的垃圾释放出难闻的臭味，这种气体中50%左右是沼气。沼气聚集热量的能力是二氧化碳的20倍，会造成温室效应。然而，在通用汽车看来，垃圾场排放的沼气却是宝贝，可替代天然气作为工业炉灶的燃料使用。
通用汽车从垃圾场中掘宝，可谓省钱有道，垃圾场废气比天然气便宜，而且还能帮助净化空气。通用汽车公司在5家组装厂使用垃圾场废气作为燃料，是工业界最大的废气消费者。据通用汽车公司负责能源消费的人员约瑟夫・白彼欧介绍，每家组装厂每年为通用汽车公司大约节约能源支出50万美元。
据美国环保署（EPA）统计，1999年以来新增垃圾场废气项目150个，合计达到375个。另外还有600座垃圾堆放场可以作为能源站加以利用。白彼欧说:“只要人们不断地往这些垃圾场添加废料，这些能源就永不枯竭。”
从旧易拉罐到碎铝屑――加拿大铝业公司的精细回收
在资源回收利用行业，旧易拉罐备受青睐。使用旧易拉罐生产新易拉罐所花费的能源，比起直接使用铝矾土生产易拉罐节省95%。换句话说，回收利用一个易拉罐所节省的能源，足够一台电视机工作3个小时。但加拿大铝业公司并不仅仅停留在易拉罐上，他们的目标锁定到更加微小的碎铝屑上。
制铝业每年花费7.5亿美元收购旧易拉罐。这方面的领头羊是加拿大铝业公司，每年回收价值260亿美元旧铝，它回收的易拉罐数量比任何其他公司都多，去年为220亿只。其中一半左右通过位于肯塔基州贝利亚市的全球最大回收厂加工再用。
加拿大铝业公司想方设法推动回收利用事业。它与福特汽车公司签订了一份破天荒的协议，回收后者在汽车制造过程中产生的碎铝屑。该公司还赞助一些回收竞赛活动，向诸如“人类家园”这样的非赢利性组织提供帮助。它还游说政府出台相关的措施，例如费城正在开展一个试验项目:向回收者发放可在当地商店和餐馆使用的优惠券。
壳牌造“气制油”全球推广攻略
天然气制油(GTL，全称为“GasToLiquid”)是无味、透明的液体。由于不含硫，也就没有普通柴油的黄色，是新时代清洁能源的一大“标兵”。2005年1月，英荷皇家壳牌石油公司宣布了其“气制油”的全球推广计划。根据推广计划，该公司首先采取的是通过全球各大城市巡回对比试车活动，让各大消费市场认识并认可这种新型燃料。
壳牌GTL技术是根据上个世纪20年代形成的煤液化技术进行开发的：将天然气部分氧化，得到氢气和一氧化碳混合物的合成气，再将合成气液化为液体碳氢化合物。液体碳氢化合物经过进一步处理，就可以生成作为交通燃料和化工原料的合成油。
据了解，目前现有的汽车柴油发动机无需作任何改造就可使用这种燃料，可用于传统的轻重型柴油发动机，以及现有的柴油运输和加油设施。GTL燃料也可根据适当的比例与标准柴油混合使用。由于不含硫，使用GTL燃料可以很大程度上降低尾气排放。壳牌称，GTL燃料具有生物降解性，且比炼制柴油所含的致毒物更少。这种燃料油源于天然气而非石油，在生产和使用时几乎不含硫、氮和芳香烃，因此能明显改进供气质量，也有助于实现能源多元化战略。此外，GTL产品主要是中间分馏产品，而以往这块市场是以炼油产品为主。业内专家指出，在过去10年内，世界市场对中间分馏产品的需求增长了25%，且增长仍在持续。
大众、壳牌共捧2005“波尔舍奖”
2005年6月3日，奥地利维也纳科技大学颁布了“2005年度波尔舍奖”。这项以世界著名汽车技术专家、德国保时捷汽车公司创始人弗迪南・波尔舍教授命名，用于表彰汽车工业重大技术研发成果的全球数额最高的奖金，今年由来自大众汽车集团的技术研发专家沃尔夫冈・斯泰格博士与壳牌集团的沃尔夫冈・瓦耐克博士共同分享，表彰他们发明了利用天然气和生物质合成生产车用液态燃料的技术，并将这种新燃料应用于汽车的突出贡献。
生物燃料电池的应用范文4
氢燃料电池汽车与电池电动汽车（纯电动汽车，BEV）类似，因为它们也是使用高电压电动机推动车辆。然而，不同于电池电动汽车，燃料电池汽车配备了氢燃料罐（或燃料箱）和燃料电池系统，以产生电力来驱动电动机。因此，燃料电池汽车使用车载燃料罐中存储的氢气，加油（加注氢气）只需要几分钟；而电池汽车是依靠存储在高压电池中的电能供电。所以，燃料电池汽车能够提供电池电动汽车那样的环境效益，但它们行驶范围更长，而加油时间更短。
2014年11月的洛杉矶车展开幕之前，丰田公司在Newport海滩的新闻会上揭开了Mirai燃料电池轿车的神秘面纱，成为了当时最大的绿色汽车新闻。这款300英里里程范围的汽车将会于2015年秋季在美国的加利福尼亚州上市。丰田公司估计，到2015年底，美国公路上将有200名驾驶着Mirai的司机，而到2017年底，这一数字将累计达到3000。
本文将首先介绍燃料电池汽车的性能及优势，随后指出其发展所面临的挑战及和各国的一些推广支持政策，最后介绍最新的相关技术发展，以期让读者更好地了解燃料电池汽车，并为我国发展燃料电池汽车提供借鉴。
燃料电池汽车的主要性能
燃料电池汽车（fuel cell vehicle，FCV）或者燃料电池电动汽车（fuel cell electric vehicle，FCEV）是一种使用燃料电池为其车载电动机供电的汽车。燃料电池不需要充电，而是可以通过加注氢气实现再充满。使用氢的燃料电池汽车只排放水和热，没有尾气污染物，因此被认为是零排放车辆。但实际上，除非氢燃料电池中使用的氢是通过可再生能源生产的，否则生产氢气就一定会产生污染物。
同时，燃料电池汽车也相当注重安全性。通过满足由汽车工程师协会（Society of Automotive Engineers）和其他标准发展组织设定的标准，汽车制造商致力于让燃料电池电动汽车与传统汽车同样安全，甚至是更安全。燃料电池电动汽车有必要的安全系统，设计用于在意外发生时保护乘客和急救人员。最重要的是，燃料电池电动汽车与常规车辆一样，要达到国家公路交通安全管理局（National Highway Traffic and Safety Administration）设立的安全要求。
燃料电池汽车从外面看起来很像传统车辆，但里面却包含着在今天的车辆中无法找到的高科技组件。最明显的区别燃料电池组，它能将存储在车中的氢气与空气中的氧气转化为电能，驱动用来推动车辆的电动机。典型的燃料电池汽车的主要组件包括电动机（Electric Motor，能比内燃机更安静、平稳和高效地驱动车辆，而且需要较少的维护）、燃料电池组（Fuel Cell Stack，将氢气和氧气转换为电，为电动马达提供电力）、高输出电池（High-output Battery，存储由再生制动产生的能量，并为电动马达提供补充电力）、储氢罐（Hydrogen Storage Tank，储存在极高压力下压缩的氢气以增加行驶里程范围）和功率控制单元（Power Control Unit，控制电流）。氢燃料电池汽车的主要性能描述归纳总结如下表。
燃料电池汽车的优势
燃料电池汽车在两个关键领域领先创新：一是能源基础设施，可促进氢社会；二是可持续的移动性，可克服全球环境和能源问题。
为什么当今燃料经济非常重要呢？首先，它可以省钱，选择能够满足需求的最有效的车辆，每年可以最多节约1400美元的燃油费用；其次，它可以减少气候变化，因为燃烧汽油和柴油所产生的二氧化碳都会导致全球气候变化；再次，它可以降低石油依赖度成本，因为对石油的依赖会使经济容易受到石油市场操纵和价格冲击的影响；最后，它能够提高能源的可持续性。因为石油是一种不可再生资源，因此我们不可能无限期维持现有的利用率，现在明智地使用它能够让我们有时间找到更具持续性的替代技术和燃料。
正因为如此，燃料电池汽车具有内在的优势。
首先，使用燃料电池汽车可以减少温室气体排放量。以汽油和柴油为动力的车排放主要成分为二氧化碳的温室气体（GHGs），导致全球气候变化。以纯氢为动力的燃料电池汽车不排放温室气体，排放的只有热和水。取决于不同的生产方法，生产燃料电池汽车所需的氢会产生温室气体，但是远少于传统的汽油和柴油车辆排放。即使燃料来自最肮脏的氢气来源――天然气，与汽油动力汽车相比，今天的早期燃料电池汽车也能减少超过30%的温室气体排放量。而未来的可再生燃料标准（例如现在加利福尼亚州的要求）将会让氢气更清洁。
其次，推广燃料电池汽车能够减少对石油的依赖。之所以如此，是因为氢可以产自国内资源，如天然气和煤炭，以及水、沼气和农业废弃物等可再生资源。这将减小本国经济对其他国家的依赖性，并且更不易受到日益动荡的石油市场中的油价冲击。
再次，使用燃料电池汽车会产生较少的空气污染物。在美国，空气中的烟雾和有害颗粒物等很大一部分是来自于公路车辆排放的污染物。而以纯氢为动力的燃料电池汽车不会排放有害污染物。如果氢气产生自化石燃料，会产生一些污染物，但远小于传统汽车尾气排放量。
氢燃料电池汽车具有双重优势，它既有传统汽车的行驶范围和加油过程，同时又有以电力为动力的驾驶的娱乐性和环境优势。因此，燃料电池汽车不仅仅是环保车，它也非常有驾驶乐趣，并能提供便利性和高性能。
除了私家车和公司用车，目前还有超过100辆燃料电池公共汽车部署在全世界，加拿大惠斯勒（Whistler）、美国旧金山、德国汉堡、中国上海、英国伦敦、巴西圣保罗以及其他一些城市都有。与柴油公共汽车和天然气公共汽车相比，燃料电池公共汽车的燃油经济性高出约30%～141%。
燃料电池汽车所面临的巨大挑战
2014年，气候博客人、前美国能源部官员Joseph Romm用三篇文章来批评氢燃料电池汽车。他说，燃料电池汽车仍然没有解决以下问题：车辆的高成本、燃料的高成本，以及缺乏燃料输送基础设施。实际上，要让燃料电池汽车成为消费者眼中成功的、有竞争力的选择，必须要克服下面所列出的各方面的挑战。
首先是车辆成本。目前，虽然燃料电池汽车比传统汽车和混合动力车都要昂贵，但实际上成本已经大大降低，并且正在接近美国能源部制定的2017年的目标（即30美元/kW）。为了能让燃料电池汽车与传统技术竞争，制造商必须不断降低生产成本，特别是燃料电池组和氢存储的成本。
其次是如何实现车上的氢存储。有些燃料电池汽车能够存储足够的氢，从而让行驶里程范围与汽油车辆无异（大约300到400英里，约合480到640公里）。但是，要在不损害客户对空间、性能、安全或成本的期望的情况下，让不同品牌和型号的车辆都实现这一点，并不容易。理论上，燃料电池汽车比传统汽车能效更高，与等重量的汽油相比，氢气包含高三倍的能量。但是，与等体积的汽油相比，氢气所包含的能量只有其1/3，因此很难存储足够的氢来让燃料电池汽车与加满汽油的车跑得一样远，至少在尺寸、重量和成本限制下是如此。目前，已经在探索各种氢存储方法，各有优缺点（见表2）。
再次，是燃料电池耐用性和可靠性。燃料电池系统尚未如同内燃发动机一样持久耐用，特别是在一定的温度和湿度范围内更是如此。专家认为，要让燃料电池汽车能够与汽油车竞争，电池的预期寿命要达到15万英里才行，而目前才只有7.5万英里。
另外，还有如何让消费者获得氢气。当前氢气生产、输送和分配的基础设施尚无法支持燃料电池汽车的广泛使用。在燃料电池电动汽车成为现实之前，加油站需要投资，使之具有加注氢气罐的能力。但是，由于目前道路上的这类客户极少，因此现有的加油站不大可能进行这项投资。目前，全美国也就总共只有12个氢燃料加注站。因此，氢燃料基础设施问题何时真正得到解决是个大问题。
最后，就是公共教育。在燃料电池技术的好处实现之前，必须让消费者先接受这一技术。如同任何新的车辆技术，当燃料电池汽车第一次进入市场的时候，消费者可能会在可靠性和安全性方面有顾虑。此外，他们必须熟悉一种新的燃料。而公共教育可以加速这一进程。
事实上，与氢燃料汽车相关的运输、存储和生产成本都还过高，这是氢燃料汽车推广的巨大障碍。更有甚者，Joseph Romm认为，不论是现在还是将来，用可再生能源来产生氢气在经济上都是不可行的。而绿色技术媒体（GreenTech Media）在2014年也得出了类似的结论。因此，要推广燃料电池汽车，确实是任重而道远。
各国致力于发展燃料电池汽车
美国
2003年，美国总统乔治・布什提出氢燃料倡议（Hydrogen Fuel Initiative，HFI），该倡议旨在进一步开发利用氢燃料电池和基础设施技术，以加快燃料电池汽车的商业推广。到2008年，美国已经对该项目投资达10亿美元。
虽然在2009年的时候美国能源部长朱棣文（Steven Chu）断言，在未来的10到20年，氢气车辆都不会可行，但是，在2012年，朱指出，随着天然气价格的下降和氢气改进技术的发展，燃料电池汽车在经济上将更加可行。因此，美国政府继续致力于支持燃料电池汽车。
2013年，美国能源部（Department of Energy，DOE）宣布高达400万美元的计划，用于继续发展先进的氢存储系统。2013年5月，能源部推出H2USA方案，重点推进美国的氢基础设施。也在是2013年，加利福尼亚州州长Jerry Brown签署AB 8法案，要在未来10年内每年拨款2000万美元，建设多达100个氢气燃料加注站。2014年5月，加利福尼亚州能源委员会出资4660万美元建设28个氢气燃料加注站。
美国加利福尼亚州大学欧文分校（University of California Irvine）先进电力和能源项目（Advanced Power and Energy Program，APEP）的研究发现，在适当的地点建立68个站，就可以处理至少10000辆燃料电池汽车。而这些站正在逐渐成为现实。到2015年底，加利福尼亚州的9个现役氢燃料补给站中的3个，以及17个新建的站将向一般公众开放，并且有28个站预计要到2016年底交付，意味着短期内氢燃料补给站的总数将达到48个。为在美国推广其燃料电池汽车，丰田汽车公司将继续支持发展便捷、可靠的氢燃料补给基础设施。上述48个氢燃料补给站中的19个将使用丰田公司提供的730万美元的贷款支持，由FirstElement Fuels建造。丰田公司还宣布要为美国东北部地区发展氢燃料补给基础设施做出更多的努力。在2016年，Air Liquide将与丰田公司合作，目标是要在纽约、新泽西、马萨诸塞、康涅狄格和罗德岛这五个州共建设12个补给站。由于东北部的五个州气候寒冷，因此，冬季会严重限制电池电动汽车的行驶范围，在这些地区燃料电池汽车应该更有优势。
除此之外，为推广燃料电池汽车，客户购买燃料电池汽车也会享受许多优惠政策。比如在加利福尼亚州，许多购买燃料电池汽车的客户可以得到联邦和州政府提供的高达13000美元的奖励，意味着如果购买丰田Mirai，其购买价格可以降至45000美元以下。另外，在加利福尼亚州，Mirai有资格获得“白色标签”，从而能够在只有单一乘员的情况下，使用拼车车道（carpool lane），这对于交通高峰时段无疑是个很大的激励政策。而为了推广丰田Mirai，丰田汽车公司打算在前三年提供免费的氢加油，目前现代对它的途胜（Tucson）燃料电池休旅车的承租人就采用了这种方法。并且，丰田公司将为所有的燃料电池组件提供8年或者10万英里保修。
日本
氢燃料电池汽车要想成功，就需要在他们销售的每个区域都有足够数量的公共氢气加注站。针对要在多个国家建立电动汽车充电基础设施，汽车制造商已经开展了宣传活动。但是，由于氢燃料加注站的成本要高得多，因此，类似的努力就会更加困难。尽管如此，作为其“氢经济”愿景的一部分，日本国家政府已经表现出对燃料电池汽车强有力且持续的支持与承诺。
2015年7月1日，日本三个最大的汽车制造商――本田、日产、丰田――发表联合声明，表示将联合努力，以支持建造新的氢气加油站。在声明中，这三家企业讨论了细节内容，所采取的措施将包括承销一些建设氢气加油站的基础设施公司所产生的运营成本。基于此，汽车制造商将涵盖项目中所涉及的加油站1/3的运营成本，每个加油站的份额大约为1100万日元（约合9万美元）。在每个财年，运营商必须重新申请资助。但到目前为止，汽车制造商尚未表示获得支持的加油站的数量是否有限制。声明指出，在燃料电池汽车确立市场地位，并且氢气加油站基础设施的建设步入正轨前，该项目将一直运行。汽车制造商们认为，这预计会到大约2020年。
日本的氢加油基础设施项目将在政府的巨大努力下展开，以促进燃料电池的各种用途。日本首相安倍晋三（Shinzo Abe）将国家氢加油站网络看作是其“氢社会”的一部分，在“氢社会”中，燃料电池不仅为汽车提供动力，还为家庭和办公楼宇等提供电力。在氢燃料加注站方面，日本已经于2014年建成第一个商业氢燃料加注站，并有40个新站在计划中。东京市政府计划在2020年前，在其管辖范围内资助建造35个站，而2020年正是东京主办夏季奥运会的年份。
除了美国和日本，目前德国已经草拟了氢气加油网络计划，计划要建设50个氢气加注站。同时，草案要求所有的氢气都要产生自可再生能源，从而让汽车从井到车轮（wells-to-wheels）的碳足迹能与电动汽车相比。
燃料电池汽车最新相关技术
不同类型的燃料电池包括聚合物电解质膜（polymer electrolyte membrane，PEM）燃料电池、直接甲醇燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、改良甲醇燃料电池和再生燃料电池。而目前车辆中最常见的燃料电池是聚合物电解质膜电池。
2012年，英国研制成功的聚合物电解质膜燃料电池能在较低的温度下操作，比其它燃料电池更小，更轻，使得它们更适合用于小汽车和货车。英国的聚合物电解质膜燃料电池系统可将汽车总拥有成本降到低于36美元/kW，从而让燃料电池电动汽车足以在成本上与内燃机动力汽车竞争。如果使用该技术，到2050年可以将燃料电池电动汽车的市场总份额从原有预期的25%提高到34%，相当于在全球增加了200万辆燃料电池电动汽车，这等同于300亿美元的聚合物电解质膜燃料电池市场价值，以及全球2.6亿吨的二氧化碳节余。
生物燃料电池的应用范文5
微博上流传已久的段子说，用iPhone4的都是好男人好女人，因为他们晚上都要回家充电，不能夜不归宿。其实，在苹果产品泛滥的季节，谁身边没几个iPhone充电器呢？
不过，如果说未来的iPhone可以任你蹂躏三五天都保持电力充足不需要充电，还是很让众多iPhone用户动心的吧？就在不久之前，苹果向美国专利局提交了一份关于氢电池的申请，苹果改进过的氢电池将比现在使用的各种电池都更轻更小，而且除了水和电能之外，不会产生其他的有毒化学物质。一旦这种电池量产，不仅可以使iPhone等设备的待机时间超过1周，还能通过叠加获得更强大的电力。
百年老兵的新传奇
事实上，电池的出现远比手机早―1800年Alessandro Volta 发明世界上第一块电池之后一百多年，手机才呱呱坠地。
但即便如此，电池的前进速度却比其他IT及周边产品慢得多。1899年，Waldmar Jungner发明镍镉电池；1914年，Thomas Edison 发明碱性电池；1970年前后，一次性锂电池开始实用化；1976年 Philips Research的科学家发明镍氢电池而直到上世纪90年代，现在的主流电池产品―镍氢电池和锂电池才开始进入商业化生产阶段，进入21世纪之后，锂离子电池和锂聚合物电池才开始商业化生产。
诞生已超过200年的电池产业，最大的改变出现在上世纪90年代，随着人们环保意识的日益增加，为了减少污染，保护环境，维护生态平衡以及保护地球上的有限资源，铅、镉等有毒金属的使用日益受到限制，新的可代替传统铅酸电池和镍镉电池的各种锂电池开始被广泛使用，一直至今。
现在，不少锂电池外壳上都表明“Li-ion”，这是首先由日本索尼公司发明的锂离子电池，其以炭材料为负极、以含锂的化合物作正极，在充放电过程中没有金属锂，只有锂离子。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极；当电池放电时，嵌在负极碳层中的锂离子脱出运动回正极。
锂离子电池的普遍使用可以说促进了数码产业早期的发展，大部分数码产品都因为有了强劲的电力支持，性能得以飞速提升，这让所有人都高兴―当然，没能高兴多久，大家就发现了新的问题，因为硬件性能的提升速度远远超过了电池技术的更新换代，换句话说，消费者的体验瓶颈很快就从设备的硬件性能变成了设备的电池技术。
求充电！
有人说：“iPhone用户三大爱好：游戏、拍照、发微博；Android用户三大爱好：刷机、重启、换电池。”这有点夸张，其实也并不夸张―夸张的是，Android手机的耗电量并没有高到不能接受，不夸张的是，iPhone用户要真一直玩着这三大爱好，电池的表现也不会比Android手机优秀多少。
虽然之前也有过一些笔记本电脑的加厚电池、数码相机的外接电池、CD机的5号电池盒等等可以在本体的电池以外补充电力的电池配件，但是那大都是高强度发烧友们的热衷之物。事实上，正是在iPhone和Android开始大面积普及之后，众多的用户才发现，原来我们一直在用的电池，是这么落后的一种配件。于是各家配件厂商都开始争先恐后地推出了iPhone的备用电池套件，除了常见的电池盒设计，还有不少厂商直接将电池做成了手机壳的样式，乔布斯要是看到这样的配件设计，不知道会不会气得再死一次―好不容易才把iPhone的厚度又缩减了1mm，结果加上个电池背甲，随随便便又厚了不止5mm……
另外一个一度非常流行的微博句式则是把Android手机“耗电大户”的形象勾画地非常生动，比如，“Android的系统还是不错的，我用着没有死机、重启，也没有频繁换电池一讠”―估计兄弟用的手写输入法，最后一个字应该是“说”，但是还刚写了个偏旁，就没电了。当然，这种段子必然是虚构的，现实使用中也不会出现这样的情况，不过这却让Android用户们纷纷深以为然，Android手机的电力情况可见一斑。
其实，手机电池的问题一直并不突出，相比之下，笔记本电脑的电池续航能力一直都是用户关注的问题，CPU、硬盘、显示器等等一直是笔记本电脑上的耗电大户，各个配件厂商也都卯足了力气降低这些耗电大户的能耗水平，只不过瘦死的骆驼比马大，没有出现颠覆性的架构，这些小打小闹根本解决不了问题。
在这期间，苹果和英特尔做出了有益的尝试，苹果近几年推出的多款产品，都有着非常强悍的待机时间和使用时间，一方面是苹果软硬件一体的优化能力，另一方面也是苹果在电池方面的研发能力作为支持，另外，苹果推出的iPad系列产品更是进一步提高了普通电池的工作效率；而Intel则在2011年推出了超极本计划，将笔记本电脑部分配件的能耗大大降低，再加上SSD硬盘的使用，也大幅度提升了笔记本电脑的续航时间。
不管这些产业链顶端的大鳄们如何上窜下跳地希望电池的工作时间能够更长一点，但是电池本身似乎依然淡定地慢慢往前挪动，能走的绝对不跑，能坐下绝对不站着，所以，该充电的还是得充电，该带备用电池的还是得带备用电池，至少，短时间内还是如此。
电池啊，能不能有些上进心
其实，虽然目前还没有能够商用化的成果，但是电池行业一直希望能够突破现有的瓶颈。就现在的研究成果来看，未来可能出现在便携式数码产品上的电池产品有生物电池、燃料电池等等。其中，苹果刚刚申请注册的专利氢电池其实就是燃料电池的一种。
所谓燃料电池，就是将电池本体与燃料箱组合而成的电力系统，其中燃料可采用纯氢气、甲醇、乙醇、天然气、汽油等等。燃料电池是以具有可燃性的燃料与氧反应产生电力，因为燃料电池的组成，此前大都被应用在大型设备上，燃料电池的小型化讨论了多年，一直都没有什么成果。
生物燃料电池的应用范文6
由此科学家寄予希望的是，利用人体蕴涵的动力，让人体内的医疗植入物像良性寄生虫那样运转，即从人体内悄悄吸取足够的能量，让自身运行，而人类作为寄主甚至都没有察觉到。
体内医疗装置完全弃用电池
真是诸事不顺。你的视网膜植入物告诉你，现在已是黄昏时分，尽管你才刚刚吃过午饭。你的心咚咚直跳，可是眼前并没有让你倾心的恋人。植入你体内的传感器已经发出3次血糖警报和一次心脏病发作的警告――像往常一样，这些都是错误警报。甚至那个讨厌的膀胱控制阀似乎也是又一次泄漏，一声叹息!要是你的医生能早点安排给你做电池更换手术，那该多好!现在你只能排队等候。
这种可怕的以电子或电动机械装置行使人体部分生理功能的状况还没有成为现实，但也并非纯属科学幻想。数以百万计的心脏病患者已经植入了起搏器和除颤器，数以万计的耳聋患者通过植入人造耳蜗改善听力。
关于其他可以植入人体装置的想法层出不穷，其中包括植入大脑下垂体的刺激器以阻止饥饿信号；或植入脊背肌的调控器以防止肥胖，抑或植入胸骨肌的静电器治疗帕金森病和慢性神经疼痛，还有植入胸腔的传感器以监测癌症或心脏病发作的分子预警信号。尽管如此，有一点美中不足：更换电池简直太难了。
现在，植入了以电池为动力的起搏器的心脏病患者，就需要每隔3～5年做一次手术，以便更换电池。每次手术花费2万美元，并且谁也不喜欢为了更换电池而让自己的胸腔被打开。
或许有更好的办法。研究人员正在探索利用人体内部的动力――不是某种神秘的生命力，而是人体自身食物储存所蕴涵的化学能量――并将部分动力转换成电。人们寄予希望的是，可以让医疗装置像良性寄生虫那样运转，即悄悄吸取足够的能量，让自身运行，而你作为寄主甚至都没有察觉到。
我们谈论的是为许多装置提供从几十微瓦到几毫瓦的功率。同样也可以利用我们人体中的动能，即我们的心脏不停跳动与肌肉运动所产生的动能。还有人体源源不断发出的废弃的热能温差与静电，这些所谓的能量提取系统有几个已经处于试验样品阶段，更多的还在研发中。有可能在几年时间里，许多医疗装置将完全弃用电池。最终，你的身体甚至可能提供足够的电能，像带动手机或MP4那样带动医疗装置。
利用人体化学能
医疗植入物最好的动力来源是你的身体已经用作能量供应的葡萄糖。葡萄糖含有巨大的能源――你每天摄入的食物装载着相当于一千节AA电池的能量。因此，将一点食物转化为电能，为体内的植入物提供动力，应该不会造成痛苦。
美国航天工程师们正在研发生物燃料电池，这种电池有一个电极将葡萄糖的电子剥落，并将电子传递到有氧的另一电极，从而产生电压，通过外部电路带动电流。葡萄糖和氧由人体提供，因此燃料电池本身的构成只有两个电极和一对导电用的触点。
燃料电池传导的电流受制于电极的表面面积，但除此之外，燃料电池的体积可以极小；对可能仅需几十微瓦的起搏器或传感器来说，一个葡萄糖燃料电池可以置于胸腔或肌肉组织内，或者附着在它要提供动力的装置上。
顺便提一句，动力与电极表面面积的关系表明，你不可能利用葡萄糖燃料电池帮助减肥。如果要达到减肥效果，燃料电池必须将你从正常饮食中吸收的能量中的相当一部分消耗掉，这就需要电极表面面积达到数千平方厘米，那还不如去骑自行车呢。
目前制造的实验性可植入生物燃料电池多数用酶来催化每个电极上的反应，因为这能比非酶电极释放更多的能量，尽管如此，这还是一种缺陷。酶的活性只能持续几小时，或最多几天，然后开始减弱，导致功率输出迅速衰减。因此，酶燃料电池尚未从实验室阶段跨越到实用阶段。
为了延长电池寿命，一些研究人员尝试采用更持久的酶，这种酶来自温泉中的细菌，另一个有希望的方法是把酶保存在电极表面类似膜一样的袋中。实际上，开发性能超越电池的可植入燃料电池越来越困难，因为体积更小，功率更大的电池不断面世。
一个由得克萨斯大学的拉切尔・威尔顿领导的研究小组正在研发一种不用外壳的电池，这种电池为锌阳极、氢化银阴极，两个电极都包裹着一层薄膜，以保留反应物，排斥不需要的交叉反应物。威尔顿希望最终能制造出一种体积小于1立方毫米的电池。
尽管这种电池只能持续几天，但这没关系，因为威尔顿设想它可以用于一次性贴片式传感器，类似某种已经投放市场的血糖监测器。使用者将传感器电极插入皮下――几乎没有疼痛感，因为传感器电极像发丝一样纤细――并将贴片固定好。几天后，他们可以拿出贴片，拔出电极，更换新的电池。
利用人体动能
如果利用人体的化学能被证明太困难，那么提取一点点取之不尽的人体动能怎样?动能以各种形式存在：例如呼吸和心跳这类有规律、不断重复的动作，或四肢的自发运动，比如行走、屈臂。英国生物能工程师爱德华・威尔逊已经制造出实用的装置，能接受机械振动产生的能量。现在的问题在于如何将这种技术运用于为医疗装置提供动力。
2010年12月，英国贸工部宣布了一项价值100万英镑的计划，由政府和行业各投资一半，成立一个开发人体内微发电机的财团。大多数设计工作正在由南安普敦大学下属的Perpetuum公司进行，该公司现已制造了一个比例放入的样机，体积相当于该装置预计体积的5倍。这个样机开始在实验室投入试验。
新型发电机的工作原理是利用一个移动物体的惯性，要么促使电容器的带电极板靠拢，要么通过磁场移动一个导电线圈。最终的目标是制造一个跨度为6毫米，长度为20或30毫米的装置，能产生足够的能量来带动心脏起搏器或生物传感器。开发者希望5年内向市场投放这种发电机。
不过，对于更多渴求动力的装置来说，这种惯性发电机看来不是一个可取的办法。在南安普敦大学领导欧盟振动能利用项目的史蒂夫・布劳顿估计，一个惯性发电机产生10微瓦功率可能需要一个20克的物体移动5厘米――这样的装置太不实用，不适合植入体内。
另一种将运动转化为电能的途径是压电发电。只要弯曲压电材料，就能产生电压，因此从字面上看，这是一个有价值的制造发电机的选择。
不过，许多专家对用压电材料为医疗装置提供动力的前景感到悲观。理由是压电材料比较脆弱，电力输出也有限。但是，Perpetuum公司的专家们正在改用鲨鱼皮研制压电发电池，有望五年后推出实用产品。
利用人体温差能
虽然生物电池和机械发电机尚未通过试验样品阶段，热力发电却已经产生了至少一个产品。
你的身体流失大量的热能――如果你的活动不比阅读这篇文章更累，那么流失热能的速度相当于100瓦的功率。但是，如果你从事辛苦的体力劳动，那么流失热能的速度会增加许多倍。这样的热能――或者准确地说，是你的皮肤与空气之间、或你的身体较暖的部分与较冷的部分之间的温度差异，从而产生能量。
人们知道这种温差能效应已经有200多年了，并正在尝试利用。
首先，人体上微小的温差可以产生极其微弱的电压，这很难提高到有用的程度，输出功率也很低。但是，日本精工公司推出的利用体温发电作为动力源的腕表，从皮肤体温中吸收几个微瓦的功率，为其电子器件提供动力。
不过，这种表体积较大，价格较高，很难进入实用的市场。目前，精工公司正在研制实用化的人体温差供能产品。
利用人体静电脑
如果利用人体的化学能、动能或温差能都被证明比较困难，那么提取一点点取之不尽的人体静电能怎样?
美国航天工程的相关研究发现，人体不像金属导体那样有整齐的晶格点阵与大量的自由电子；也不像绝缘体那样，电子受严重束缚形成绝缘性能。
由于人体存在大量的水与微量金属元素等，所以就存在不少游离态的电荷。其中有自由电子，也有像骨头与脂肪等电介质起着绝缘作用，所以导电性能介于金属导体与绝缘体之间，可以认为是“生物半导体”例如体液中游离态的电荷存在，由于接触分离或感应可使一般人体电位为1KV左右。某些情况下可高达50KV左右(如人在带电雷云下行走，头顶可被雷云感应出50KV静电位)。
而且，人体生命活动的基本单位是细胞，每一个细胞(有细胞核、细胞质、细胞膜)就有三层，内层与外层都是蛋白质，中间一层是磷脂分子层，核与质中还有它们的微细结构。每个细胞可视为一个微型电池，都是小能源。细胞有一定的寿命，到时会死亡，相当于电池的化学能耗完报废。人体的新陈代谢就相当于更新“电池”，所以有新的细胞不断产生，维持着生命的延续。
美国太空生物工程学家瓦尔哈拉・雷诺的实验发现，人体内心脏的跳动不断地发出静电，可在皮肤表面产生0.001～0.002伏，频率约几十周的电能。大脑也能产生0.00002～0.0001伏，频率为10周的静电能量。心电图与脑电图就是人们心脏与大脑活动的静电记录。
现在，雷诺领导的科研小组正在开发用海豚喉肌提取的似硅胶物制作生物蓄电池。这种直径约三厘米的生物蓄电池，是利用心脏博动吸收10～20微瓦功率的静电，为其电子器件提供动力。但目前这种生物蓄电池的制作材料提取难度很大，价格高昂，该科研小组正在寻求其他替代材料。
目前，人体能量提取装置所能提供的动力，与它们在日复一日的使用中所应提供的动力之间，还存在很大的差距。但是看看几年前，当时最早的便携式电话的耗电与当今的节能设计之间也存在类似差距。
如果能量提取装置能继续改善性价比与输出功率，植入的电子装置能继续完善耗电量，那么，用不了多久，你的身体将能提供你需要的所有电力，从而免除你更换电池的负担。
