美国西北大学研究人员开发出一种特殊丝状物用

作者:军事资讯

[据3Ders网站2014年12月8日报道]为地球供电将会成为来来几十年面临的主要挑战之一。虽然目前我们确实拥有很多可用的能源,但大多数发电采用低效的、污染严重的方式,不能准确地称之为无尽的或可持续的。我们必须要思考能够长期发电的方式。解决我们问题的一个方案可能是陶瓷燃料电池,一种通过高温电化学工艺发电的设备。这种设备比内燃机更有效率,且更清洁,它们仍然依靠燃料。燃料电池将物质的化学属性如甲烷转化为电能‘电催化’,而不是通过燃烧的方式。这就使得燃料电池具有高能量效率,尤其是因为它也产生大量的热量,具有多种应用,如空间加热、热水或驱动制冷循环。尽管我们将这种燃料电池进行商业化开发还有很长一段时间,但其上述属性使得它们与其他能源如风力和太阳能一样,成为低碳能源计划的一种可能的解决方案。整体而言,效率和功率密度仍然需要予以改进。其他挑战包括大规模地重现材料、电池和测试条件。因此,各公司都在财政方面做出努力,使这项技术能够商业化。幸运的是,美国西北大学的研究人员开发出一种3D打印方法,可以将这些陶瓷燃料电池向商业化和可负担性迈进了一步。他们正致力于开发一种快速、廉价和有效的方式,使用一种可用3D打印的丝状物,制造这些陶瓷燃料电池。西北大学材料科学与工程助理教授Ramille Shah在本周于波士顿召开的材料研究学会秋季会议上表示,他们开发出一种新的生产方法,利用一种“墨水”来创建一个氧化物型燃料电池的各个部件:阴极、阳极、电解质和互联。这些都通过使用丝状物组合来实现:该物质有70%~90%是由陶瓷粒子组成,其余是由粘合剂和溶剂混合物组成。在打印期间,各种溶剂以不同的速率挥发,从而创造出独特的凝固工艺。最不稳定的溶剂几乎瞬间蒸发,创建出可维持其形状的半固体状,可在这种半固体状的物体上进行层层堆积。根据成分不同,这种混合物会略有不同。尽管这种特殊的陶瓷确实需要加热到1250℃,以使其成为固体和稠密的形状,但打印本身可在室温下进行。来自西北大学研究团队的人员推测,这种3D打印方法可被用于为燃料电池开发一种非常容易的制造工艺。它甚至可以生产独特的形状,如可卷起或折叠成用于特定应用的特定形状的陶瓷平板。尽管在这种3D打印燃料电池成为商业现实之前需要更多的研究工作,但这种特殊类型的陶瓷丝状物是向这个方向迈进的重要一步。或许3D打印确实成为为日益增长的人口提供电力的关键。

韦德娱乐 1

摘要:目前,燃料电池是全球能源领域的开发热点。介绍了燃料电池的原理、分类、特点及研发和应用现状,燃料电池作为新的清洁能源应用前景广阔,但目前仍处于研发和示范阶段,距广泛商业化阶段还有相当的距离。

近日,普鲁迪航空航天学院的博士候选人Monique McClain在固体燃料电池上测试Next Offset Solutions公司改良后的3D打印技术,实验结果显示,3D打印版本产品与传统燃料电池相比更有利,可保证燃烧的均匀和可预测性。

关键词:燃料电池;分类;研究;应用现状

Next Offset Solutions公司将高振幅超声波振动应用于喷头,减少摩擦,使材料平稳流动。该超声波挤出方法可以远程进行,并且不需要通常添加到粘性材料中的危险溶剂来塑造它们,更为便宜和安全。

引言

加持上述技术的3D打印,可以实现复杂几何形状更精确的活化推进剂,改变燃料电池的形状和结构,进而影响燃料电池的燃烧方式,因此工程师可以设计燃料电池,在中心燃烧更快,以提高推力。

韦德娱乐,国际能源界预测,本世纪氢能将得到广泛的应用,而燃料电池将成为利用氢能的重要途径。燃料电池是继水力、火力、核能之后的第四代发电装置,它是可以替代内燃机的动力装置。燃料电池具有安全、高效、无污染、适用广、无噪声等特点,已成为当今世界能源领域的开发热点。

普鲁迪航空航天学院的博士候选人Monique McClain拥有使用含能材料的经验,并在固体燃料电池上测试该方法,就像用于火箭推进剂的那样。她的调查结果显示,3D打印版本与传统燃料电池相比有利,燃烧均匀且可预测。可以通过3D打印实现的复杂几何形状可以实现更精确的活化推进剂; 改变燃料电池的形状和结构会影响它燃烧的方式,因此工程师可以设计燃料电池,在中心燃烧更快,以提高推力。

1 基本原理

Next Offset Solutions表示,3D打印的燃料电池提供了一定程度的订制,可以极大地改变火箭和导弹的制造方式,为火箭动力背包做好了准备。

普通电池是将电池内部的化学能转变成电能,而燃料电池是将电池外部的燃料通过化学反应,将其释放的能量转变成电能输出。燃料电池外部的燃料存储系统是一个活动装置,可以方便地更换和补充燃料。

燃料电池的基本原理是水的电解的逆反应。它由正极、负极和夹在正负极中间的电解质组成。工作时向负极供给燃料,向正极供给氧化剂,在电极上常使用催化剂来加速电化学反应。氢在负极分解成正离子H+和电子e。氢离子进入电解液中,而电子则沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极上,空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。

2 燃料电池的种类及其特点

2.1 质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells—PEMFC)

该电池的电解质为离子交换膜,薄膜的表面涂有可以加速反应的催化剂,其两侧分别供应氢气及氧气。由于PEM燃料电池的唯一液体是水,因此腐蚀问题很小,且操作温度介于80℃~100℃之间,安全上的顾虑较低;其缺点是,作为催化剂的白金价格昂贵。PEMFC是轻型汽车和家庭应用的理想电力能源,它可以替代充电电池。22碱性燃料电池(AlkalineFuelCells—AFC)

碱性燃料电池的设计与质子交换膜燃料电池的设计基本相似,但其电解质为稳定的氢氧化钾基质。操作时所需温度并不高,转换效率好,可使用的催化剂种类多且价格便宜,例如银、镍等。但是,在最近各国燃料电池开发中,却无法成为主要开发对象,其原因在于电解质必须是液态,燃料也必须是高纯度的氢才可以。目前,这种电池对于商业化应用来说过于昂贵,其主要为空间研究服务,包括为航天飞机提供动力和饮用水。

2.3 磷酸型燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cells—PAFC)

因其使用的电解质为100%浓度的磷酸而得名。操作温度大约在150℃~220℃之间,因温度高所以废热可回收再利用。其催化剂为白金,因此,同样面临白金价格昂贵的问题。到目前为止,该燃料电池大都使用在大型发电机组上,而且已商业化生产,但是,成本偏高是其未能迅速普及的主要原因。

2.4 熔融碳酸盐燃料电池((Molten Carbonate FuelCells—MCFC)

其电解质为碳酸锂或碳酸钾等碱性碳酸盐。在电极方面,无论是燃料电极还是空气电极,都使用具有透气性的多孔质镍。操作温度约为600℃~700℃,因温度相当高,致使在常温下呈现白色固体状的碳酸盐熔解为透明液体。此型燃料电池,不需要贵金属当催化剂。因为操作温度高,废热可回收再利用,其发电效率高达75%~80%,适用于中央集中型发电厂,目前在日本和意大利已有应用。

2.5 固态氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cells—SOFC)

其电解质为氧化锆,因含有少量的氧化钙与氧化钇,稳定度较高,不需要催化剂。一般而言,此种燃料电池操作温度约为1000℃,废热可回收再利用。固态氧化物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。由于使用固态的电解质,这种电池比熔融碳酸盐燃料电池更稳定。其效率约为60%左右,可供工业界用来发电和取暖,同时也具有为车辆提供备用动力的潜力。缺点是构建该型电池的耐高温材料价格昂贵。

2.6 直接甲醇燃料电池(Direct Methanol FuelCells—DMFC)

直接甲醇燃料电池是质子交换膜燃料电池的一种变种,它直接使用甲醇在阳极转换成二氧化碳和氢,然后如同标准的质子交换膜燃料电池一样,氢再与氧反应。这种电池的工作温度为120℃,比标准的质子交换膜燃料电池略高,其效率大约在40%左右。其使用的技术仍处于研发阶段,但已成功地显示出可以用作移动电话和笔记本电脑的电源。其缺点是当甲醇低温转换为氢和二氧化碳时要比常规的质子交换膜燃料电池需要更多的白金催化剂。

2.7 再生型燃料电池(Regenerative FuelCells—RFC)

再生型燃料电池的概念相对较新,但全球已有许多研究小组正在从事这方面的工作。这种电池构建了一个封闭的系统,不需要外部生成氢,而是将燃料电池中生成的水送回到以太阳能为动力的电解池中分解成氢和氧,然后将其送回到燃料电池。目前,这种电池的商业化开发仍有许多问题尚待解决,例如成本,太阳能利用的稳定性等。美国航空航天局正在致力于这种电池的研究。

2.8 锌空燃料电池(Zinc-air Fuel Cells—ZAFC)

利用锌和空气在电解质中的化学反应产生电。锌空燃料电池的最大好处是能量高。与其他燃料电池相比,同样的重量,锌空电池可以运行更长的时间。另外,地球上丰富的锌资源使锌空电池的原材料很便宜。它可用于电动汽车、消费电子和军事领域,前景广阔。目前metallicPower和PowerZinc公司正在致力于锌空燃料电池的研究和商业化。

2.9 质子陶瓷燃料电池(Protonic Ceramic FuelCells—PCFC)

这种新型燃料电池的机理是:在高温下陶瓷电解材料具有很高的质子导电率。Protonetics InternationalInc.正在致力于这种电池的研究。

3 燃料电池的研发和应用现状

燃料电池技术在全球的开发极为活跃。全世界约有20多个国家的上千家公司和机构投入巨额资金从事燃料电池的研究和商业化工作。目前,已有2500多个燃料电池系统安装在世界各地,为医院、托儿所、宾馆、办公楼、学校、机场和电厂等提供基本的和备用的电力供应。

美国是研究燃料电池最早的国家,处于该领域的领先地位。早在上世纪60年代初,NASA为解决航天飞机中普通电池过重的问题而开始研究新的动力装置。之后的几十年中,能源部、电力研究所和气体研究协会等部门都投入了大量的人力和财力进行研发。目前,碱性电池长期被NASA采用;磷酸型电池技术也相当成熟,已有广泛的商业化应用。2MW的熔融碳酸盐电池已投入运行,西屋(Westinghouse)公司100kW固体氧化物电池也已在荷兰安装。

日本在30多年前就开始燃料电池的研究,近年来成果尤为显着。开发重点集中在磷酸型、熔融碳酸盐型、固体氧化物型3大类。容量达11MW的磷酸盐发电装置也已在东京电力公司投运,效率达43.6%,熔融碳酸盐型已经运转的有2MW级装置。另外还建立了许多宾馆、医院用的100kW级的磷酸型现场发电电池系统。

欧洲各国燃料电池开发较美国、日本为晚。早年主要兴趣在碱性电池,随着燃料电池技术的发展,其优越特性逐渐为人们所认识,欧洲各国也加快了燃料电池技术的引进开发。荷兰、意大利、德国、西班牙等国分别完成10kW、100kW、280kW级碳酸盐型电池的开发,德国和瑞士分别进行了7kW和10kW级固体氧化物电池的开发;意大利于1991年投运了美国造的1MW级磷酸型电池装置。

由于石油短缺和汽车尾气污染等环境问题日益严重,目前燃料电池研发生产的一个重要方向是能够给汽车提供动力。几乎所有大的汽车制造商都在研发使用燃料电池的电动汽车,并已有示范车型。目前,丰田和本田公司已经在日本和美国开展电动汽车的租车业务。现在已有一些使用充电电池的电动汽车,但使用燃料电池的电动汽车市场仍处于培育阶段。专家们预测到2010年前后才能实现商业化。应用于便携式设备(手机、笔记本电脑、掌上电脑等)的微型燃料电池的研发竞争也在激烈地进行。

我国燃料电池的研制开发起步并不晚,然而发展缓慢。上世纪70年代,为配合航天事业的发展我们在碱性燃料电池领域取得了一些进步,但到上世纪80年代由于资金原因研发放慢了,直至上世纪90年代末才又开始新一轮的研发及商业化尝试。

在国内燃料电池研发工作中具有代表性的大连化学物理研究所,已经从事燃料电池的研究近50年,早年曾成功研制了500W的碱性型燃料电池,近年来致力于质子膜、熔融碳酸盐和固体氧化物型电池的研究。该所在2001年至2003年间,将30kW的质子膜电池组用在小型汽车和大型公共汽车上示范成功,并成立了新源动力公司,开始了产品的商业化进程。2003年春,该所与清华大学合作将75kW的质子膜电堆应用在公共汽车上。在直接甲醇燃料电池方面,大连化物所、韩国三星公司、南孚电池公司建立了合作实验室。目前,中国科技大学无机膜研究所已成功研制了新型中温固体氧化物燃料电池。6种燃料电池的应用及技术状态见表1。

表16 种燃料电池的应用及技术状态

电池种类

可用燃料

应用

技术状态

质子膜

氢气、重整气

电动车、潜艇电源

研发、改进、已有商业化产品

磷酸盐

重整气

现场集成能量系统

已有商业化产品

熔融碳酸盐

净化煤气、天然气、重整气

电站、区域性供电

在日本和意大利有示范电站

固体氧化膜

净化煤气、天然气

电站、联合循环发电

示范、测试

碱性

纯氢气

航天、空间站

在航空航天领域长期应用

直接甲醇

甲醇、乙醇

移动电源

研发

4 结语

由于燃料电池的成本居高不下,目前仍处于研发和示范应用阶段,但它在能源贮备、供应方面的安全、可靠、高效率、无污染等特性和广阔的应用前景,使得全世界都在这个领域进行着研发竞赛。

燃料电池领域的研发是一个很大的系统工程,涉及材料、元件、研发、制造、集成应用、分销和终端用户等各个方面,因此“官、产、研”结合是该领域发展的一个显着特征,也是必由之路。我们也充分意识到燃料电池,这个属于能源基础行业中的高新技术,其产业化的难度。这个过程将经历3个阶段:注重技术水平的成果阶段;注重实用化的产品阶段;注重销售价格/生产成本的商品阶段。

2004年5月,由中华人民共和国科学技术部、中国科学技术协会和国际氢能协会主办的第二届国际氢能论坛(The2ndInternationalHydrogenEnergyForum)在北京人民大会堂隆重开幕,显示了中国政府对该领域的重视和支持。我们渴望燃料电池成为人类新的清洁能源,为改善人类的生存环境做出贡献。

来源:零八我的爱

本文由韦德娱乐发布,转载请注明来源

关键词: 韦德娱乐