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化学新能源论文

摘要：当今世界能源问题是人类所面临的三大问题之一，我国目前正面临着巨大的资源与环

境挑战，人均资源匮乏，环境堪忧。随着化石燃料的迅速消耗和环保问题的日益严重,新能

源研究成为全球性的热点研究问题。新能源有别于传统化石能源，具有清洁无污染、安全高

效率等优点。而化学新能源是将化学能直接转化成电能，如锂离子电池、燃料电池、电化学

电容器等，具有广阔的应用发展前景。本文就化学在燃料电池、储氢材料和太阳能电池材料

中的研究和应用进行了述评与总结。

关键词：新能源；燃料电池；储氢材料；太阳能电池材料

1.引言

20世纪70年代以来,随着化石能源的日渐枯竭和人们对环境污染问题的日益重视,

许多国家都加强了对新能源和可再生能源技术发展的支持。我国国家能源局有关负责人披

露，目前，中国水力、核电、风能、太阳能、生物能等可再生能源和新能源产业均实现了高

速增长，风力发电装机容量连续三年翻番，总装机容量已位列世界第四；太阳能光伏产业也

实现了高速增长，太阳能发电总量位居世界首位。本文通过对化学在燃料电池、储氢材料和

太阳能电池材料中某些关键问题的应用和研究现状的介绍,旨在希望理论化学在能源的存

储与转换这个领域中得到更深入的应用。

2.燃料电池

燃料电池（FC）是将储存于燃料(H2、甲醇等)中的化学能转化为电能的一种装置,为

WilliamGrove在19世纪首先提出的,是人类所知最早的电能转化技术之一;由于经济、材

料等原因,燃料电池的发展落后于蒸汽机和内燃机。20世纪60年代的太空技术,特别是美国

阿波罗计划,开启了燃料电池的新时代。近年来,全球环境保护意识的增强,极大地促进了

燃料电池的发展。根据使用的电解质,燃料电池有碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池

(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池

(PEMFC)、直接甲醇燃料电池（DMFC）等。

2.1燃料电池和传统电池的比较

燃料电池所共有的特点是：第一，提供能量过程都发生在电极电解质界面上；第二，电

子、离子的运输都是分开的；第三，都是由和电解质接触的两个电极构成；第四，对电极和

电解质中关于离子和电子传导的要求是相同或相近的。

当然，燃料电池与传统的电化学电池相比，也有其不同的地方。第一，能量存储和转

换位置不同：传统电池是封闭体系，传统电池的正负极是电荷转移的介质，正负极本身就是

电活性物质，而燃料电池是敞开体系，燃料设在电池外面，能量转换在电池内部。第二，能

量和功率密度不同：燃料电池功率密度小，能量密度高，而传统电化学电池功率密度和能量

密度都比较适中。

2.2燃料电池的特点、进展及应用

质子交换膜燃料电池(PEMFC)和直接甲醇燃料电池（DMFC）属于低温燃料电池，都用到

稀少而昂贵的Pt-Rh、Pt作为催化剂，氢气作为还原剂，要求要有很高的纯度，催化剂很容

易CO中毒，而且它们都用Nafion膜作为隔膜材料。

熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)属于高温燃料电池，不需要Pt-Rh、Pt作为催化剂，而且CO

可以作为燃料使用，所用的电解质是腐蚀性很强的碳酸盐，其对阴极、阳极和隔膜的腐蚀是

很严重的。

固体氧化物燃料电池(SOFC)也属于高温燃料电池，但它是全固态的，是利用快离子导体

作为“电解质”，因此，各部位的密封性是非常关键的问题。

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目前，质子交换膜燃料电池(PEMFC)功率在一百到几百千瓦，功率密度约为1A/cm,美

国及其他欧洲发达国家将其用于电动汽车上。直接甲醇燃料电池（DMFC）功率在几十到几百

瓦之间，常用于手机、笔记本电脑的电池。熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电

池(SOFC)功率比较大，可达100千瓦以上，目前美国、欧盟及日本等国家正研究将其用于部

分替代火力发电。

3.储氢材料

氢能作为一种储量丰富、来源广泛、能量密度高的绿色能源及能源载体,正引起人们越

来越广泛的关注,受到世界各国的高度重视。氢能应用的关键是氢的储运,而储氢材料则是

研究的焦点。美国能源部(DOE)关于储氢材料的应用标准为氢气储存的质量能量密度和体积

能量密度应分别达到617wt%和62kgPm。根据氢与材料作用方式,储氢材料可分为两类。一类

是氢以