燃料电池材料及其储能技术

第一篇：燃料电池材料及其储能技术

燃料电池材料及其储能技术

姓名：李浩杰

学号：2014050101018

摘要：出于对环境友好、高转换效率、高功率、高能量密度的能源技术的需求，世界各国纷纷开展对于性能优良的燃料电池的研究。其研究重点主要集中在四个方面：电解质膜、电极、燃料、系统结构。其中又以前三个为热点。目前，由于在燃料大规模制备上的困难以及其在工作时需要的一些昂贵的贵金属，燃料电池大规模商业应用受到一定限制。关键字：燃料电池、电解质膜、储能

一、燃料电池原理

燃料电池是一种使用燃料进行化学反应产生电能的装臵。所用的燃料主要包括氢气、甲醇、乙醇、天然气、汽油以及一些含氢有机物。氢气可以直接作为燃料电池的燃料，其他气体一般需要处理为含氢气的重整气。由于其燃料来源广泛，发电后产生纯水和热，能量转换效率高达80%~90%，对环境无污染，所以广泛受到各国科学家的关注，被认为是继火电、水电、核电之后的第四代发电方式。

燃料电池的工作原理图如上所示。在阳极，氢气与碱中氢氧根的在电催化剂的作用下，发生氧化反应生成水和电子：

电子通过外电路到达阴极，在阴极电催化剂的作用下，参与氧的还原反应：

生成的氢氧根通过多孔石棉膜迁移到氢电极。

为保持电池连续工作，除需与电池消耗氢气、氧气等速地供应氢气和氧气外，还需连续、等速地从阳极（氢电极）排出电池反应生成的水，以维持电解液浓度的恒定；排除电池反应的废热以维持电池工作温度的恒定。

容易看出，与其他电池相比，燃料电池内部并不储能，它只是高效地将从外部源源不断通入的燃料转换成电能，所以，它更像是一个微型的发电站。

二、燃料电池发展历程

1、国外

1839年，格罗夫发表世界上第一篇关于燃料电池的报告。初期的燃料电池使用气体为氧化剂和燃料，但因为气体在电解质溶液中溶解度很小，导致电池的工作电流密度极低。后来，多孔气体扩散电极和电化学反应三相界面概念的提出以及实际材料的突破，使燃料电池具备了走向实用化的必备条件。

60年代，由于载人航天器对于大功率、高比功率与高比能量电池的迫切需求，燃料电池开始引起一些国家与军工部门的高度重视。其典型成果为阿波罗登月飞船上的主电源—培根型中温氢氧燃料电池。

70~80 年代，由于出现世界性的能源危机和燃料电池在航天上成功应用及其高的能量转化效率，促使世界上以美国为首的发达国家大力支持民用燃料电池的开发，进而使磷酸型及熔融碳酸盐型燃料电池发展到兆瓦级试验电站的阶段。

20世纪90年代以来，出于可持续发展、保护地球、造福子孙后代等目的，基于质子交换膜的燃料电池开始高度发展。特别是在电动车行业，世界上所有的大汽车公司与石油公司均已介入燃料电池汽车的开发。

总的来说，燃料电池主要经历了经历了第1代碱性燃料电池（AFC），第2代磷酸燃料电池（PAFC），第3代熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）后，在20世纪80年代迅速发展起了新型固体氧化物燃料电池(SOFC)。

2、国内

中国燃料电池的研究始于1958年。

1970年前后,开始了燃料电池产品开发工作并在70年代形成了燃料电池产品的研制高潮。主要开发项目是由国家投资的航天用碱性氢氧燃料电池,该产品的研制目标是为了配合中国航天技术发展计划的一个项目。

到70年代末,由于总体计划的变更而中止。但与该项计划实施的同时,一些由地方政府投资与使用部门合作的应用碱性燃料电池项目也进行了开发，只是尚未形成应用。

80年代初、中期,中国燃料电池的研究及开发工作处于低潮。

进入90年代以来,在国外先进国家燃料电池技术取得巨大进展,一些产品已进入准商品化阶段的形势影响下,中国又一次掀起了燃料电池研究开发热潮。

三、几种燃料电池简介

1、分类

（1）按燃料电池的运行机理可分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。

（2）按电解质的种类不同，燃料电池可分为碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池等。在燃料电池中，磷酸燃料电池、质子交换膜燃料电池可以冷起动和快起动，可以作为移动电源，满足特殊情况的使用要求，更加具有竞争力。

（3）按燃料类型分，有氢气、甲烷、乙烷、丁烯、丁烷和天然气等气体燃料；甲醇、甲苯、汽油、柴油等有机液体燃料。有机液体燃料和气体燃料必须经过重整器“重整”为氢气后，才能成为燃料电池的燃料。（4）按燃料电池工作温度分，有低温型，工作温度低于200℃；中温型，工作温度为200～750℃；高温型，工作温度高于750℃。

上图为几种常见燃料电池各种性能，应用环境的简单对比，现主要以电解质分类形式介绍几种常见的燃料电池。

2、质子交换膜燃料电池

质子交换膜燃料电池是最接近商业化的一种燃料电池，最有希望作为未来电动汽车的发动机。在各种燃料电池中，它的工作温度是最低的，也是目前发展规模最大的一种。

上图为典型的单结质子交换膜燃料电池结构。由质子交换膜、催化层、气体扩散层、密封圈、双极板等关键部件组成。通常以全氟磺酸型质子交换膜为电解质膜，用Pt/C或者PtRu/C作为催化剂。以阴阳极催化剂层和电解质膜所组成的三合一组件统称为膜电极，是 它的核心部件。

实际应用的燃料电池电站是一个很复杂的系统，它包括燃料供应、氧化剂供应、电池反应、水热管理等多个子系统。

它的工作原理是是氢气和氧化剂分别由燃料电池的阳极和阴极流道进入电池内部，经过气体扩散层后到达电极催化层。阳极侧的氢气在催化剂的作用下，解离成氢离子和电子，氢离子穿过质子交换膜到达阴极侧，电子则经过外电路形成电流后到达阴极；在阴极催化剂的作用下，氧气接受质子和电子生成水分子，在整个过程中，外电路的电子流动形成电流。

目前限制质子交换膜燃料电池进入商业化的最主要原因是成本和寿命两大问题，寻找和开发新型材料成为解决这两大问题、推进商业化进程的必然选择，也是质子交换膜燃料电池近些年来的研究重点和热点。

3、熔融碳酸盐燃料电池

熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）在高温下工作（约 650℃），可以利用排气余热和燃气轮机混合发电，发电效率通常高达50%以上，,可用多种燃料(如天然气和煤)，不需要用铂等贵重金属作为催化剂，有望应用到中心电站，工业化或商业化联合发电，是目前燃料电池研究的主流之一，上图为平板式熔融碳酸盐燃料电池单体结构示意。它由电极-电解质、燃料流通道、氧化剂流通道和上下隔板组成。目前,MCFC的主要技术问题已经基本解决。美国、日本等正在进行十万瓦和兆瓦级的实用演示试验,预计距商业化为期不远。

4、固体氧化物燃料电池

固体氧化物燃料电池是20世纪八九十年代燃料电池研究的成果，该燃料电池具有诸多优点。比如避免了使用液态电解质所带来的腐蚀和电解质流失等问题，反应迅速，无须贵金属催化剂，能量利用率高达80%以上，燃料广泛，可以承受较高浓度的硫化物和CO的毒害，因此对电极的要求大大降低。基于此，目前世界各国都在积极投入SOFC技术的研发。

上图为固体氧化物燃料电池的工作原理图。它主要由阴极、阳极、电解质和连接材料组 成。在阳极和阴极分别送入还原、氧化气体后，氧气在多孔的阴极上发生还原反应，生成氧负离子。氧负离子在电解质中通过氧离子空位和氧离子之间的换位跃迁达到阳极，然后与燃料反应，生成水和二氧化碳，因而形成了带电离子的定向流动。

四、燃料电池的应用

1、航天领域

早在上个世纪60年代，燃料电池就成功地应用于航天技术，这种轻质、高效的动力源一直是美国航天技术的首选。比如，以燃料电池为动力的 Gemini宇宙飞船1965年研制成功，采用的是聚苯乙烯磺酸膜，完成了8天的飞行。后来在Apollo宇宙飞船采用了碱性电解质燃料电池，从此开启了燃料电池航天应用的新纪元。

中国科学院大连化学物理研究所早在70年代就成功研制了以航天应用为背景的碱性燃料电池系统。A型额定功率为 500 W，B型额定功率为 300 W，燃料分别采用氢气和肼在线分解氢，整个系统均经过环境模拟实验，接近实际应用。这一航天用燃料电池研制成果为我国此后燃料电池在航天领域应用奠定了一定的技术基础。

2、潜艇

燃料电池作为潜艇AIP动力源，从2002年第一艘燃料电池AIP潜艇下水至今已经有6艘在役。FC-AIP 潜艇具有续航时间长、安静、隐蔽性好等优点，通常柴油机驱动的潜艇水下一次潜航时间仅为 2天，而FC-AIP潜艇一次潜航时间可达3周。

3、电动汽车

随着汽车保有量的增加，传统燃油内燃机汽车造成的环境污染日益加剧，同时，也面临着对石油的依存度日益增加的严重问题．燃料电池作为汽车动力源是解决因汽车而产生的环境、能源问题的可行方案之一。燃料电池汽车示范在国内外不断兴起，较著名的是欧洲城市清洁交通示范项目。

4、固定式分散电站

污染重、能效低一直是困扰火力发电的核心问题，燃料电池作为低碳、减排的清洁发电技术，受到国内外的普遍重视。比如PAFC电站的代表性开发商UTC Power 公司已经开发出了400 k W 磷酸燃料电池发电系统；PEMFC电站的代表性开发商Ballard 公司开发出了 250 k W ～ 1 MW的示范电站。

第二篇：燃料电池技术

燃料电池技术

发 展 动 态

北京天恒可持续发展研究所

2000年7月

目录

为开发生物质燃料电池，ERC在中国建立合资企业.........................................................................3 通用电气公司和PLUG POWER公司将提供住宅用燃料电池..........................................................3 燃料电池机车比传统电气化铁路的经济性更好吗？...........................................................................3 09/15/98Texaco公司说：“传统”石油公司将被淘汰。

休斯敦-据路透社报道，Texaco主席兼首席执行官Peter Bijur在出席在休斯敦召开的世界能源理事会第17次会议上发表这番评论说：“传统石油公司的日子已经屈指可数了，其中一个原因是诸如燃料电池的先进技术不断涌现。”“我相信我们正在与传统石油公司共度最后时光”，Bijur说。他认为当前石油工业面临的压力来自于新的运输技术，例如用燃料电池驱动运输车辆，而不再使用汽油，以及那些据Bijur预计“将对自然资源加强控制”的国家。他预测，未来的石油公司提供更多的专业技术，而不是在新地方开采石油。Bijur说：“一个石油公司的价值将不再是其储量的价值，而是其技术的价值。”

Energy Partners公司发布其第一个燃料电池组

Energy Partners公司最近向燃料电池研究开发市场介绍了其研制的NG2000型先进质子交换膜(PEM)燃料电池组，并向Virginia Tech公司提供了NG2000-20燃料电池组，这个电池组的功率为20千瓦，将安装在混合动力汽车(HEV)上。Energy Partners公司的质子交换膜燃料电池技术和Virginia Tech公司的混合动力汽车将参加1999年6月美国能源部的未来汽车的挑战展示会。该燃料电池公司还宣布将提供5千瓦、10千瓦和20千瓦的型号以满足燃料电池测试、开发和示范项目的需求。Energy Partners公司希望在明年早些时候推出新型的NG2000可变燃料电池组。(BUSINESS WIRE: 10/15)

Edison Technology Solutions对燃料电池与燃气轮机联合发电系统进行示范 洛杉矶-Edison Technology Solutions是Edison国际公司的一个下属单位，4 也是南加利福尼亚Edison公司的母公司。上个星期三，该公司宣布他们研究开发成功功率为250千瓦的联合发电站。公司说这个发电站将把燃料电池和燃气轮机结合在一起。这种发电站的成本比单纯的燃料电池系统低，而效率是单纯的微型燃气轮机的两倍。Edison Technology公司总裁Vikram Budhraja在说明中说：“最根本的改变在于发电过程，原有的规模效益被制造效益取代。”他还说，由于效率提高意味着燃料成本降低并能够防止价格波动，同时排放减少将减轻当地的关注程度，小规模的发电站将能够吸引大批的用户。该公司宣布第一个发电站由200千瓦增压固体氧气燃料电池和50千瓦使用天然气为燃料的燃气轮机组成，并将于1999年中期安装在加利福尼亚大学。(C)Reuters Limited 1998.东芝和UTC联合开发燃料电池技术

东芝公司将与美国的联合技术公司(UTC)合作开发用于电动汽车的小型燃料电池。这两个公司已经在美国建立了合资企业，并希望在2003年以前能够实现商业化。新公司为国际燃料电池公司，其90%的股份由飞机零部件制造商UTS掌握，其余部分由东芝公司掌握。两公司宣布这个建于康涅狄格州的合资企业在2000年以前将开发功率为50千瓦的小型节能燃料电池。东芝公司和UTC已经合作开发了用作工厂或办公楼发电机的200千瓦燃料电池。早时候的公司还为美国国家航空和宇宙航行局提供了航天飞机上使用的燃料电池。东芝公司说未来10年内燃料电池驱动汽车市场的年销售额预计将达到8,000亿日元(55亿美元)。据称，新型燃料电池的效率为汽油发动机的两倍。(ASIA PULSE: 8/2)

福特、Ballard和戴姆勒-奔驰成立新合资公司

福特、Ballard和戴姆勒-奔驰三家公司公布了其联合企业的新名称和标志，这个联合企业将为燃料电池汽车的汽车开发动力传动系统。去年4月，福特、Ballard动力系统和戴姆勒宣布建立全球联盟，旨在成为在全世界范围内领先的燃料电池驱动轿车、卡车和大客车的动力传动系统和配件的生产商，Ecostar是 5 那时建立的两个企业之一。新的合作企业将为电池驱动和混合动力汽车开发先进的电力驱动系统，以及非汽车方面应用，如固定式的发电站。公司宣布他们的目标是建立生产这些配件的基地并最终实现商业化生产。福特是Ecostar公司的主要持股人，而Ballard拥有21%的股份，戴姆勒-奔驰拥有17%。DDB燃料电池发电机GmbH公司是合资企业中的第二个，主要持股人是戴姆勒-奔驰公司，而Ballard和福特分别拥有27%和22%的股份。DDB公司负责开发燃料电池系统。福特、Ballard和戴姆勒-奔驰三家公司一共已经为联盟投资超过7亿美元，其中福特公司投入4.2亿美元的现金、技术和资产。该公司宣布其目标为在2004年之前使燃料电池动力系能够支持燃料电池汽车的商业化生产。(FORD RELEASE: 8/6)

壳牌公司计划开发氢技术

壳牌(英国)有限公司的主席兼首席执行官Chris Fay说，壳牌(英国)有限公司支持对氢作为运输燃料的开发，并已经决定投入资金对氢驱动汽车技术进行研究。Chris Fay 说：“壳牌公司已经与其它公司合作建立了专门研究氢生产和新型燃料电池技术的发展机会的氢经济研究小组。”他还说：“我们相信氢燃料电池驱动的汽车很可能会在2005年之前进入欧洲和美国的汽车市场”。“在壳牌公司，我们确信，氢与液化气类似，代表着明天的燃料。”德国宝马汽车公司也同意壳牌在支持氢作为替代推进系统的首选燃料的立场。宝马公司已经示范了一个自动化加注高度冷却液氢的加油站。ZEVCO 报纸评论说：“壳牌石油公司正在开始其应用于运输行业的氢气供应和销售的业务。”“这标志着氢不再仅仅是一种工业气体，也将成为(运输)燃料，而且随着生产成本降低，大规模生产也将呼之欲出。”(HART'S EUROPEAN FUELS NEWS: 8/5)

壳牌公司和戴姆勒-奔驰汽车公司联合研究氢驱动电动汽车

壳牌公司最近宣布将与戴姆勒-奔驰公司的一个子公司合作开发新一代氢燃料汽 6 车。壳牌公司希望利用DDB燃料电池发电机GmbH 中采用的燃料电池新技术把氢气转化为电能并用于未来的电动汽车中。这两个公司在声明中说：“结果将是汽车既具有燃料电池动力所带来的环保优势，又能够方便地在已有的加油站中添加燃料。”壳牌公司正在试验把DDB燃料电池与本公司的可以把液体燃料转化为富氢气体的催化剂部分氧化技术相结合。壳牌公司相信燃料电池可以象汽油和柴油一样驱动发动机，而且排放和噪音都很小。壳牌公司说：“戴姆勒-奔驰公司已经开发了使用车载氢气为燃料的汽车和使用在汽车内部甲醇转化的氢气为燃料的汽车。”(REUTERS: 8/17)

美国通用汽车公司与Ballard动力系统公司签订协议

作为正在进行的燃料电池驱动电动汽车的研究开发项目的一部分，通用汽车公司最近为Ballard动力系统公司提供了价值70万美元的协议。Ballard公司总裁Firoz Rasul 说：“Ballard公司珍视与通用汽车公司目前的关系，购买燃料电池测试设备和相关服务表明通用汽车公司对燃料电池汽车的一贯兴趣和贡献。”Ballard公司的燃料电池可以把天然气、甲醇或氢燃料在不经过燃烧的情况下转化为电能，在过程中不产生任何污染排放。(BALLARD RELEASE: 8/14)

电力公司建设欧洲第一座质子交换膜燃料电池发电站

四个德国电力公司和一个法国电力公司将于明年在德国柏林建设欧洲第一个质子交换膜燃料电池发电站。这座250千瓦的发电站将在1999年下半年安装，并预计在安装另一套热电联产设备后马上开始发电。发电站将由法国GEC Alsthom公司的德国子公司Alstom Energietechnik建设和安装，法国GEC Alsthom公司在今年早些时候与Ballard发电系统公司建立了伙伴关系。另外，汉堡的HEW公司，汉诺威的PreussenElektra公司，柏林的VEAG公司和Bewag公司，法国巴黎的Electricite公司也将参加这个项目。这个投资417万美元的项目将建在原东德所属柏林的Treptowq区的一个热力发电站旁边。根据HEW公司提供的信息，欧盟将负担项目总投资额的40%。Bewag公司说在欧洲其它 地区也将建设燃料电池发电站。这个公司说，五个电力公司将“鼓励在示范项目框架内的燃料电池开发”，在柏林的这个项目是多公司合作研究的第一个项目。(HYDROGEN & FUEL CELL LETTER: SEPTEMBER 1998)

NABI将引进燃料电池公共汽车

北美公共汽车工业(NABI)宣布其将在明年向公众展示新一代用先进材料建造并由天然气燃料电池驱动的轻型公共汽车。预计于明年5月在美国面世的燃料电池公共汽车将包括长度为40英尺的低顶公共汽车、45英尺长的长途汽车，和长度为30英尺的低顶混合动力公共汽车，这些型号都由使用压缩天然气为燃料的燃料电池来驱动。(NATURAL GAS FUELS: SEPTEMBER 1998)

燃料电池汽车－下一代 竞赛正在继续。全世界的汽车生产商都在开发无污染排放的新型发动机。燃料电池发动机技术看起来处于领先地位。美国通用汽车公司的全球替代推进中心主任Byron McCormick说：“在所有技术之中，燃料电池汽车看起来是最有发展前途的，很有可能成为下一代批量生产的汽车。”戴姆勒-奔驰汽车公司和通用汽车公司的燃料电池汽车都使用液体甲醇为燃料，把甲醇转化为氢气并通过燃料电池发电来驱动汽车。另外，两种汽车都有车载制氢设备和电池。丰田汽车公司及其竞争对手本田汽车公司都计划在2003年之前把燃料电池汽车投放市场。汽车生产商一致认为氢燃料电池汽车的性能与传统汽车近似，但是效率更高，而且没有污染排放。但是，燃料电池的成功将取决于其成本。戴姆勒-奔驰汽车公司的发言人说：“我们的目标是在2004年能够把成本可以与柴油机汽车相竞争的燃料电池汽车商业化。我们发现消费者不愿意为环保原因而支付额外费用，他们的决定取决于成本。”(REUTERS: 9/17)

日本公司开发燃料电池汽车

利于环保的先进技术汽车的未来应该包括燃料电池，尤其是当燃料电池变得更小、效率更高时。世界上的汽车制造商准备最早在2004年推出燃料电池汽车，8 日本Asahi 化学工业公司和日产汽车公司取得的技术进步将使燃料电池汽车成为现实。燃料电池汽车技术所面临的挑战包括尺寸和效率。一般来说，当燃料电池的尺寸缩小到适合于汽车时，其动力输出只有汽油发动机的一半。Asahi化学工业公司与Dow化学公司合作，已经开发出一种方法能够把燃料电池的单位体积发电功率提高一倍。这种技术利用了改进的电极材料，而且对单个电池的测试表明一个小的电池组可以提供与传统汽油发动机相等的动力。日产汽车公司开发了一种当置于电极之间可以加快燃料电池内化学反应的特殊聚合膜。这种膜几乎可以把氢离子的运动速度提高一倍，这样就可以把燃料电池的总体尺寸降低，而又不牺牲动力输出。另外，Asahi化学工业公司与Noguchi研究所合作已经发现了解决一氧化碳杂质问题的办法，即使一氧化碳的浓度只有100ppm，燃料电池动力输出也会降低一半。公司已经开发成功了可以把用于发电的氢气中一氧化碳杂质完全消除的特殊催化剂。(ASIA PULSE: 9/24)

Medis El公司将获得燃料电池技术

Medis El有限公司最近宣布其子公司将从两个以色列科学家那里获得极其先进的用于移动电话、传呼设备和计算机、并最终能够应用于汽车的燃料电池技术。如果一切顺利，这两个发明家及其助手将获得Medis El有限公司这家子公司的30%股份。发明者之一，Mikhael Khidekel在前苏联开发并生产了高导电性聚合体(HECP)。他还开发了一种新型的据称延展性极好的高导电性聚合体,使用这种材料可以降低燃料电池中电极设计和生产的重量和体积。Medis El公司说，另一个发明者Gannady Finkelstein开发了可以大幅度降低铂涂层材料但又能够保持高质量的燃料电池电极电镀过程。公司表示要采用其在以色列航空工业(IAI)开发的航天密封技术方面的科学知识来解决燃料电池泄漏的问题。燃料电池将在Medis El公司的主要持股人以色列航空工业拥有的工厂进行开发。Medis El公司主席Robert Lifton说：“为开发应用于电动汽车、家庭和其它用途的燃料电池已经投入了上亿美元，我们相信Khidekel教授和Finkelstein工程师开发的高导电性聚合体和先进的电镀技术加上Medis El公司的自身能力将有助 于燃料电池在所有这些方面应用的发展。” 联系人: Robert Lifton, Medis El, 电话：212-935-8484.(MEDIS EL RELEASE: 9/28)

APCI公司和HCI公司开发氢气加油站

气体产品和化学有限公司(APCI)与氢气开发有限公司(HCI)合作，为芝加哥的燃料电池公共汽车示范项目设计并建设了氢气加油站。这个燃料添加系统包括接收、储存、压缩和气化液氢的燃料准备系统和用于向公共汽车上的合成燃料箱添加气体氢气的传递系统。为尽可能地降低泄漏，在可能的情况下使用焊管系统取代螺纹连接系统。操作人员选择尽可能高的加注压力，而且加注系统要确保不能够超过燃料箱的压力和温度限制。这种系统还具有许多自动的超压关闭开关和减压阀门。为确保公共汽车不发生移动，轮胎要固定在凹槽中，而且司机必须拉紧汽车的手刹车。如果其它系统不能够保持汽车固定，脱逃双重关闭装置可以作为一种安全措施。到目前为止，加油站在示范期间运行良好。项目中的所有三辆公共汽车都可以在15分钟内完成燃料添加。联系人: APCI, 电话：610-481-8336.(THE CLEAN FUELS REPORT: SEPTEMBER 1998)

通用汽车公司向公众展示燃料电池驱动的面包车

通用汽车公司在上周的巴黎汽车展上展示了燃料电池版的Zafira面包车，这表明其已经进入了燃料电池载客汽车市场。致力于燃料电池技术商业化的独立非盈利组织Fuel Cells 2000的执行主任Bob Rose说：“我们为通用汽车公司的最新成果向他们表示祝贺。”通用汽车公司已经在燃料电池用于运输用途进行了几十年的工作。但是Zafira面包车使这一概念成为入门关注的焦点。这辆由通用汽车公司在欧洲的子公司欧宝公司生产的面包车由以甲醇转化的氢气为燃料的50千瓦质子交换膜燃料电池驱动。通用汽车公司称这辆车“几乎完全不排放氮氧化物，二氧化碳排放量只相当于汽油发动机的一半”。而且，通用公司还称这辆燃料电池汽车的驾驶范围与常规汽车相似。Rose说：“在燃料电池汽车尚处于发展阶段时，通用汽车公司加入到载客汽车竞赛令人兴奋，而且意义重大，也使人确信燃料电池汽车是下一代汽车的有力竞争者。”通用汽车公司称，他们计划在2004年前完成可以商业化的燃料电池汽车。联系人：Fuel Cells 2000, 电话：202-785-9620，传

真

：

202-785-9529，网

址

：

http://www.xiexiebang.com.(FUEL CELLS 2000 RELEASE: 10/1)

丰田汽车公司和戴姆勒-奔驰汽车公司讨论环境问题

据来自东京的消息，日本丰田汽车公司和德国戴姆勒-奔驰汽车公司将就合作开发下一代有利于环保的汽车和零配件回收技术进行谈判。这将是丰田公司和戴姆勒-奔驰公司首次建立这种关系。自8月份来说，两家汽车公司已经在德国和日本进行了工作级会谈。根据日本的消息，两家公司在环境问题将是引导未来全球汽车市场的决定因素方面持有一致意见。预计这项运动将有助于为汽车生产建立与环境相关的技术的全球标准。两家公司研究了让通用汽车公司加入协议的计划。通用汽车公司和丰田汽车公司已经联合开发了电动汽车的电池充电装置。但是有消息称，通用公司加入改协议的计划已经被取消了。丰田公司已经开始批量生产利于环保的混合动力电动汽车和低排放直燃汽油发动机。戴姆勒-奔驰公司正在与福特汽车公司联合开发下一代燃料电池电动汽车，这将使戴姆勒-奔驰公司与丰田公司进行直接竞争。(KYODO: 10/8)

H Power公司从NIST获得316万美元资金

H Power公司最近宣布其从商业部下属的国家标准和技术研究所(NIST)获得316万美元资金，用于H Power公司及其合资伙伴Epyx/Arthur D.Little 有限公司进行的以丙烷为燃料的燃料电池动力系统项目。H Power公司首席执行官H.Frank Gibbard说：“我们非常高兴国家标准和技术研究所能够认识到我们的建议可以应用于很多用途，并作出回应。” “在国家标准和技术研究所的先进技术计划下，H Power公司和Epyx/Arthur D.Little 有限公司将开发以廉价并容易获得的丙烷为燃料驱动燃料电池的技术。这项技术将使燃料电池在通讯后备电源方面及其它工业或生活用途完全实现商业化。”为替代通讯应用中的充电电池和其它动力来源，H Power公司要制造尺寸与谷物箱相近的燃料电池，重量仅14磅。以丙烷为燃料的燃料电池的使用寿命预计是相同重量的电池的4倍。公司希望燃料电池在通讯行业中的成功可以带动燃料电池在其它方面的应用，包括紧急动力设备、小型海陆车辆推进系统和手提式发电机。(H POWER RELEASE: 11 10/8)

通用汽车公司可以使用卡迪拉克汽车作为燃料电池平台

通用汽车公司最近宣布其正计划使用其豪华汽车－卡迪拉克牌轿车来开发技术先进而且有利于环保的动力系统。燃料电池驱动的发动机是被考虑的先进技术之一。公司希望卡迪拉克可以率先成为环保型汽车。通用公司称其正在向对成本不很关心的消费者介绍可以降低对汽油的依赖程度的高技术发动机。通用公司认为卡迪拉克汽车的购买者与通用公司其它品牌汽车的购买者相比，对价格比较不敏感。另外，公司相信卡迪拉克汽车的购买者将愿意为成为第一批使用不对环境产生危害的先进技术而支付稍多的费用。燃料电池把氢气转化为电能来驱动汽车，而水蒸汽是唯一的副产品。(EV WORLD: 10/14)

日本日产汽车公司计划在2005年以前实现燃料电池汽车商业化

日产汽车公司最近宣布其计划在2003年到2005年间开始销售以甲醇为燃料的小型燃料电池驱动的汽车。燃料电池由加拿大的Ballard动力系统公司开发。(ASIA PULSE: 9/2)

伦敦展示新型燃料电池出租汽车

Zevco公司制造的氢燃料出租汽车采用了Zevco公司的子公司Elenco公司为有人驾驶太空应用开发的技术。原型车由通过混合空气中的氧气和车载压缩燃料箱中的氢气来工作的燃料电池来驱动。(FINANCIAL TIMES: 7/30)12

第三篇：燃料电池的发电技术

新型材料及其应用论文--《燃料电池发电技术》

燃料电池发电技术

摘要：概述了燃料电池的原理和分类，以及他们的反应原理及技术和燃料电池发电技术做了初步介绍。

关键词：燃料电池，发电

引言：随着社会经济的高速发展，人们对能源的依赖越来越严重，而生存环境的持续恶化又催促人们不断寻求清洁能源。燃料电池由于其环保性和高效性被誉为继火力发电、水力发电、核电之后的第四代发电技术，越来越多的国家和地区投入更多的资金对其进行研究并使其产业化。

一：燃料电池简介

燃料电池（Fuel cell），是一种使用燃料进行化学反应产生电力的装置，最早于1839年由英国的Grove所发明。最常见是以氢氧为燃料的质子交换膜燃料电池，由于燃料价格便宜，加上对人体无化学危险、对环境无害，发电后产生纯水和热，20世纪60年代应用在美国军方，后于1965年应用于美国双子星座5号飞船。现在也有一些笔记型电脑开始研究使用燃料电池。但由于产生的电量太小，且无法瞬间提供大量电能，只能用于平稳供电上。

燃料电池其原理：它是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。这里以氢-氧燃料电池为例来说明燃料电池

氢-氧燃料电池反应原理 这个反映是电觧水的逆过程。电极应为： 负极：H2 +2OH-→2H2O +2e-

正极：1/2O2 +H2O+ 2e-→2OH-

电池反应：H2 +1/2O2==H2O

图1 燃料电池工作原理示意图 燃料电池的类型：

碱性燃料电池（AFC）——采用氢氧化钾溶液作为电解液。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）——采用极薄的塑料薄膜作为其电解质。

磷酸燃料电池（PAFC）——采用200℃高温下的磷酸作为其电解质。

熔融碳酸燃料电池（MCFC）

固态氧燃料电池（SOFC）——采用固态电解质

二：燃料电池发电系统

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。

燃料电池发电是在一定条件下使H2、天然气和煤气（主要是H2）与氧化剂（空气中的O2）发生化学反应，将化学能直接转换为电能和热能的过程。与常规电池的不同之处在于：只要有燃料和氧化剂供给，就会有持续不断的电力输出。与常规的火力发电不同，它不受卡诺循环（由两个绝热过程和两个等温过程构成的循环过程）的限制，能量转换效率高。燃料电池除可发电外，还可作为电动汽车的电源。在对众多的蓄电池以及一次电源的研究以及应 新型材料及其应用论文--《燃料电池发电技术》

用中发现：质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为一种不经过燃烧直接以电化学反应连续地把燃料和氧化剂中的化学能直接转换成电能的发电装置，具有能量转换效率高（一般都在40-50％，而内燃机仅为18％-24％）、无污染、启动快、电池寿命长、比功率、比能量高等优点。

1.磷酸燃料电池(PAFC)发电技术

磷酸型燃料电池由多节单电池按压滤机方式组装以构成电池组。

碱性燃料电池在载人航天飞行中的成功应用，证明了按电化学方式直接将化学能转化为电能的燃料电池的高效与可靠性，为提高能源的利用效率，人们希望将这种高效发电方式用于地面发电。

以磷酸为电解质的磷酸型氢氧燃料电池首先取得突破。至今，其技术获得了高度发展，已进行了规模为11000kW~4500kW的电站试验，定型产品PC25(200kW)已投放市场，有数百台这种电站在世界各地运行，运行试验证明，这种燃料电池分散电站的运行高度可靠，可作为不间断电源应用，其热电效率达40%，热电联产时其燃料的利用率达60% ~70%。

图2 PAFC的反应原理

目前氢的贮存与运输均有不少技术问题需待解决，各国正在积极进行攻关研究一旦这一系列的技术问题得到解决，燃料电池就可利用由太阳能，核能等发出的电来电解水所制备出的氢作为燃料。

在以矿物燃料为原始燃料时，则需经化学转化的过程，例如煤的气化，天然气或汽油的蒸气转化等，通过这些方法将矿物燃料先转化为富氢气体，才可以送入电池作为燃料电池的燃料。

磷酸燃料电池的输出为直流电，而大部分用户的电器均使用交流电，因此，需要把燃料电池输出的直流电经逆变器转换成交流电后再提供给用户使用。磷酸燃料电池的内阻较常规化学电源如铅酸蓄电池大，所以，当输出电流变化时它的工作电压变化幅度大，为解决这一问题，常在燃料电池的输出和逆变器之间加一个振荡变流器(chopper)，它的功能是升压或降，以确保供给用户电力的工作电压维持恒定。

燃料电池应是一个能够自动运行的发电厂，因此，对于磷酸燃料电池来说，其氧化剂的供应，电池废热的排出，反应生成水的回收等均需进行控制与管理，再加上还需对电力输出逆变进行控制与管理等，所有这些必须齐备才能构成一个完整的燃料电池系统。

新型材料及其应用论文--《燃料电池发电技术》

图3 磷酸燃料电池系统方框图 2.质子交换膜燃料电池(PEMFC)发电技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)由若干单电池串联而成，单电池由表面涂有催化剂的多孔阳极

多孔阴极和置于二者之间的固体聚合物电解质构成。其工作原理如图4所示，当分别向阳极和阴极供给氢气与氧气时，进入多孔阳极的氢原子在催化剂作用下被离化为氢离子和电子，氢离子经由电解质转移到阴极，电子经外电路负载流向阴极，氢离子与阴极的氧原子及电子结合成水分子，因此 PEMFC的电化学反应为：

图4 PEMFC的反应原理

(1)原料来源广泛，通过对石油，天燃气，煤炭还有沼气，甲醇，水植物等加工取得，来之不尽，取之不竭。

(2)无污染，因没有燃烧过程，不排放有害气体，它的排出物是氢氧结合的纯水。(3)无燥音，其发电过程是电化学反应过程，没有机械运动，所以没有噪音。(4)能源转换效率高，因其工作温度低，能耗少，能源转换效率理论上可高达。

欲使PEMFC依负荷的变化，长时间稳定的向负载提供电能，必须给电池组配置以下4个功能单元，即燃料及氧化剂贮存与供给单元，电池湿度，温度调节单元，功率变换单元及系统控制单元等，这样，方能构成一个实用化的，完整的PEMFC发电系统。如图5

图5 质子交换膜燃料电池发电系统示意图

新型材料及其应用论文--《燃料电池发电技术》

3.熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)发电技术

熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)以碱金属（Li﹑Na﹑K）的熔融碳酸盐为电解质，富氢燃料天然气甲烷煤气等转化而成为燃料，氧气空气加CO2为氧化剂，工作温度约为650℃，余热利用价值高，点催化剂以镍为主，无需使用贵金属，发电效率高。MCFC的反应原理如图

图6 MCFC的反应原理

MCFC单电池是由阴极、电解质、电解质隔膜和阳极组成，若组成电池堆，则还需要双极板、集流器、气泡屏等组件，其中，隔膜是MCFC的核心部件，必须强度高、耐高温熔盐腐蚀、浸入熔盐电解质后能够阻挡气体通过，并且有良好的离子导电性能（MCFC的导电离子是CO32-).通过对多种材料的筛选和多年的研究，目前已普遍采用偏铝酸锂来制备MCFC隔膜。

美国从1976年开始开发MCFC，主要的开商有能源研究所(Energy Research Corporation，ERC)和MC Power公司，ERC在1991至1994年间先后完成了25 kW、70 kW、125 kW电池组的试验，并于1996年建成了世界上功率最大的2MW MCFC电站，直接燃用脱硫后的天然气。2000年，ERC设计的单电池堆出力达到250 kW并进入商业化。2005年，兆瓦级的MCFC进入商业化。日本从1981年开始研究MCFC，并于1987年研究成功10 kW MCFC发电设备，1997年1MW MCFC电站在日本川越火电厂投运。日立公司2000年开发出1 MW MCFC发电装置。东芝公司开发出低成本的10 kW MCFC发电装置。此外，荷兰、德国、意大利、韩国等国家也于20世纪90年代建成相关的试验电站。我国于1991年由原电力工业部哈尔滨电站成套设备研究所研制出由7个MCFC单电池组成的电池组，上海交通大学和大连化学物理研究所都于2001年完成了1 kwMCFC电站的试验。

MCFC试验电站的建成和运行为MCFC商业化提供了丰富的经验，各国的科学家正在研究改进MCFC的关键材料和技术应用。

MCFC工作温度高，余热利用价值高，可以与煤气化联合循环结合组成高效的洁净煤发电技术。

4.固体氧化物燃料电池

同体氧化物燃料电池(SOFC)以固态氧化钇、氧化锆为电解质，天然气、气化煤气、碳氢化合物为燃料，氧气为氧化剂。固态氧化钇、氧化锆电解质在高温下有很强的离子传导功能，能够传导02～，电解质将电池分隔为燃料极(阳极)和空气极(阴极)。氧分子在空气极得到电子，被还原成02～，然后通过电解质传输到阳极，在阳极与氢气(或一氧化碳)发生反应。生成水(或二氧化碳)和电子。在迄今为止人类所发明的能源转化方式中，SOFC的转换效率是最高的，其反应原理如图

新型材料及其应用论文--《燃料电池发电技术》

图7 SOFC的反应原理

从原理与结构上讲，固体氧化物燃料电池是一种理想的燃料电池，它不但具有其他燃料电池高效，环境友好的优点，而且还具有以下突出优点

固体氧化物燃料电池是全固体结构，无使用液体电解质带来的腐蚀和电解液流失问题，可望实现长寿命运行，固体氧化物燃料电池在800~1000 下工作，不但电催化剂无需采用贵金属，而且还可直接采用天然气，煤气和碳氢化合物作燃料，简化了电池系统，固体氧化物燃料电池排出的高质量余热可与燃气，蒸汽轮机等构成联合循环发电系统，会大大提高总发电效率。

图8 100kw SOFC系统示意图

固体氧化物燃料电池技术的难点也源于它的高工作温度，电池的关键部件阳极隔膜，阴极和联结材料等在电池的工作条件下必须具备化学与热的相容性，即在电池工作条件下，电 新型材料及其应用论文--《燃料电池发电技术》

池构成材料间不但不能发生化学反应，而且其热膨胀系数也应相互匹配。

固体氧化物燃料电池最适宜的用途是与煤气化和燃气，蒸汽轮机构成联合循环发电系统，建造中心电站或分散式电站，这样既能提高能源利用率，又可消除对环境的污染。

三：燃料电池发电的应用前景

目前，美国、加拿大、日本、韩国以及欧洲的很多国家都把燃料电池发电技术提高到事关“国家能源安全”的战略高度，投入大量资金予以资助和研发。我国是能源消耗大国，以煤和石油为主，能源利用率低，污染严重；同时，近年来我国由于自然灾害或人为因素导致的大面积停电事故，给社会和经济造成巨大损失。如果在电网中有许多分布式电源在供电，则供电的可靠性和供电质量将会大大改善。分布式电源作为我国大电网的有效补充，如果能够得到较快的发展，电网抵御各种灾害的能力将会有很大提高。随着国民经济的发展，备用电源需求日益增大，如移动通信机站、军用移动指挥系统、野外医疗中心、固定或移动办公设施等的备用电源，需要配备技术性和经济性好的备用电源，而燃料电池中的PEMFC刚好能实现这个功能。从燃料电池发展的研究现状来看，我国在燃料电池发电方面的技术与发达国家如美国、加拿大、日本等相距甚远。我国要发展燃料电池技术，需要引进、消化及吸收国外先进技术，加快完成技术革新。

四：结束语

燃料电池作为高效、清洁、友好的新能源技术，已经得到越来越多国家的重视，掌握清洁高效的发电技术对国家能源和安全具有重要的战略意义，而燃料电池正是高效环保的发电技术之一。随着我国西气东送、天然气管网的不断完善，对电网可靠性和稳定性要求的不断提高，以及对环保要求的不断提高，燃料电池会起到越来越重要的作用。

参考文献：

祁宝森 《新型材料及其应用》 哈尔滨工业大学出版社 2007 颖颖 曹广益 朱新坚 《燃料电池一有前途的分布式发电》·电网技术·2005 许诗森 程健 《燃料电池发电系统》．中国电力出版社．2005 衣宝廉 《燃料电池——原理、技术、应用》．化学工业出版社，2003 宗强

《燃料电池》．北京：化学工业出版社．2005 丁常胜 苗红雁 《新型高效清洁能源—燃料电池》．陕西科技大学学报．2004 刘建国 孙公权 《燃料电池概述》．物理学与新能源材料专题．2004 沈德兴

《燃料电池发电》．节能．1999

第四篇：2016年储能技术成本分析报告

2016年储能技术成本分析报告

目录

摘要……………………………………………………………………………………1

一、概述………………………………………………………………………………1

二、储能技术…………………………………………………………………………6

（一）物理储能………………………………………………………………………7

（二）电化学储能……………………………………………………………………10

图表目录

图表1：全球电化学储能项目累计装机规模………………………………………4 图表2：中国电化学储能项目累计装机规模………………………………………4 图表3：全球储能装机预测……………………………………………………5 图表4：全球各类储能规模预测……………………………………………………5 图表5：电化学储能将呈现星星之火可以燎原之势………………………………6 图表6：储能在整个电力价值链中的作用…………………………………………6 图表7：抽水储能的特点……………………………………………………9 图表8：压缩空气储能的特点……………………………………………………9 图表9：飞轮储能的特点……………………………………………………10 图表10：热储的特点………………………………………………………………10 图表11：氢储的特点………………………………………………………………10

2016年储能技术成本深度分析报告

摘要：

我们预判分布式电站将在十三五期间有大发展，作为基础性资产的电站上一定规模（有研究表明占比超过10%），其随机性、间歇性和地域性等特征越发突出，导致用电和发电不对称，对电网还会造成一定的冲击，为了促进光伏电站规模持续性增长以及占一次能源消费结构的比重逐步提高，势必会对储能技术和相关设备有所诉求，储能领域将会成为下一片蓝海。

近期，国家能源局先后下发了《国家能源局关于推动电储能参与“三北”地区调峰辅助服务工作的通知（征求意见稿）》、《关于促进电储能参与“三北”地区电力辅助服务补偿（市场）机制试点工作的通知》(国能监管[2016]164号)和《中国制造2025--能源装备实施方案的通知》，进一步对储能领域进行了战略布局。我们认为，蓄势待发，2016年将是储能领域最突出的表现。

与市场不同的是，基于国外实际的储能落地项目，通过查阅大量资料，我们总结了最近几年储能技术的研究进展和各储能技术的特点、相关成本和应用范围。从各成本要素的角度来看，压缩空气储能的功率转换成本最高（846欧元/kW），相应地，Ni-Cd电池的成本最低，仅只有240欧元/kW。但是，在储能成本方面，电化学储能相对与物理储能的成本要高。氢储和压缩空气储能（地下）相关储能成本仅仅只有4和40欧元/kW。从全生命周期成本的角度来看，物理储能明显低于电化学储能。飞轮储能在电力质量和调频服务方面具有成本优势。但是，物理储能的应用领域受到地理条件的限制明显，因此，随着技术进步的不断加快，未来电化学储能的成本有望持续降低，应用前景更加广泛。

一、概述：储能—2016年是储能元年

2015年11月公布的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》（简称《建议》）中，“坚持绿色发展，着力改善生态环境”部分提出了推进能源革命，加快能源技术创新，提高非化石能源比例，加快发展风能、太阳能，加强储能和智能电网建设，发展分布式能源，推行节能低碳电力调度，实施新能源汽车推广计划等重点工作。可以说，《建议》明确指出了储能建设的必要性和战略方向。同时，截至2015年底，我国光伏电站的装机规模已经达到43 GW，作为基础资产的电站达到一定规模后，储能的建设势必提上议事日程。根

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据规划，十三五期间，光伏电站累计将达到150 GW，其中分布式电站将达到70 GW，具备10倍的成长空间。同时，近期，国家能源局新能源与可再生能源司副司长梁志鹏出席第九届亚洲太阳能论坛并指出，到2020年全球光伏规模在450至600 GW，到2030年的时候要达到1000至1500 GW。根据GTM Research发布报告称，预计未来5年内，储能系统的成本有望下降41%。因此，作为基础资产的光伏电站而言，光伏电站规模化为储能的建设提供了旷阔的增长空间。

从全球储能领域发展态势来看，目前，国际上储能累计装机有了一定的规模，以抽水储能为主，电化学储能将呈现星星之火可以燎原之势（见图“蓝点分布区域”），到2015年底全球累计电化学储能装机规模达到890.9 MW。国际上，欧美日等发达国家一直比较重视储能技术的研究和应用。以美国储能产业发展来看，美国2015年第4季度新装储能规模为112 MW，整个2015年达成221 MW，相当于增长率为243%。其中，电网级应用占比为85%，主要位于PJM市场（2015年新增储能规模为160 MW）。behind-the-meter部署较少，但是这一领域的增长率最快，2015年增长率高达405%。据GTM的预测，美国储能市场到2019年会超过1 GW，到2020年规模达1.7 GW，市场规模在25亿美元，相当于人民币157亿元左右。

从中国储能领域发展态势来看，我国储能领域应该说只是起步阶段，据CNESA不完全统计，我国电化学储能仅105.5 MW。分布式发电及微网领域的储能项目在我国全部储能项目中的占比从2013年的24%，提高到2015年的46%。对于新的领域，从国际经验来看，储能领域初期技术研发和成本等因素都比较高，会相应地有政府政策扶持，储能领域才能有所发展。据不完全统计，美国联邦和州层面针对储能的法案和政策就达到了21项。欧盟和日本也均有针对储能的扶持政策。储能的政策扶持主要包括：投资方面给予一定的布贴或税收减免；技术研究方面给予一定的补贴；建立相应的储能领域的体制机制。因此，我们认为，初期通过政府政策的配套和资金的扶持是必要的，2016年储能领域的相关配套政策会陆续出台，储能产业将会大发展。

2016年3月10日，能源局印发《国家能源局关于推动电储能参与“三北”地区调峰辅助服务工作的通知（征求意见稿）》，鼓励发电、售电企业、电力用户和地理辅助服务提供商等投资建设电储能设施，并可参加发电侧调峰服务市场；鼓

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励各地规划集中式新能源发电基地时，配置适当规模的电储能设施，实现电储能设施与新能源、电网的协调优化运行；鼓励在小区、楼宇、工商企业等用户侧建设分布式电储能设施并作为需求侧资源参与辅助服务市场交易。

2016年6月7日，国家能源局正式发布《关于促进电储能参与“三北”地区电力辅助服务补偿（市场）机制试点工作的通知》（国能监管[2016]164号），决定开展电储能参与“三北”地区电力辅助补偿（市场）机制试点，挖掘“三北”地区电力系统接纳可再生能源的潜力，同时满足民生供热需求。其目标为“三北”地区各省（区、市）原则上可选取不超过5个电储能设施参与电力调峰调频辅助服务补偿（市场）机制试点，已有工作经验的地区可以适当提高试点数量，探索商业化应用，推动建立促进可再生能源消纳的长效机制。

2016年6月20日，国家发改委、工信部、能源局联合印发了关于《中国制造2025—能源装备实施方案的通知》。《通知》中，确定了储能装备等15个领域的发展任务，并明确资金支持、税收优惠、鼓励国际合作等五大保障措施。其中储能装备方面，涉及了抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、液流电池、锂电池、超级电容器等方面。同时，《通知》中“在储能装备方面，高性能铅炭电池储能装备就是要进行技术攻关的重点项目之一。其目标为研究高导电率、耐腐蚀的新型电极材料设计、合成和改性技术，以及长寿命铅炭复合电极和新型耐腐蚀正极板栅制备技术，掌握铅炭电池本体制备技术，开发长寿命、低成本铅炭电池储能装置。”对铅碳电池在储能领域内的未来发展方向给予了明确的表述。我们认为，蓄势待发，2016年将是储能领域最突出的表现。

储能在整个电力价值链上起到至关重要的作用。它的作用涉及发电、传输、分配乃至终端用户--包括居民用电以及工业和商业用电。在发电端，储能系统可以用于快速响应的调频服务及可再生能源如风能、太阳能对于终端用户的持续供电，这样扬长避短地利用了可再生能源清洁发电的特点，并且有效地规避了其间断性、不确定性等缺点；在传输端，储能系统可以有效地提高传输系统的可靠性；在分配端，储能系统可以提高电能的质量；在终端用户端，储能系统可以优化使用电价，并且保持电能的高质量。随着分布式电源的发展和智能电网的提出，储能系统的作用将会更加重要。

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图1：全球电化学储能项目累计装机规模

图2：中国电化学储能项目累计装机规模

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图3：全球储能装机预测

图4：全球各类储能规模预测

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图5：电化学储能将呈现星星之火可以燎原之势

图6：储能在整个电力价值链中的作用

二、储能技术：百家争鸣、百花齐放

储能技术一般分为热储能和电储能，未来应用于全球能源互联网的主要是电储能。电储能技术主要分为物理储能（如抽水蓄能、压缩空气储能）、电化学储能（如铅酸电池、钠硫电池、液流电池）和电磁储能（如超导电磁储能、超级电容器储能）三大类。

与市场不同的是，基于国外实际的储能落地项目，通过查阅大量资料，我们

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总结了最近几年储能技术的研究进展和各储能技术的特点、相关成本和应用范围。

对比各种储能技术，成熟度和优越性最高的要属抽水蓄能、压缩空气储能、氢储、合成天然气储能，其中抽水蓄能占比最高，达到99%，占全球发电量的3%。

（一）物理储能

抽水蓄能是当前最主要的电力储能技术。抽水储能电站配备上、下游两个水库，负荷低谷时段抽水储能设备工作在电动机状态，将下游水库的水抽到上游水库保存，负荷高峰时抽水储能设备处于发电机的状态，利用储存在上游水库中的水发电。目前，世界范围内抽水蓄能电站主要集中分布在美国、日本和西欧等国家和地区，并网总装机容量超过7000万kW。而美国、日本和西欧等经济发达国家抽水蓄能机组容量占到了世界抽水蓄能电站总装机容量的70%以上。近年来，世界大型抽水蓄能电站的应用案例主要有日本神流川电站（装机282万kW），美国落基山电站（装机76万kW），德国金谷电站（装机106万kW）。目前，日本有41座抽水蓄能电站，装机容量24.65 GW，占日本发电总装机容量10%以上。在日本抽水蓄能电站主要功能在于调峰、调频、填谷、瞬时运行的事故备用能力以及经济性蓄水。美国抽水蓄能电站年发电利用小时数差别很大，部分电站年发电利用小时数较高,最高达1953h，在系统中主要承担调峰填谷、促进电力系统合理经济运行的任务。有一半抽水蓄能电站年发电利用小时数少于1000h，最少的全年仅34h，它们在系统中除参加调峰，主要担负调频、调相、提高电压稳定性和供电质量并承担事故备用。

压缩空气储能也是一种物理储能形式。储能时，压缩机将空气压缩并存于储气室中，储存室一般由钢瓶、岩洞、废弃矿洞充当。释能时，高压空气从储气室释放，做功发电。目前全球压缩空气储能装机约40万kW。压缩空气储能技术研究始于20世纪40年代，70年代后，德、美等国相继投运压缩空气储能系统，将几十至一百多个大气压的空气储存于矿洞或地下洞穴，释能时采用天然气补燃的方式通过燃气轮机发电。压缩空气储能技术术比较成熟，但大规模的应用需要洞穴储气，选址有一定困难，2000年后全球无新增商业化运营的案例。

飞轮储能主要应用于为蓄电池系统作补充，如用于不间断电源/应急电源、电网调峰和频率控制。飞轮储能利用电动机带动飞轮高速旋转，将电能转化成机

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械能储存起来，在需要时飞轮带动发电机发电。近年来，一些新技术和新材料的应用，使飞轮储能技术取得了突破性进展，例如：磁悬浮技术、真空技术、高性能永磁技术和高温超导技术的发展，极大地降低了机械轴承摩擦与风阻损耗；高强度纤维复合材料的应用，飞轮允许线速度大幅提高，大大增加了单位质量的动能储量；电力电子技术的飞速发展，使飞轮储存的能量交换更为灵活高效。

氢储能是近两年受德国等欧洲国家氢能综合利用后提出的新概念。氢储已被证明是最有前途的储能技术之一，因为它适用范围较为广泛，如交通和电力。同时，结合可再生能源或低碳能源技术，氢储可以减少温室气体排放。此外，氢储能够有效地整合了大量的间歇性风能。氢储能可看作是一种化学储能的延伸，其基本原理就是将水电解得到氢气和氧气。以风电制氢储能技术为例，其核心思想是当风电充足但无法上网、需要弃风时，利用风电将水电解制成氢气（和氧气），将氢气储存起来；当需要电能时，将储存的氢气通过不同方式（内燃机、燃料电池或其他方式）转换为电能输送上网。通常所指的氢储能系统是电-氢-电的循环，且不同于常规的锂电池、铅酸电池。其前端的电解水环节，多以功率（kW）计算容量，代表着氢储能系统的“充电”功率；后端的燃料电池环节，也以功率（kW）计算容量，代表着氢储能系统的“放电”功率；中间的储氢环节，多以氢气的体积（标准立方米Nm3）计算容量，如换算成电能容量，1Nm3氢气大约可产生1.25kWh电能，储氢环节的容量大小决定了氢储能系统可持续“充电”或“放电”的时长。

目前欧、美、日等都制定了氢能发展战略和详细的计划，并在迅速而有步骤地推进。

欧盟实现不依赖化石能源的可持续发展目标的其中重要一环就是实现Power-to-Gas（P2G）技术路线，即把可再生能源以氢气或甲烷等方式大规模储存起来并加以应用。根据德国制定的《氢能与燃料电池计划》中的“氢的生产和配送”部分分析，德国目前的发展进度已经大大提前。德国一些大型能源电力公司，如EON和ENERTRAG等都在政府的宏观指导和具体支持下积极实施P2G项目，以期最终实现利用风能等可再生能源的大规模制氢，这将是今后大规模利用风能最有前景的技术路线之一。下一步德国计划开展更大规模的20-50MW风力发电制氢的P2G示范项目，为未来的氢能源经济培育基础。

日本可能是世界上最接近氢社会的国家。这并不单单是因为燃料电池汽车

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（FCV）的产业化，而是因为全世界燃料电池进入千家万户的国家只有日本。2009年，家用燃料电池“ENE-FARM”的上市在全球开了先河。这种电池利用煤气和煤油提取氢气，注入燃料电池中发电。发电时产生的废热用来烧水、泡澡和地暖使用，能源效率超过9成。ENE-FARM的主机由松下和东芝制造，通过东京瓦斯、大阪燃气、吉坤日矿日石能源等公司销售。截至2015年1月底，松下在日本全国已累计出货约5.2万台ENE-FARM。

公开的相关研究资料也分析了氢储的技术领域的适用性问题。氢储技术在选择、设计、建造和运营等方面具有一系列标准，具体包括：安全标准、终端使用标准、运营标准以及经济性标准。

从目前储能技术研究的角度看，大量的热储研究领域集中在熔盐存储、矿层存储、低温储能，室温离子液体储能，并利用相变材料储能。典型的热储能是熔盐储能。熔盐储能技术早于1995年在美国的Solar Two塔式示范电站上进行了示范应用，并在2009年西班牙装机50 MW的Andasol1槽式电站上进行了首次成功的商业化应用，自此开启了熔盐储热的商业化之门。虽然其技术仍在发展之中，但熔盐技术固有的缺陷看起来比较难以克服，如有成熟应用的二元太阳盐的凝固点过高，导致其寄生性能源消耗过高；熔盐的腐蚀性对熔盐系统的设备材料要求较高，导致系统投资成本较高等。目前，熔盐技术正从两个方面发力来寻求更大的突破，一方面即革新熔盐的成分配比，采用低熔点熔盐等，另一方面即推进熔盐工质直接吸热传热技术的研发。

表7：抽水储能的特点

表8：压缩空气储能的特点

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表9：飞轮储能的特点

表10：热储的特点

表11：氢储的特点

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第五篇：石墨+水(未来储能（定稿）

石墨 + 水 = 未来电池

两种普通材料的组合——“石墨 + 水”能制造能量存储系统，产生媲美锂离子电池的储能效果，并且在几秒钟内充满电，拥有几乎无限长的使用寿命。

“石墨 + 水” 储能的原理是利用电荷在全界面导电碳原子表面的有序堆积来实现电能的大量、超快速储存和释放，以“石墨 + 水”凝胶为基础的新型储电装置可以在几秒内充放电，拥有几乎无限次的循环寿命。一直以来，产业界都在寻找高效、可控的电能储备材料，要求其导电性能良好、物化性质稳定，能够让电荷在其微观结构上实现最大程度的有序堆积，用以制作超级材料，实现电能的高效储备及释放。目前认为纳米石墨（石墨烯）就是这种潜在的理想材料。蒙纳士大学材料工程系（Monash University Department of Materials Engineering）李旦博士和他的研究团队正在研究一种名叫石墨烯的材料，这种材料有可能成为下一代超快速能量存储系统的基础。李博士说：“一旦我们能恰当地操纵这种材料，那么像 iPhone 这样的设备可以在数秒钟或更短的时间内完成充电。”

石墨烯是石墨剥离成一个原子厚度的产物。石墨价格低廉、随处可见，常用于铅笔芯中，这种形式的石墨具有卓越的特性。由于石墨烯强度高，具有化学稳定性，因此是绝佳的导电材料，它的另一个重要的特性就是表面积非常大。李博士说：“这些特性让石墨烯非常适合应用于能量存储系统。而目前石墨烯没有被大规模应用是因为这种材料非常薄，如果堆积到一起形成宏观结构时，会立即紧密连接在一起形成石墨。石墨烯重新堆积之后大部分表面将消失，不再具有石墨烯的特性。”现在，李博士和他的团队找到了使石墨薄片保持其非凡特性的方法：水。水可让石墨烯保持湿润——以凝胶的形式存在——让层与层之间产生排斥力，防止它们重新堆积。

李博士表示：“我们使用的是两种基本的、不昂贵的材料——水和石墨，他们能让这种纳米材料拥有非常惊人的特性。这个技术非常简单，能够大规模应用。我们发现这一点时，觉得它不可思议。”

目前，“石墨 + 水”储能需要攻克的关键技术是如何在不降低石墨烯物化性能的同时，将它高效有序的密集组装在一起，并且能够有效阻止石墨烯在加工过程中的二次堆叠。影响石墨烯广泛应用的关键问题是它的堆积结构。通常情况下，紧密堆积的石墨烯容易重新形成石墨，这样的话，将不再具有单片石墨烯独有的性能。李博士团队在工作中发现，石墨烯作为一种极其少见的二维凝聚态导电物质，在控制的条件下能够与水相互作用自行组装成微观纳米间隔而又宏观紧密堆积的三维凝胶结构，具有意想不到的性能，将会给电能储备技术带来突破性进展。应用到储能设备上时，无论是在电荷的储存量还是充电的速度方面，石墨烯凝胶能显著超越当前的碳基技术。目前以此材料构造的电储能装置所获能量密度已经相当于电动汽车中广泛使用的锂离子电池，所获功率密度百倍超过锂离子电池，以此为动力的电动汽车将有可能替代传统燃油动力汽车。

新型储电材料是低碳经济，清洁能源产业发展的重点领域，对人类未来可持续发展意义深远，尤其是对中国这样一个石化能源进口大国，关系到国民经济发展的平稳与安全。中国碳材料产业发达，石墨矿藏储量丰富，但是其产业一直处于产业链的低端。“石墨 + 水”储能材料这一新技术将极大地提高现有石墨产业的附加值，改变电能储存产业现状，有望在消费电子、智能电网、动力机械及电动汽车领域获得广泛的应用。李博士认为这种新技术的发展前景不仅仅局限于消费电子产品，“高速、可靠、低成本的能量存储系统，是未来实现大规模应用可再生资源所产生的电能的关键，也是电动汽车大规模应用的关键。石墨烯凝胶同时显示出应用于水净化薄膜、生物医疗设备和传感器的潜力。”

石墨烯每克卖600多美元 投产后能降到10元

更新：2013-04-27 09:57:48 作者：新闻中心 来源：现代金报 点击：178次 【字号：大 中 小】

中国储能网讯：全球首条石墨烯生产线今年将在宁波建成投产。记者昨天了解到，中科院宁波材料所与宁波墨西科技有限公司签约，双方联合组建“石墨烯制备与应用研发中心”。

这是全球首条石墨烯生产线

石墨烯量产技术是世界性难题，中科院宁波材料所的石墨烯量产技术在全球首先突破，宁波墨西科技有限公司将在今年建成全球第一条石墨烯生产线，第一期年产300吨。

宁波墨西科技有限公司董事长陈为健告诉记者，目前，7个生产车间以及仓库已经封顶，年产300吨石墨烯微片生产线将于今年10月建成投产。

“生产线第一期已基本建成，开始少量生产石墨烯产品，并免费提供给本地企业试用。预计到今年10月，这条生产线第一期将正式建成投产。”陈为健说，现在可以从国外少量进口单层石墨烯产品，但价格非常昂贵，每克要600多美元，折合人民币3000多元/克，价格是黄金的十多倍。这条300吨生产线建成后是生产石墨烯微片的，将成为全球首个量产的石墨烯生产线。到时候，可以将石墨烯生产成本降低到每克10元左右。

根据中科院宁波材料所与宁波墨西科技有限公司签订的协议，后者将从2012年起连续5年为前者提供每年1000万元的研发经费。

中科院宁波材料所有关负责人介绍，此次共建“石墨烯制备与应用研发中心”，将围绕石墨烯开展相关研发，提高产品质量和稳定性，扩展石墨烯应用领域，最终使该研发中心成为国内先进的技术研发基地。

电瓶车10分钟就能充满电

石墨烯是从石墨材料中剥离出来，是目前世界上最薄的材料。除了最薄，它还是世界上最硬、导电性最好、导热能力最强的新材料。

“石墨烯是有限资源，不可再生，制备成本很高，非常昂贵，现在只停留在实验室里，大大限制了石墨烯产业化的发展。”中科院宁波材料所的专家说，“我们的研究，就是让其产业化，能成为大量供给的工业原料。”

石墨烯与我们的生活有什么关系呢？比如，能让手机屏幕更薄，甚至折叠起来。“如果使用有石墨烯成分的原料来做手机屏幕，可以直接把屏幕折叠起来使用，透明性也很好。这就像电影《阿凡达》里的那个透明弯曲、悬浮着的虚拟显示屏。”

比如，用在电池上。“现在，电瓶车充电往往要1～3个小时才能充满，如果使用石墨烯动力的锂电池，10分钟内就能完成，电池的性能、寿命也会大大提高。”该专家说。

石墨烯的储能特性及其前景展望

前言:能源和环境问题是目前人类亟需解决的两大问题。在化石能源日渐枯竭，环境污染日益严重，全球气候变暖的今天，寻求替代传统化石能源的可再生绿色能源，谋求人与环境的和谐显得尤为迫切。对于新型的、绿色、储能器件，在关切其绿色的同时，高功率密度，高能量密度则是其是否可以真正替代传统能量储运体系的重要指标。新型的电源体系，特别是二次电池或者超级电容器是目前重要的绿色储能装置，而其中核心部分是性能优异的储能材料。各种碳质材料，特别是 sp2杂化的碳质材料，由于其特殊的层状结构或者超大的比表面积，成为重要的储能材料或者储能体系的电极材料。作为 sp2杂化碳质材料的基元结构的单层石墨 ——石墨烯(graphene)，2004 年被成功制备；独特的结构、真正的表面性固体(无孔 表面碳原子比例为 100%的超大表面材料)，使其成为下一代碳质电极材料的重要选择。

结构研究：碳是自然界广泛存在的一种元素，具有多样性，特异性和广泛性的特点。碳元素可以 sp、sp2、sp3三种杂化方式形成固体单质。而 sp2杂化形成的碳质材料的基元结构是二维石墨烯片层。如图 1 所示，如果在六元环形成的石墨烯晶格结构中存在五元环的晶格, 就会使石墨烯片层翘曲, 当有 12 个以上五元环晶格存在时就会形成零维的富勒烯；碳纳米管可以看作是石墨烯沿一定角度卷曲形成的圆筒状一维材料；石墨烯片层相互作用、叠加，便形成了三维的体相石墨。而作为无定形的多孔碳质材料(活性炭 活性炭纤维及炭气 凝胶等)则是由富含缺陷的微晶石墨炭(厚度和尺度很小的三维石墨片层结构)相互作用形成。

图1 石墨烯的结构(左图)及由石墨烯为基本单元构筑的sp2杂化碳质材料(右图)

石墨烯这种稳定的晶格结构使其具有异常优异的导电性。石墨烯的价带和导带(电子)相交于费米能级处，是能隙为零的半导体，在费米能级附近其载流子呈现线性的色散关系。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子问作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。石墨烯是目前已知导电性能最出色的材料。石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速 的 1／300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。石墨烯特殊的结构使其具有完美的量子隧道效应、半整数的量子霍尔效应等一系列性质

。石墨烯也具有良好的力学、光学和热学性质，具有突出的导热性能(3 0 0 0 W／(I T I·K))和力学性能(1 0 6 0 GP a)，以及室温下高速的电子迁移率(1 5 0 0 0 c m／(V·s))-l。石墨烯是真正的表面性固体，理想的单层石墨烯具有超大的比表面积，其理论比表面积高达 2600 m ／g，而单层石墨烯的比表面积为2 6 3 0 m ／g，大大超过目前应用于电化学双层电容器中的活性炭的比表面积。

良好的导电性是其他大比表面积碳质材料很难具有的独特性质，预示着石墨烯很可能是性能极佳的电极材料；而良好的热导性质光学性质和力学强度，也预示着石墨烯材料可用于超薄型、超微型的电极材料和储能器件，而这样的储能元件可用于高密度的纳电子器件和 高功率电池组中。3．石墨烯材料的制备

石墨烯的主要制备方法有机械劈裂法口、外延晶体生长法、化学气相沉积法、氧化石墨的热膨胀和还原法。还有一些其他制备方法也陆续被开发出来，如气相等离子体生长技术、静电沉积法和高温高压合成法等。在上述制备石墨烯的工艺中，化学法制备以相对简单和低廉正受到越来越多的关注。化学法制备石墨烯主要采用氧化石墨、膨胀石墨或微粉石墨作为石墨源，其中以氧化石墨为源制备的石墨烯存在较多的含氧官能团和不可逆转的结构缺陷，极大地影响了石墨烯的电学性能，而以膨胀石墨或者微粉石墨为源制备的石墨烯，具有缺陷很少、导电率很好的特点。

目前已能实现实验室大规模制备石墨烯，但工业化生产还需有个过渡阶段。大量的问题还需要研究，例如： 如何低成本、大规模制备出期望结构的石墨烯，如何实现其微加工 来完成对石墨烯大小、边缘和形状的控制，不同层结构的石墨烯性能如何等等，这些都是需要解决的关键性问题。另外，关于石墨烯的基本物理性能及展示独特优异性质的内在原理的研究也需要深入。4.石墨烯材料的应用

石墨烯在超级电容器中的应用

碳质材料是最早也是目前研究和应用得很广泛的超级电容器电极材料。用于超级电容器的碳质材料目前主要集中于活性炭(AC)、活性炭纤维(ACF)炭气凝胶、碳纳米管(CNTs)和模板炭等。这些 sp2碳质材料的基元材料是石墨烯自石墨烯被成功制备出来后，人们开始探究其这种极限结构的 sp2碳质材料在超级电容器里应用的可能性

Ruoff 小组利用化学改性的石墨烯作为电极材料，测试了基于石墨烯的超级电容器的性能。这种石墨烯材料的电容性能在水系和有机电解液中的比电容分别可以达到 135 F/g 和 99 F/g。Rao 等人比较了通过三种方法制备的石墨烯的电容性能。在硫酸电解液中，通过氧化石墨热膨胀法和纳米金刚石转化法得到的石墨烯具有较高的比电容，可以达到 117 F/g；在有机电解液中，电压为5 V 的时候，其比电容和比能量可以达到 71 F/g 和 31.9 Wh/kg。

石墨烯材料应用于超级电容器有其独特的优势。石墨烯是完全离散的单层石墨材料，其整个表面可以形成双电层；但是在形成宏观聚集体过程中，石墨烯片层之间互相杂乱叠加，会使得形成有效双电层的面积减少(一般化学法制备获得的石墨烯具有 200-200 m2/g)即 使如此，石墨烯仍然可以获得 100~230F/g 的比电容 如果其表面可以完全释放，将获得远高于多孔炭的比电容在石墨烯片层叠加，形成宏观体的过程中，形成的孔隙集中在 100 nm 以上，有利于电解液的扩散，因此基于石墨烯的超级电容器具有良好的功率特性。

石墨烯在锂离子电池中的应用

对锂离子电池负极材料的研究，主要集中在碳质材料、合金材料和复合材料等方面。碳质材料是最早为人们所研究并应用于锂离子电池商品化的材料，至今仍是大家关注和研究的重点之一。碳质材料根据其结构特点可分成可石墨化炭(软炭)无定形炭(硬炭)和石墨类 目前对碳负极的研究主要是采用各种手段对其表面进行改性，但是对人造石墨再进行表面处理 将进一步增加制造成本，因此今后研究的重点仍将是怎样更好地利用廉价的天然石墨和开发有价值的无定形碳材料。因此，从石墨出发制造低成本高性能的锂离子电池负极材料是现在的主要研究方向石墨烯作为一种由石墨出发制备的新型碳质材料，单层或者薄层石墨在锂离子电池里的应用潜力也落入研究者的视野之中。

Yoo 等人研究了石墨烯应用于锂离子二次电池负极材料中的性能，其比容量可以达到 540 mAh/g 如果在其中掺入 C60 和碳纳米管后，负极的比容量可以达到 784 mAh/g 和 730 mAh/g。Khantha 等人通过理论计算讨论了石墨烯的储锂机理。3 在太阳能电池和燃料电池中的应用

除了显示出作为超级电容器和锂离子电池的巨大潜力外，石墨烯也在太阳电池、燃料电池方面展现出独特的优势。二维的石墨烯具有良好的透光性和导电性，是替代 ITO很有

潜力的材料。利用石墨烯及其复合材料制作透明导电膜并将其应用于太阳能电池中也成为人们研究的热点。

W an g等

将氧化石墨热膨胀后热处理还原得到的石墨烯制作为透明导电膜，应用于染料敏化太阳电池中，取得了较好的结果。制备的石墨烯透明导电膜的电导率可以达到 5 5 o s／c m，在 1000 ~3 000 nm的波长范围内，透光率可达7%以上。Wu等m 采用溶液法制备石墨烯透明导电膜，并应用于有机太阳能电池中作为阳极。由于应用的石墨烯未经过有效的还原，所以电阻较大，致得到的太阳能电池短路，电流及填充因数不及氧化铟。如果可以降低石墨烯膜的电阻，得到的结果可能要更好。L i 等对石墨采用剥离一 再嵌入一扩张的方法，成功地制备了高质量石墨烯，其电阻为通过以氧化石墨为原料制备的石墨烯电阻的，并以D MF为溶剂，成功地制备了 L B膜。这种透明导电膜也成为应用于太阳能电池的潜在材料。Ry a n等“用溶液法制备”的石墨烯与其它贵金属材料复合作为电极，组装的有机太阳能电池的短路电流密度可以到 4.O mA／c I T I，开路电压为

硅高2 V，光转化率可以达到 1.1 %。

目前，太阳能电池的重要原料是高纯的单晶硅或多晶。但硅的生产成本高，加工需要高温，能量转换率还不够，如果石墨烯能成为太阳能电池的主要材料，就能克服以上缺点。在储氢／ 甲烷中的应用

Di mi t r a k a k i s 等利用石墨烯和碳纳米管设计了一个三维储氢模型，如果这种材料掺入锂离子，其在常压下储氢能力可以达到4 1 g／L。因此，石墨烯这种新材料的出现，为人 们对储氢／ 甲烷材料的设计提供了一种新的思路和材料。

图2由石墨烯和碳纳米管组成的3D结构储氢模型

展望：石墨在大自然中非常普遍，但科学家如何找到一种将石墨转变成大片高质量石墨烯“ 薄膜” 的方法是很重要的。目前，人们的研究主要集中于 3个方面： 一是石墨烯的低成本大规模制备的基础研究，二是石墨烯基复合材料的制备与性能研究，三是石墨烯材料在相关领域的应用研究。石墨烯具有独特的优异电学性能，近年来石墨烯材料的制备及其储能材料领域的应用取得了较大进展，随着人们对石墨烯及其复合材料研究的深入 以及制备方法的改进，石墨烯及其复合材料在电化学中的应用将会得到更为广泛的关注。与碳纳米管的发现与研究应用过程类似，在今后的若干年里石墨烯的研究会越来越深入，其最终进入实际应用阶段是必然的。石墨烯材料是当今世界新材料科技发展的又一制高点 对其深入研究与开发将给许多领域的发展带来巨大机会。

在日前举行的―2011中国科技创业计划大赛‖中，中科院宁波材料所新能源技术研究所刘兆平团队的石墨烯产业化技术一举夺得―海外人才创业奖‖，获大赛最高奖金100万元，从而引起社会各界的广泛关注。人们不禁要问：什么是石墨烯？这项陌生的产业化技术具有怎样的意义？

“石墨烯其实就是单层石墨，是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的二维晶体，它只有一层碳原子的厚度，是目前世界上最薄的材料。”刘兆平研究员告诉记者，“2004年，海姆与同事康斯坦丁·诺沃肖洛夫制成石墨烯，石墨烯从此成为科学界和工业界关注的焦点，两人凭此获得2010年的诺贝尔物理奖。”

石墨烯之所以如此令人关注，是因为这个产品在信息技术、新能源、功能复合材料乃至生物医学等诸多领域均具有极其广阔的应用前景。刘兆平解释说，石墨烯很有可能取代硅成为下一代超高频率晶体管的基础材料而广泛应用于高性能集成电路和新型纳米电子器件中，也有可能作为添加剂广泛应用于新型高强度复合材料之中。石墨烯良好的导电性及其对光的高透过性，又让它在透明导电薄膜的应用中独具优势。

“石墨烯产业化技术的应用，将会给我们的生活带来很多令人惊喜的变化。比如我们都知道苹果手机，它的屏幕已经很薄了，但是如果用有石墨烯成分的原料来做这个屏幕，我们可以直接把屏幕折叠起来使用，透明性也很好，就像电影《阿凡达》里的那个透明弯曲、悬浮着的虚拟显示屏。另外，它还可以用于制作石墨烯动力电池。现在的电瓶车、电动汽车的普通电池充电通常需要1~3小时，石墨烯动力锂电池在10分钟内就可以完成快速充电，而且电池的性能会大大提高，寿命更长。”刘兆平说。

诱人的市场前景促使世界各国的科学家们纷纷以极大的热情投入到石墨烯的基础与应用研究之中，近年来该项技术的发展更是呈现出突飞猛进的态势。但由于石墨烯资源有限且不可再生，制备成本又非常昂贵，每克要5000元，高昂的制作成本成为横亘在石墨烯产业化发展进程中的一道难以逾越的障碍。因此，攻克石墨烯低成本规制备技术，成为科学家们共同面对的一个挑战。

为攻克这道世界性难题，刘兆平研究员和他的团队义无反顾地投身到艰苦的研究之中。在中科院知识创新工程重要方向项目的支持下，经过两年多的努力，最终成功取得了石墨烯低成本规模化制备技术的重大突破。今年7月，他们通过和宁波一家企业合作，建成了世界上第一条且拥有完全自主知识产权的年产30吨石墨烯中试生产线，并成功地通过了中试。从中试结果来看，不仅产品品质达到国际先进水平，而且产品售价可以直降至每千克3000元，具有极强的市场竞争力。现在项目组已经收到了国外客户的大量订单。

从最硬到最软，从绝缘体到导体，从全吸光到全透光，各种类型碳材料所具有的性质几乎囊括了地球上所有物质的性质，极大推动了航空航天、航海、能源、交通、电子、化工、环保等领域的快速发展。甚至有人提出，21世纪有可能是碳的时代。作为新材料的中坚力量，碳材料在未来将有哪些优异表现？能否成为新材料领域里的尖端部队？从科学家们对以碳纳米管、石墨烯为代表的碳纳米材料和以核石墨为代表的新型碳材料的未来畅想中，人们看到了激动人心的前景。

碳纳米管：太空电梯有望成真

著名科幻大师阿瑟·克拉克1979年在其小说《天堂喷泉》中首次提出太空电梯概念。简单来说，太空电梯就是一条从地球表面延伸至太空的长电缆，其质心位于35786千米高的地球静止轨道（GEO）。电磁飞行器将沿着电缆行进，在地球和太空之间运送乘客和有效载荷。一旦梦想成真，其运输成本将大大低于火箭，并将满足人类在洁净和可再生能源方面的需求。他预言：―太空电梯将在人们停止对其嘲笑50年以后被制造出来。‖

太空电梯如果能成为未来到达外层太空的运输系统，科学家面临的首要问题就是电缆材质的选择。该电缆必须重量超轻、强度超高，可以承受地球大气层内外所有发射体的撞击。日本太空电梯协会会长大野修一介绍，经过研究，科学家们已开发了一种叫作碳纳米管的纤维，可达到所需强度的四分之一，这是已知最接近标准强度的物质。

与此同时，英国Nanocomp技术公司日前制造出了世界最大的碳纳米管被单。虽然被单面积仅1.6平方米，不足以充当一条沙滩毯子，但其包含数百亿个碳纳米管，强度为钢的200倍，而密度只有钢的1/30，这让人类太空电梯的梦想显现出丝丝光亮。日本科学家认为，他们可以解决这其中会遇到的材料、工程等问题，目前正计划在距离地球赤道地面36000千米的空中发射一颗静止卫星，从卫星上垂下一条总长度达10万千米的纳米材质电缆，预计建造成本仅1万亿日元。

美国麻省理工学院教授杰夫·霍夫曼表示，相信人类在一个合理的时间框架内能够做到，但目前没有能力用碳纳米管制造长电缆。

石墨烯：超级计算机放进口袋

晶体管的发明打开了硅元素的应用之门。信息时代可以说是硅电子元器件的天下，集成电路更是信息时代名副其实的―核心‖。但随着集成度越来越高，晶体管的体积面临物理极限，内部金属导线也难以承受更高频率的信号传送，传统硅集成电路发展遭遇瓶颈。未来出路在哪里呢？IBM的一项研究为人们打开了思路。据了解，IBM用石墨烯制造成场效应晶体管，取代硅集成电路。这种石墨烯场效应管的频率可达100G赫兹，即每秒一千亿次以上。如果用它来制作CPU、GPU之类的芯片，不仅速度快、能耗低，说不定超级计算机也可以放进口袋。

美国康奈尔大学研究人员还利用碳纳米管代替传统硅管，制造出高效太阳能电池，其在光能转化成电能的过程中，可以使电流强度加倍。研究人员称碳纳米管是一种理想的光电二极管。

石墨烯晶体管和碳纳米管在替代硅方面的应用，或许有朝一日能让人类告别硅时代，那时候的―硅谷‖可能要改成―碳谷‖。不过，石墨烯制造工艺要比单晶硅复杂得多，可能需要一个很久远的时间才能实现。

核石墨：核电站的安全卫士

核石墨具有热膨胀系数低、抗热冲击性好、中子活化性能低等优异性能，早在第一代核裂变反应堆就已经使用。在第四代反应堆，特别是最近的高温气冷堆中，核石墨更是不可缺少的慢化、反射和结构材料。日本核电站事故中的主反应堆并没有爆炸，发生爆炸的只是其储存核废料的部分，而保住核电站主反应堆的正是用纯核石墨制成的外罩。可以说，核石墨在捕集核废料、吸收核放射粒子等方面具有极大应用潜力，是核电站不折不扣的―安全卫士‖。

据清华大学深圳研究生院院长康飞宇教授介绍，核石墨主要用于生产石墨球、堆芯材料、电极等制品。由于核石墨对纯度、各向同性等指标要求比较高，世界上至今只有德国西格里、日本东洋炭素和东海炭素、法国罗兰石墨等企业能够生产，我国则主要依靠进口，而1吨核石墨的价格高达几十万元。

核石墨技术是核电站技术进步的基础。目前，我国正大力研究最先进的第四代反应堆，反应堆升级换代对核石墨的需求也水涨船高。如果新一代的核石墨外罩能够做到一步成型、无缝衔接，相信核电技术也会发展得更快、更安全。

10月17日，美国科学家表示，他们研发了一种人工合成高质量石墨烯的技术，新方法不仅可控且可进行扩展，有望为下一代电子设备的研制铺平道路。相关研究将发表在今年的第11期《碳》杂志上。

石墨烯是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的二维晶体，只有一层碳原子的厚度，是迄今最薄也最坚硬的材料，其导电、导热性能超强，远远超过硅和其他传统的半导体材料。科学家们认为，石墨烯有望彻底变革材料科学领域，未来或能取代硅成为电子元件材料，广泛应用于超级计算机、柔性触摸屏、环保和医疗设备、光子传感器以及有机太阳能电池等诸多领域。但要让石墨烯更好地应用于电子工业，还需找到可控且有效的方法，在更大范围内获得更高质量的石墨烯。加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSB）电子和计算机工程系教授考斯塔弗·巴纳吉领导的研究团队研制出的最新合成技术能提供高质量且均质的石墨烯。这一过程不仅可进行扩展，还能控制最终得到的石墨烯的层数——单层还是双层，这一点对石墨烯在电子和其他技术领域大展拳脚来说非常重要。研究团队的技术关键是他们深刻理解了基座对石墨烯生长动力学的重大影响。他们在一个经过预处理的铜基座上使用低压化学气相沉积（LPCVD）法并在特定的高温下将甲烷分解，从而制造出了均质的碳层（石墨烯）。参与研究的博士后研究员刘伟（音译）表示：―铜基座上不完美的位置点会显著影响石墨烯的生长，通过对铜表面进行正确处理并精确选择生长参数，我们做到了让石墨烯的质量和均质性达到最优化的同时控制石墨烯的层数。‖研究人员李宏（音译）称：―新方法制造出的石墨烯获得了迄今化学气相沉积法制造出的石墨烯拥有的最大载流子迁移率：平均值为4000平方厘米/伏·秒，最大值为5500平方厘米/伏·秒。与硅相比要高很多。

巴纳吉表示：―毫无疑问，石墨烯是一种非常优异的材料，其应用范围非常广泛，但在如何获得高质量的石墨烯以及如何定制其属性以便用于特殊用途等方面，我们还面临着巨大的挑战，不过，这些挑战也是我们未来研究的肥沃土壤。‖

石墨烯 + 水 = 未来电池

两种材料的组合——―石墨烯 + 水‖能制造能量存储系统，产生媲美锂离子电池的储能效果，并且在几秒钟内充满电，拥有几乎无限长的使用寿命。

―石墨烯 + 水‖ 储能的原理是利用电荷在全界面导电碳原子表面的有序堆积来实现电能的大量、超快速储存和释放，以―石墨烯 + 水‖凝胶为基础的新型储电装置可以在几秒内充放电，拥有几乎无限次的循环寿命。一直以来，产业界都在寻找高效、可控的电能储备材料，要求其导电性能良好、物化性质稳定，能够让电荷在其微观结构上实现最大程度的有序堆积，用以制作超级材料，实现电能的高效储备及释放。目前认为纳米石墨（石墨烯）就是这种潜在的理想材料。蒙纳士大学材料工程系（Monash University Department of Materials Engineering）李旦博士和他的研究团队正在研究一种名叫石墨烯的材料，这种材料有可能成为下一代超快速能量存储系统的基础。李博士说：―一旦我们能恰当地操纵这种材料，那么像 iPhone 这样的设备可以在数秒钟或更短的时间内完成充电。‖

石墨烯是石墨剥离成一个原子厚度的产物。石墨价格低廉、随处可见，常用于铅笔芯中，这种形式的石墨具有卓越的特性。由于石墨烯强度高，具有化学稳定性，因此是绝佳的导电材料，它的另一个重要的特性就是表面积非常大。李博士说：―这些特性让石墨烯非常适合应用于能量存储系统。而目前石墨烯没有被大规模应用是因为这种材料非常薄，如果堆积到一起形成宏观结构时，会立即紧密连接在一起形成石墨。石墨烯重新堆积之后大部分表面将消失，不再具有石墨烯的特性。‖现在，李博士和他的团队找到了使石墨薄片保持其非凡特性的方法：水。水可让石墨烯保持湿润——以凝胶的形式存在——让层与层之间产生排斥力，防止它们重新堆积。

李博士表示：―我们使用的是两种基本的、不昂贵的材料——水和石墨烯，他们能让这种纳米材料拥有非常惊人的特性。这个技术非常简单，能够大规模应用。我们发现这一点时，觉得它不可思议。‖

目前，―石墨烯 + 水‖储能需要攻克的关键技术是如何在不降低石墨烯物化性能的同时，将它高效有序的密集组装在一起，并且能够有效阻止石墨烯在加工过程中的二次堆叠。影响石墨烯广泛应用的关键问题是它的堆积结构。通常情况下，紧密堆积的石墨烯容易重新形成石墨，这样的话，将不再具有单片石墨烯独有的性能。李博士团队在工作中发现，石墨烯作为一种极其少见的二维凝聚态导电物质，在控制的条件下能够与水相互作用自行组装成微观纳米间隔而又宏观紧密堆积的三维凝胶结构，具有意想不到的性能，将会给电能储备技术带来突破性进展。应用到储能设备上时，无论是在电荷的储存量还是充电的速度方面，石墨烯凝胶能显著超越当前的碳基技术。目前以此材料构造的电储能装置所获能量密度已经相当于电动汽车中广泛使用的锂离子电池，所获功率密度百倍超过锂离子电池，以此为动力的电动汽车将有可能替代传统燃油动力汽车。

新型储电材料是低碳经济，清洁能源产业发展的重点领域，对人类未来可持续发展意义深远，尤其是对中国这样一个石化能源进口大国，关系到国民经济发展的平稳与安全。中国碳材料产业发达，石墨矿藏储量丰富，但是其产业一直处于产业链的低端。―石墨烯 + 水‖储能材料这一新技术将极大地提高现有石墨产业的附加值，改变电能储存产业现状，有望在消费电子、智能电网、动力机械及电动汽车领域获得广泛的应用。李博士认为这种新技术的发展前景不仅仅局限于消费电子产品，―高速、可靠、低成本的能量存储系统，是未来实现大规模应用可再生资源所产生的电能的关键，也是电动汽车大规模应用的关键。石墨烯凝胶同时显示出应用于水净化薄膜、生物医疗设备和传感器的潜力。‖

在科技部、国家自然科学基金委和中国科学院的支持下，化学研究所有机固体院重点实验室的相关研究人员致力于分子材料和器件的研究，取得了一些新进展，引起了国际学术界的关注，并分别在Chem.Rev.和Chem.Soc.Rev.上发表了综述。

在有机场效应晶体管(OFET)中，介电层/半导体层界面状态对器件性能有重要影响。在目前OFET的界面研究中，诸多界面参数的计算和测量都是基于统计平均的方法。表面能作为一个重要的介电层/半导体界面影响因素，其均匀程度对器件性能的影响在此前的界面研究中长期被忽视，而对表面能非均性这一关键因素考量的缺失，也正是界面研究中众多争议产生的主要根源之一。

该课题组在对介电层表面能非均匀性引起的一系列实验现象进行充分研究的基础上，通过实验证明了表面能非均匀性对有机场效应晶体管性能影响的广泛性，并且发现了表面能非均匀程度和有机场效应晶体管迁移率之间存在一种线性反比关系。相关研究成果发表在《先进材料》（Adv.Mater.2011, 23, 1009-1014）上，并被选为插页（图1）。

随后，该课题组的研究人员又在上述工作基础上，通过利用介电层表面能非均匀性对有机半导体层生长形貌进行控制和优化，制备出空穴迁移率高达3.6cm2/Vs的并五苯场效应晶体管，这是国际上已报道的并五苯柔性薄膜器件的最优结果之一。同时，研究人员又在这一高性能晶体管基础上，制备了高性能柔性环形振荡器，振荡频率超过1 kHz（图2）。相关研究成果在《先进材料》（Adv.Mater.2011, 23, 3128-3133）上发表。

石墨烯是由碳原子六角结构紧密排列的二维单层石墨层，是构成其它维度碳材料如富勒烯、碳纳米管和金刚石的基本单元。如何制备高质量，大面积，形貌可控的石墨烯是石墨烯领域的核心问题，也成为国际上石墨烯研究的竞争点所在。化学气相沉积法（CVD）由于具有成本低廉，可大规模制备等优点，近几年发展迅速，已经成为制备石墨烯的主要手段。该课题组采用CVD方法，选取金属铜作为催化剂，精确控制生长条件，成功地制备出形貌规则的六角石墨烯，并对其电学性质进行了深入研究（图3）。六角形貌石墨烯的发现极大地扩展了石墨烯领域的研究内容。相关研究内容发表在《先进材料》（Adv.Mater.2011, 23, 3522-3525）上。

基于石墨烯的新结构的探索是石墨烯研究领域的一个重要研究内容。课题组在液氮的条件下通过微波火花法剥离天然石墨，获得了高质量、高纯度的碳纳米卷（图4）。这种石纳米卷是由少数层或单层石墨烯卷曲而成，并有紧密的结构。该碳纳米卷的场效应器件在空气和氮气中都具有稳定的双极性行为，在氮气中最高的空穴迁移率可以达到3117 cm2/Vs，电子迁移率可以达到4595 cm2/Vs。碳纳米卷的还具有着稳定的线性电流/电压曲线，最高电流密度可达7 × 107 A/cm2（Adv.Mater.2011, 23, 2460-2463）。

最近，课题组和中国农业大学研究人员合作利用电化学方法，在柔性衬底上，将滴在两电极间的氧化石墨烯溶液中的氧化石墨烯通过一步法实现了还原和排布（图5左），并成功将其应用于农药的传感器中。该传感器对常用农药—乐果的传感灵敏度达到了7.6 ppb（图5右），并进一步分析得到该农药分子的活性来自于：氮、硫和磷原子的共同作用结果。相关研究成果发表在Adv.Mater.(2011, 23, 4626–4630)上。

多年来，相关研究人员开展了碳纳米管及其特性的研究，在碳纳米管可控制备、生长机理和电性能方面取得了系列成果，并得到学术界同行的认可，英国皇家化学会发表了Tutorial Review(Chem.Soc.Rev., 2011, 40, 1324-1336)，系统地介绍了近几年来在碳纳米管分离和富集的成果。

作为潜在的大面积，低成本，柔性的电子器件，有机场效应晶体管的研究在过去十年取得了重要的发展，正在走向应用。有机场效应晶体管主要为薄膜型器件，因此薄膜的制备技术、表征技术对薄膜的质量和器件性能具有重要的影响。该课题组不但重视分子材料的化学结构与器件性能之间的关系，还在薄膜的凝聚态结构与器件性能之间的关系的研究方面取得一些成果。应Chem.Rev.杂志的邀请，就―应用于场效应晶体管的有机薄膜的制备与表征的实验技术‖撰写了综述(Chem.Rev.2011, 111, 3358-3406)。

图1 介电层表面能非均匀性机理示意图和当期《先进材料》插页

图2 基于高性能并五苯场效应晶体管的五级柔性环形震荡电路

图3 CVD方法制备的六角石墨烯AFM图和两种可能的边界排列

图4 碳纳米卷形成示意图

图5 左图：为一步法排布与还原氧化石墨烯的示意图；右图：为制备的传感器对农药乐果的电流信号响应。