离子交换膜燃料电池技术进展
我国质子交换膜燃料电池发展情况
我国质子交换膜燃料电池发展情况我国质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC）是一种高效、清洁的能源转换装置，具有广阔的应用前景。
本文将从历史发展、技术特点、应用现状等方面介绍我国质子交换膜燃料电池的发展情况。
一、历史发展质子交换膜燃料电池源于20世纪60年代的研究，随着对清洁能源的需求日益增加，我国在上世纪90年代开始了质子交换膜燃料电池的研究工作。
通过引进国外技术和自主创新，我国在质子交换膜燃料电池领域取得了长足的进展。
二、技术特点1. 高效能：质子交换膜燃料电池具有高效能的特点，能够将氢气和氧气直接转化为电能，转化效率可高达60%以上，远高于传统燃烧发电的效率。
2. 清洁环保：质子交换膜燃料电池的排放物只有水，不产生任何有害气体和颗粒物，对环境污染非常小。
3. 快速启动：质子交换膜燃料电池具有快速启动的特点，启动时间仅需几秒钟，适用于应急电源等领域。
4. 低噪音：质子交换膜燃料电池的工作过程非常安静，噪音水平远低于传统燃烧发电设备。
三、应用现状1. 交通运输领域：我国将质子交换膜燃料电池作为新能源汽车的重要发展方向，大力推广燃料电池汽车。
目前，我国已经建成多个燃料电池汽车充电站，并投入使用一批燃料电池公交车。
2. 电力供应领域：质子交换膜燃料电池可以作为电力供应的备用电源或峰值调峰电源，可以提供可靠的电力支持。
目前，我国已经建成多个质子交换膜燃料电池电站，并投入运营。
3. 无人机领域：质子交换膜燃料电池具有轻巧、高能量密度的特点，适用于无人机等载荷要求高的领域。
我国已经成功应用质子交换膜燃料电池技术在无人机上，提供长时间、高效能的动力支持。
4. 科研领域：质子交换膜燃料电池在科研领域也得到了广泛应用，用于供电实验设备、传感器等。
其高效能、清洁环保的特点使其成为科研实验的理想能源选择。
四、发展前景我国质子交换膜燃料电池的发展前景非常广阔。
燃料电池用阴离子交换膜的研究进展
燃料电池用阴离子交换膜的研究进展邵思远;张建钊【摘要】碱性阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)是一种以碱性阴离子交换膜为电解质的新型燃料电池.结合了质子交换膜燃料电池(PEMFC)和传统碱性燃料电池(AFC)的优点,从根本上摆脱了对贵金属催化剂的依赖,具有广阔的应用前景.阴离子交换膜是阴离子交换膜燃料电池的核心材料之一,其电导率及稳定性制约了碱性阴离子交换膜(AEM)的发展.从提高AEM的电导率及耐碱稳定性两个方面,对近期报道的研究工作进行梳理总结.%Alkaline anion exchange membrane fuel cell (AEMFC) is a new kind of fuel cell with alkaline anion exchange membrane as electrolyte.It combines the advantages of the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) and the traditional alkaline fuel cell (AFC).Fundamentally free from dependence on noble metal catalysts.AEMFC has broad application prospects in fuel cells.The anion exchange membrane (AEM) is one of the key materials in AEMFC,the development of the AEMFC is restricted by its low conductivity and stability.The development of improving of the conductivity and alkaline stability of AEM is summarized.【期刊名称】《河南化工》【年(卷),期】2017(034)005【总页数】4页(P11-14)【关键词】阴离子交换膜燃料电池;阴离子交换膜;耐碱稳定性;电导率【作者】邵思远;张建钊【作者单位】大连市第八中学,辽宁大连 116021;大连市第八中学,辽宁大连116021【正文语种】中文【中图分类】TQ425.236阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)作为新兴的燃料电池技术，结合了传统质子交换膜燃料电池(PEMFC)全固态电池结构和碱性燃料电池(AFC)氧化还原反应速率较快的优点，有希望摆脱PEMFC对贵金属的依赖，实现燃料电池成本的大幅度下降[1-2]。
质子交换膜燃料电池的研究进展与应用展望
质子交换膜燃料电池的研究进展与应用展望随着全球能源需求的增长和环境污染问题的严重化，燃料电池作为一种高效、环保的新能源技术备受关注。
质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）是目前最为成熟的燃料电池技术，具有高能量转换效率、零排放等显著优点，在交通、能源、环保等领域的应用潜力巨大。
本文将介绍质子交换膜燃料电池的基本原理和构造、技术优势和发展历程、研究现状和未来展望等方面的内容。
一、质子交换膜燃料电池的基本原理和构造质子交换膜燃料电池是一种利用氢气与氧气反应产生电能的装置。
其基本原理是将氢气和氧气分别通入两个电极中，通过催化剂催化分离氢离子和电子，电子通过外部电路，从而产生电能，氢离子则通过质子交换膜（PEM）跨越阴阳极之间的间隙，在阳极侧与氧气发生电化学反应，最终生成水和电能。
质子交换膜是燃料电池的核心部件，它起到隔离电极、传导质子、限制气体透过和防止电子漏出等多种功能。
质子交换膜燃料电池的主要构造包括阳极、阴极、质子交换膜及双极板等。
阳极和阴极以及质子交换膜之间依次叠加组成电池的三明治式结构，各自承担传输电子、传输氢离子和隔离电子、气体的功能。
除此之外，双极板还在其两侧分别起到密封、导流、散热和电极反应催化剂支撑等作用。
二、技术优势和发展历程质子交换膜燃料电池相对于传统化石能源具有显著的技术优势。
首先，它具有高效能量转化率，其能量转换效率可达60%以上，在实际应用中能够显著降低能源成本和环境污染程度。
其次，质子交换膜燃料电池的反应产物只有水和热，因此没有任何污染物排放，对环境影响非常小。
再次，质子交换膜燃料电池的启动速度快、体积小、重量轻、噪声低，能够适用于不同的应用场合。
质子交换膜燃料电池的发展历程可以追溯到20世纪60年代初期。
当时，该技术在军事方面得到了广泛应用，被应用于宇航局的航天器和潜艇。
近年来，随着全球新能源技术的蓬勃发展，质子交换膜燃料电池也被广泛应用于交通、能源、环保等领域，成为燃料电池技术发展的主流。
燃料电池用阴离子交换膜的研究进展
碱性条件下氧气和燃料的电极反应变快，从而使得 甚至丧失。脂肪族聚合物骨架中含有大量的 C－ H
一些非铂催化剂可以应用在膜电极中，大幅度降低 键，如聚乙烯（ PE） 、聚丙烯（ PP） 类聚合物在电化学
燃料电池成本，另外能量转化过程中的水管理方式 环境中具 有 较 好 的 稳 定 性，近 年 来 也 被 用 于 制 备
子交换膜（ AEMs） 作为 AEMFCs 的重要组成部分， 前，碳氢类阳离子聚合物主要有季铵化脂肪族和芳
一方面要阻隔离子膜两侧的燃料和氧化剂，另一方 面还要起到支撑催化剂的功能［1 － 3］。相比质子聚合
香族类聚合物。 对于 AEMFCs 来说，阳离子聚合物中的功能基
物膜燃料电池（ PEMFCs） ，AEMFCs 最大的优势是在 团在碱性条件下会发生降解，导致其交换功能减弱
图 1 基于 PP 的 AEMs 的制备过程
以上基于脂肪族的 AEMs，虽然获得了较高的 离子电导率和碱稳定性能，但是其合成步骤都较为 复杂，反应程度较难控制、产率较低，并且常需使用 贵重催化剂，这些因素很大程度上限制了这类离子 膜的应用。相比于脂肪族的 AEMs，以芳香族类为 骨架的 AEMs 膜在燃料电池中应用的报道占重要部 分，是最为常用的碳氢类 AEMs 的结构，这一类聚合 物大多数具有力学性能好、热稳定性高、抗氧化能力 强 及 成 本 较 低 等 优 点，因 此，被 广 泛 用 于 制 备 AEMs。
2018 年第 2 期
有机氟工业 Organo － Fluorine Industry
·33·
燃料电池用阴离子交换膜的研究进展
刘训道1 王 丽2 李 虹1 张永明1
（ 1． 上海交通大学 化学化工学院，上海 200240； 2． 山东东岳集团，山东 淄博 256401）
离子交换膜的发展态势与应用展望
离子交换膜的发展态势与应用展望离子交换膜是一种重要的功能膜材料，通过其特殊的结构和性能，可以实现离子的选择性传输和分离，广泛应用于水处理、电力、化工、生物医药等领域。
随着科技的不断发展和需求的变化，离子交换膜的发展态势和应用展望也在不断演进和扩展。
离子交换膜最早出现在20世纪50年代，当时主要用于电解池和电解脱盐。
随着离子交换膜技术的不断研究和发展，其材料和性能得到了很大的改进。
目前，离子交换膜已广泛应用于电力行业，主要用于燃料电池、电解水制氢和锂离子电池等场合。
此外，离子交换膜在水处理、化工、生物医药等领域也有着广泛的应用。
在水处理领域，离子交换膜被广泛应用于纯水制备、废水处理和海水淡化等过程中。
通过离子交换膜的特殊结构和性能，可以有效去除水中的离子和杂质，提高水质的纯度。
特别是在海水淡化领域，离子交换膜可以实现高效的离子选择性过滤，降低了能耗和成本，为水资源的可持续利用提供了有力的支持。
在化工领域，离子交换膜广泛应用于离子交换、电渗析、浓缩与稀释等过程中。
通过离子交换膜的选择性吸附和传输作用，可以实现离子的分离和浓缩，提高化工产品的纯度和质量。
特别是在药物制备和生物制药过程中，离子交换膜有着广泛的应用。
离子交换膜可以将药物中的离子分离出来，减少对环境的污染和对人体的毒害，提高药物的纯度和治疗效果。
随着科技和社会的进步，离子交换膜的发展态势和应用展望也在不断变化。
首先，离子交换膜的材料和制备工艺将不断改进和提高。
传统的离子交换膜主要采用有机合成材料，存在稳定性差、寿命短的问题。
未来的离子交换膜可能采用无机材料和纳米材料，具有更高的稳定性和寿命。
其次，离子交换膜的性能和功能将不断扩展和提升。
未来的离子交换膜可能具有更好的选择性、更高的通量和更低的能耗，满足不同领域和不同需求的应用。
再次，离子交换膜的应用领域将不断扩大和深化。
随着环境污染和能源短缺问题的日益严重，离子交换膜在水处理、能源利用和环境保护方面的应用将越来越重要。
质子交换膜燃料电池的研究进展及应用前景
质子交换膜燃料电池的研究进展及应用前景随着环境保护意识的逐渐提高，对可再生能源的需求也越来越大，质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, 简称PEMFC）因其高效、清洁、可再生的特点，受到了广泛的关注和研究。
本文将对PEMFC的研究进展和应用前景进行探讨。
一、 PEMFC的基本原理PEMFC是一种将氢气和氧气通过阳极和阴极反应产生直流电的电化学装置。
其反应产物是水、热和电能。
PEMFC的基本原理是利用质子交换膜将氢气（H2）和氧气（O2）分别在阳极和阴极进行氧化还原反应，产生电子和质子，电子通过外部电路流动，质子则通过质子交换膜进行传递，在阴极与氧气结合生成水。
二、 PEMFC的研究进展1. 电催化剂的研究电催化剂是PEMFC的重要组成部分，其在反应过程中起着至关重要的作用。
为了提高PEMFC的效率和稳定性，科学家们一直在致力于电催化剂的研究。
近年来，石墨烯、碳纳米管、金属有机骨架等新型材料被广泛应用于电催化剂的制备。
2. 质子交换膜的研究质子交换膜是PEMFC的另一个关键组成部分，它需要具有高的质子传导率、化学稳定性、高的抗氧化性等特点。
目前，Nafion 是最常用的质子交换膜。
但是，由于其价格昂贵、易受污染等缺点，研究人员一直在寻求更加便宜、更加稳定的替代材料。
3. PEMFC的应用研究PEMFC已经被广泛应用于汽车、燃料电池发电等领域。
其中，汽车用燃料电池是PEMFC应用最为广泛的领域之一。
PEFC 具有高效、环保、低噪音等特点，是传统内燃机的理想替代方案。
随着科技的不断进步，PEMFC的应用前景将会更加广阔。
三、 PEMFC的优势和前景PEMFC具有以下优点：1. 高效：PEMFC将化学能转化为电能，其效率高达50%以上，比传统的发电方式效率更高。
2. 环保：PEMFC的反应产物为水和热，没有污染物的排放，是一种非常环保的能源。
3. 可再生：PEMFC所使用的原材料，如氢气和氧气等，都是可再生的资源。
质子交换膜燃料电池研究进展
化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2022年第41卷第3期质子交换膜燃料电池研究进展高帷韬，雷一杰，张勋，胡晓波，宋平平，赵卿，王诚，毛宗强（清华大学核能与新能源技术研究院，北京100084）摘要：质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell,PEMFC ）因具有效率高、功率密度大、排放产物仅为水、低温启动性好等多方面优点，被公认为下一代车用动力的发展方向之一。
然而，目前PEMFC 在耐久性和成本方面距离商业化的要求还存在一定差距。
为攻克上述两大难题，需要燃料电池全产业链的共同努力和进步。
本文回顾了近年来质子交换膜燃料电池从催化剂、膜电极组件、电堆到燃料电池发动机全产业链的研究进展和成果，梳理出单原子催化剂、非贵金属催化剂、特殊形貌催化剂、有序化催化层、高温质子交换膜、膜电极层间界面优化、一体化双极板-扩散层、氢气系统循环等研究热点。
文章指出，催化层低铂/非铂化、质子交换膜超薄化、膜电极组件梯度化/有序化、燃料电池运行高温化、自增湿化是未来的发展趋势，迫切需要进一步的创新与突破。
关键词：燃料电池；催化剂；膜；膜电极组件；燃料电池堆；燃料电池发动机中图分类号：TK91文献标志码：A文章编号：1000-6613（2022）03-1539-17An overview of proton exchange membrane fuel cellGAO Weitao,LEI Yijie,ZHANG Xun,HU Xiaobo,SONG Pingping,ZHAO Qing,WANG Cheng,MAO Zongqiang(Institute of Nuclear and New Energy Technology,Tsinghua University,Beijing 100084,China)Abstract:Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC)has been considered as one of the most promising next-generation power sources for clean automobiles because of their advantages in efficiency,power density,environmental friendliness,low temperature start ability,etc..However,the gap between the durability and cost of PEMFC and those of commercialization requirements is still large.To overcome the above-mentioned two major problems,joint efforts and progress of the entire fuel cell process chain are required.In this paper,the recent research progress of the entire PEMFC process chain,from catalysts,membrane electrode assemblies (MEA),fuel cell stacks to fuel cell engines,are analyzed and classified reviewed,and research hotspots such as single-atom catalysts,non-noble metal catalysts,special morphology catalysts,ordered catalyst layers,high-temperature proton exchange membranes,MEA interlayer interface optimization,integrated porous bipolar plates,hydrogen circulation,are introduced.This paper points out that low/non-platinum catalyst layers,ultra-thin proton exchange membranes,gradient/ordered MEA,high-temperature operation and self-humidification of fuel cells are the future development trends,of which further innovation and breakthrough are urgently needed.Keywords:fuel cells;catalyst;membranes;membrane electrode assemblies;fuel cell stack;fuel cell engine特约评述DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2003收稿日期：2021-09-23；修改稿日期：2021-12-07。
质子交换膜燃料电池技术发展现状
质子交换膜燃料电池技术发展现状质子交换膜燃料电池技术作为一种新型清洁能源技术，在近年来得到了越来越多的关注和发展。
本文将就质子交换膜燃料电池技术的原理、发展现状以及未来趋势进行深入探讨。
一、质子交换膜燃料电池技术原理质子交换膜燃料电池是一种化学反应产生电能的装置。
其原理是通过氢气与氧气在质子交换膜（PEM）催化剂的作用下反应来产生电能。
其中，质子交换膜的作用是将氢气中的质子与氧气中的电子分开，使得正负电荷完全隔离。
二、在质子交换膜燃料电池技术的发展历程中，主要分为三个阶段。
（一）快速发展阶段1990年，质子交换膜燃料电池技术成为美国联合航空航天公司（UTC）的重点研究项目，并于1991年取得了重大突破。
当时UTC公司成功开发出了首台50千瓦的燃料电池堆，并被广泛用于美国太空摆渡机的电源或能源。
（二）前沿拓展阶段2000年以后，质子交换膜燃料电池技术迎来了新的发展机遇。
各国开始相继投入大量的资金和人力进行研究，同时在材料、催化剂、电解质等方面得到了极大的进展。
（三）低碳经济发展阶段2010年后，国际社会相继提出了建设低碳、环保的经济体系的新目标，使其成为质子交换膜燃料电池的一个重要发展方向。
目前，美国、日本、韩国等发达国家都在积极推动质子交换膜燃料电池技术的应用与推广。
三、质子交换膜燃料电池技术未来趋势目前，我们可以看到，质子交换膜燃料电池技术已经取得了巨大的发展。
但是，在未来的发展中，依然需要注意以下问题。
（一）制造成本问题目前，制造成本仍是质子交换膜燃料电池技术发展的一个突出问题。
如果不能有效地降低制造成本，那么质子交换膜燃料电池技术的应用与推广将面临较大的阻碍。
（二）性能和稳定性问题在质子交换膜燃料电池技术中，如何提高电池的性能和稳定性是研究人员需要不断琢磨的问题。
在电解质的选择、催化剂的合成等方面不断探索和突破，是提高电池性能和稳定性的重要途径。
（三）多能源融合问题在未来，质子交换膜燃料电池技术将不仅应用于单一的能源领域，而是更多地与其他能源进行融合。
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电池方面
质子交换膜 膜电极 催化剂层
气体扩散电极
双极板
扩散层
扩散层一方面提供反应气体、电子流和 排出生成水的通道，另一方面支持催化剂 层网络。一般应用炭纸或炭布制造，厚度 为0.18mm～0.35mm。炭纸、炭布的主要 原料是炭纤维，可分为聚丙烯腈基、沥青 基及粘胶基炭纤维三类。根据制造工艺不 同有普通型、高模量型和高强度型等系列 产品。
离子交换膜燃料电池技术 进展
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前言
众所周知，第一代动力系统蒸汽机和 第二代动力系统内燃机消耗了大量不可再 生的化石能源资源，且造成了严重的环境 污染。人类社会的可持续发展问题正面临 严峻挑战。根据国际能源机构预测，随着 经济的发展、社会的进步和人口的增长， 全世界的能源消耗在今后20年至少增加一 倍。如果没有新型的能源动力，世界将从 目前的能源短缺很快走向能源枯竭。为解 决经济发展与能源短缺及环境污染之间日 益加剧的矛盾，发展清洁、高效、可持续 发展的新能源动力技术已成了十分紧迫的 任务。
对铂电极的改性
Nafion乳液的主要成分是含有磺酸基团的聚全氟 乙烯衍生物,由于它既含有磺酸基团又具有全氟 乙烯结构,因此Nafion乳液既具有一定的离子导 电性又具有一定的疏水性。在离子交换膜燃料 电池铂炭复合电极催化层内添加一定量的Nafion 乳.Poitarzewski 认为, Nafion乳液可以在金属铂 催化剂表面形成一层亲水型的固体电解质微孔 薄膜,从而扩大了反应气体与金属铂的催化反应 界面,提高了铂催化剂的利用率。另一方面,由于 Nafion乳液导电性较弱,它的存在又增加了电极 的欧姆极化。因此,催化层内Ｎａｆｉｏｎ乳液 含量应有一个最佳范围,以平衡上述两个完全相 反的作用。
抗CO中毒能力
低温工作下的 PEMFC的电催化剂易吸附co而中毒 (co的浓度＜20×10ˉ6 )，Pt表面吸附了CO后,会 降低H在铂金上的吸附,进而影响H2的电化学反应. 只有当阳极电势升到~0.6V(相对于标准氢电极)
时,CO才会被氧化成CO2,这就造成电池电压损失, 电池效率大大降低,因此CO中毒问题一直是为了 PEMFC研究的重要课题。提高其抗CO中毒的能力， 多采用 Pt-Ru/c贵金属合金电催化剂。K.A.Starz等 用碳载铂铑双金属催化系统制成电极，可耐受 100×10ˉ6的CO。
催化基层
铂含量的问题 对铂电极的改性 抗CO中毒能力 可替代品
铂含量
由于铂是贵金属,又是目前质子交换膜燃料电 池的最好的催化剂，所以在没有找到可替代的 催化剂之前，着重提高铂的利用效率,降低其 用量是应该考虑的。目前所使用的Pt/C催化 剂,Pt含量10%~40%, 0.05~0.2mg/cm2,即使 颗粒直径在20nm以下,Pt效率仅为10%左右。 使用Pt-Cr-Cu合金 (Cu:60%,Cr:14%,Pt:25.5%),可提高效率4~8 倍。
质子交换膜燃料电池的应用
PEMFC 的应用十分广泛，主要应用领域可 分为以下三大类：
用作便携电源、小型移动电源、车载电源、 备用电源、不间断电源等，适用于军事、 通讯、计算机、地质、微波站、气象观测 站、金融市场、医院及娱乐场所等领域， 以满足野外供电、应急供电以及高可靠性、 高稳定性供电的需要。
氢是世界上最多的元素，氢气来源极其广泛，是一种可再 生的能源资源，取之不尽，用之不绝。可通过石油、天然 气、甲醇、甲烷等进行重整制氢；也可通过电解水制氢、 光解水制氢、生物制氢等方法获取氢气。氢气的生产、储 存、运输和使用等技术目前均已非常成熟、安全、可靠。 在近年内，氢气的来源仍将以化石燃料重整制氢为主；但 从长远看，人们更倾向于将氢气视为储能载体，氢气来源 将主要依靠可再生的能源资源。在人类社会进入氢能经济 时代后，氢能将主要来自太阳能、风能、水能、地热能、 潮汐能以及生物能。太阳能、风能、水能、地热能、潮汐 能将大规模地用于发电并用于电解水，从而大量地将这些 不可直接存储的能量以氢能形式存储起来，供人们需要时 使用；此外，通过生物制氢的方法，城市和农村地区都可 以从有机垃圾和植物体中获取大量生物能（如甲烷）
试验表明：
1. 在铂炭复合电极催化层内添加少量Nafion 乳液，可有效地增大金属铂催化剂的反应 界面，提高铂的催化利用率，从而明显的 改善燃料电池的放电性能。
2. 当电极板中Nafion乳液的含量为3％～5％ 时，燃料电池的放电电压和电流密度都处 于高峰值状态。用不同方法配制的Nafion 乳液对燃料电池放电性能也有一定影响。
质子交换膜燃料电池（PEMFC）被认 为是继蒸汽机和内燃机之后的具有能源革 命意义的新一代能源动力系统。它是一种 绿色能源技术，它使用可再生能源资源氢 气，并可实现零排放。
质子交换膜燃料电池的优点
PEMFC的优点主要有以下5点： 能量转化效率高。通过氢氧化合作用，直接将化学能转化
为电能，不通过热机过程，不受卡诺循环的限制。实现零 排放。其唯一的排放物是纯净水（及水蒸气），没有污染 物排放，是环保型能源。 运行噪声低，可靠性高。PEMFC 电池组无机械运动部件， 工作时仅有气体和水的流动。 维护方便。PEMFC 内部构造简单，电池模块呈现自然的 “积木化”结构，使得电池组的组装和维护都非常方便； 也很容易实现“免维护”设计。 发电效率受负荷变化的影响很小，非常适合于用作分散型 发电装置（作为主机组），也适于用作电网的“调峰”发 电机组（作为辅机组）。
是可用作自行车、助动车、摩托车、汽车、 火车、船舶等交通工具的动力，以满足环 保对车辆船舶排放的要求 工作温度低，启 动速度较快，功率密度较高（体积较小） 因此，很适于用作新一代交通工具动力。 这是一项潜力十分巨大的应用 。
是可用作分散型电站。PEMFC 电站可以与 电网供电系统共用，主要用于调峰；也可 作为分散型主供电源，独立供电，适于用 作海岛、山区、边远地区或新开发地区电 站。