基于mems的微型氢气传感器及其测试系统研究

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1、1．2．1氢能应用简介各国都有取之不尽的太阳能、风能等可再生能源，这些能源在车辆、交通工具方面的应用则需要高效、清洁并可供携带的介质，氢能源以其不可替代的优势成为其中最完美的一种。氢能作为新能源有许多优点：(1)便于制取、可再生。现阶段的工业氢气主要是天然气产业、煤炭产业、以及电化学工业的副产品，利用太阳能直接从水中制取氢气的设备已经投入生产。(2)高效。氢燃料电池是对氢能源利用的最高效手段之一，燃料电池的使用效率可达到60％以上，远远超出柴油机、汽油机的水平。(3)零污染。通过化学反应获取电能之后，氢气将

2、与氧气结合生成水。这种直接通过化学方式制取的水分没有任何污染。(4)长期费用低。燃料电池只要有燃料即可稳定地释放出电能，在此过程中燃料电池仅仅提供不被消耗的催化剂和电解液。除了消耗作为燃料的氢气之外，几乎不产生其它任何费用。正因为氢能具有以上种种优点，早在20世纪70年代中期，氢能的开发就已经受到了人类的高度重视。目前，氢能主要用于航天飞机、火箭等航天事业及城市公共汽车中。以氢为燃料的燃料电池替代靠热机原理工作的发电机，一方面解决了能源短缺问题，另一方面也解决了汽车尾气对环境造成的污染问题【4】。2003年

3、底，美国加州把氢燃料电池船投入水上Taxi市场，以其零污染的优势被允许航行在环保敏感水域【5】。氢气作为一种可再生、无污染、能量转化率高的能源，已经在航空航天事业、燃料电池技术、氢能汽车、半导体制造、化工生产等领域中得到了广泛应用。1．2．2氢燃料电池技术氢燃料电池技术是目前氢能利用的主要途径之一，由于其高效、无污染、能量转化率高等优点而受到重视。20世纪60年代，普拉特．惠特尼公司研制成功的阿波罗登月飞船上作为主电源的碱性燃料电池系统，为人类首次登月作出了巨大贡献。此后，人们开始研究燃料电池在地面上的应用

4、，迄今己研究开发出多种类型的燃料电池。氢燃料电池发电的基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阴极和阳极，氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后，放出的电子通过外部负载到达阳极，其原理如图1．1所示。氢燃料电池严格地说是一种把化学能直接转化为电能的电化学发电硕士学位论文装置。使用氢燃料电池发电，是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，能量转换率可达60％--一80％，而且污染少、噪声小，装置可大可小，非常灵活。e．．广七==b+1．2．3氢燃料电池汽车H2废H2氢电氧电解电极质极图1-1燃料电池原理

5、图Fig．1-1PrincipleoffuelcellH20+Oz2000年7"-8月的美国《未来学家》杂志刊登了美国华盛顿大学专家对2l世纪前10年内十大科技发展趋势的预测，其中第二条是燃料电池汽车问世。2005年6月在美国旧金山举办的燃料电池汽车展上，展出了8大汽车生产厂商开发的23款零污染燃料电池汽车原型。燃料电池汽车是氢燃料电池通过化学反应产生电能来产生动力，由于工作过程不涉及燃烧，因此无机械损耗、燃烧损失及腐蚀。目前，各发达国家的研究者都已强烈意识到氢燃料电池将结束内燃机时代这一必然趋势，已经研制

6、成功氢燃料电池汽车的汽车厂商包括通用、福特、丰田、奔驰、宝马、克莱斯勒等国际大公司。图1．2是英国摩根公司推出的一款名为“生命之车”的世界首辆绿色跑车，它采用氢动力，运行时产生很小的噪音，仅在排气装置上形成非常少的水蒸汽。图I-2世界首辆“绿色跑车”Fig．1·2Thefirst“Greensportscar”oftheworld．3．第1章绪论1．2．4氢内燃机技术目前氢能汽车除燃料电池汽车外，还有氢内燃机汽车。燃料电池汽车效率高、无污染，但技术尚不成熟，且成本较高：而氢内燃机技术相对容易实现，只需要对传

7、统的内燃机作一些修改。并且，内燃机对氢气的纯度要求没有燃料电池那么严格。现在很多已经研发成功的氢内燃机都是混合动力的，既可以使用液氢，也可以使用汽油等作为燃料【6】。目前，氢内燃机产品主要有宝马的“H2R’’、马自达的“RX．8Hydro．genRE'’。此外，福特氢燃料V．10发动机(如图1．3)于2006年7月正式投产，成为世界上首个正式生产氢燃料发动机的汽车制造商。‘图1．3氢燃料v-10发动机(福特)Fig．1-3V·10engineusinghydrogenfuel(Ford)1．2．5世界各国的

8、氢能研究情况氢能作为解决当前人类所面临困境的新能源而成为各国大力研究的对象，据美国能源部(DOE)新能源开发中心调查，过去5年，全世界工业化国家对氢能的开发投入年均递增20．5％I引。美国一直重视氢能的开发和利用。2003年，布什政府投资17亿美元启动氢燃料开发计划。该计划提出了氢能工业化生产技术、氢能存储技术、氢能应用等重点开发项目。2004年2月，美国能源部公布了《氢能技术研究、开发与示范行动计划》，该计划的