- 燃料電池的工作原理
- 燃料電池的分類
- 燃料氫的來源
- 利用質(zhì)子交換膜和催化層的技術(shù)
這一切都對(duì)微電子產(chǎn)品的供電系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。正當(dāng)汽車用的大功率清潔燃料電池開發(fā)遇到成本高,難度大而進(jìn)展緩慢時(shí),卻引發(fā)了人們開發(fā)研制靈巧的燃料電池(SmartFuelCell)的嘗試,由于大膽地采用了新材料,新工藝,研究工作取得了突破性的進(jìn)展,并獲得了試制品的成功,一種基于氫氣的燃料電池脫穎而出。
現(xiàn)在它已從早期的能量密度50~80W•h/kg提高到1000W•h/kg,比當(dāng)前流行的鋰離子電池能量密度150~300W•h/kg高出了許多。1OZ(盎司,=28.35g)燃料電池所釋放出的能量是900mA•h的鋰離子電池的2倍以上。理論計(jì)算表明,燃料電池所能提供的能量是同樣重量鋰離子電池所能提供能量的3倍,最大極限值是30倍。因此,激發(fā)了開發(fā)商加快開發(fā)和研究燃料電池的步伐。
雖然目前還存在燃料電池的成本、體積、標(biāo)準(zhǔn)化和安全認(rèn)證等問題,但開發(fā)商們普遍認(rèn)為在未來的3~5年,這些問題完全可以得到解決,并批量投入生產(chǎn)?,F(xiàn)在市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了一種腰包式燃料電池為手機(jī)中的鋰離子電池進(jìn)行實(shí)時(shí)充電,這種微型燃料電池的添加盒售價(jià)只有1美元左右,可支持20h的通話時(shí)間,燃料電池的OEM充電器大約在15美元左右,這種靈巧的燃料電池開發(fā)成功,反過來又促進(jìn)汽車動(dòng)力系統(tǒng)用的燃料電池和住宅分散供電系統(tǒng)的發(fā)展,總之燃料電池正處在蓬勃發(fā)展之中,值得關(guān)注。
燃料電池的工作原理
燃料電池是用一種特定的燃料,通過一種質(zhì)子交換膜(PEMProtonExchangeMembrane)和催化層(CLCatalystLayer)而產(chǎn)生電流的一種裝置,這種電池只要外界源源不斷地供應(yīng)燃料(例如氫氣或甲醇),就可以提供持續(xù)電能。
它的工作原理,是利用一種叫質(zhì)子交換膜的技術(shù),使氫氣在覆蓋有催化劑的質(zhì)子交換膜作用下,在陽極將氫氣催化分解成為質(zhì)子,這些質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極,在氫氣的分解過程中釋放出電子,電子通過負(fù)載被引出到陰極,這樣就產(chǎn)生了電能。
在陽極經(jīng)過質(zhì)子交換膜和催化劑的作用,其化學(xué)過程為:
H2→2H++2e
在陰極質(zhì)子與氧和電子相結(jié)合產(chǎn)生水:
H2+ O2→H2O
也就是說燃料電池內(nèi)部的氫與空氣中的氧進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),生成水的過程,同時(shí)產(chǎn)生了電流,也可以理解為是電解水的逆反應(yīng)。
燃料電池在陽極除供應(yīng)氫氣外,同時(shí)還收集氫質(zhì)子(H+),釋放電子;在陰極通過負(fù)載捕獲電子產(chǎn)生電能。質(zhì)子交換膜的功能只是允許質(zhì)子H+通過,并與陰極中的氧結(jié)合產(chǎn)生水。這種水在反應(yīng)過程中的溫度作用下,以水蒸氣的形式散發(fā)在空氣中(對(duì)汽車用的大功率燃料電池就要設(shè)置水的回收裝置)。注意,用氫作燃料電池所生成的是純凈水可以飲用,而用甲醇作燃料生成的水溶液中可能產(chǎn)生甲醛之類有毒物質(zhì)不能飲用。page]
圖1燃料電池工作原理示意圖
根據(jù)上述燃料電池的工作原理,只要不斷地補(bǔ)充燃料,燃料電池就能不間斷地運(yùn)行,提供電能。目前已有公司開發(fā)出筆桿形的小管裝載燃料的燃料電池(類似于打火機(jī)形式),不過裝載燃料的小管須經(jīng)常更換,就容易使電極中的催化劑鉑(PtPLatinum)和釕(RuRuthenium)的粒子凝聚,性能發(fā)生老化,以致減少燃料電池的壽命,目前正在改進(jìn)中。
燃料電池的分類
由于人們是從不同角度來研究和開發(fā)燃料電池的,所以其種類也繁多,但目前主要有3種。
1質(zhì)子交換膜技術(shù)
質(zhì)子交換膜技術(shù)(或者稱聚合物電解液膜技術(shù))——簡(jiǎn)稱PEMFC(ProtonExchangeMembreneFuelCell)。由于它能提供比傳統(tǒng)鋰離子電池大約高出5~10倍的能量密度,比甲醇燃料電池也有更高的能量密度,所以,人們都看好質(zhì)子交換膜技術(shù)的氫燃料電池,雖然它還存在著儲(chǔ)存及安全等問題,但人們正在克服它,最終有望在3~5年實(shí)現(xiàn)可存儲(chǔ)在像打火機(jī)大小的容器中,充一次氫氣發(fā)電可供手機(jī)使用幾天,它將是未來便攜式電子產(chǎn)品供電系統(tǒng)的首選。
2直接甲醇燃料電池
直接甲醇燃料電池——簡(jiǎn)稱DMFC(DirectMethanolFuelCell)。它是以甲醇為燃料,通過與氧結(jié)合產(chǎn)生電流的,優(yōu)點(diǎn)是直接使用甲醇,省去了氫的生產(chǎn)與存儲(chǔ),因?yàn)椋谄嚿显缫咽褂眉状既芤鹤鳛閾躏L(fēng)玻璃的刮洗液了,故不存在安全問題。但甲醇存在泄漏問題,雖然用水稀釋可以解決,但是電解效率卻大大降低,目前正在解決滲漏問題。
3直接乙醇燃料電池
直接乙醇燃料電池——簡(jiǎn)稱DEFC(DirectEthanolFuelCell)。為避免甲醇的滲漏問題,而采用乙醇,它也是由兩個(gè)電極、燃料及電解液組成的。
總之,3種燃料電池技術(shù)各有千秋,都在為第三代(3G)移動(dòng)電話的電源供電系統(tǒng)而努力工作著。
燃料氫的來源
我國有六七千條江河,雖然這種天然的流水不太深,流量不太大,但它們都能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)工作,只要設(shè)計(jì)一種水力直流發(fā)電機(jī),把它放入流動(dòng)的河流中,在水力的驅(qū)動(dòng)下發(fā)電,利用這種直流電通過電解設(shè)備去電解水,就可以得到氫和氧,然后經(jīng)過氫的檢測(cè)、提純、壓縮、存儲(chǔ)等技術(shù)處理,就可獲得99.999%的純凈氫。整個(gè)過程是一種持久的綠色新能源系統(tǒng)工程,生產(chǎn)的全過程中只須開發(fā)一種低壓大電流水力發(fā)電機(jī)組,而高效電解水設(shè)備,氫氣的回收檢測(cè),提純裝置,壓縮存儲(chǔ)設(shè)備等,在市場(chǎng)上均有成品出售。
電解水產(chǎn)生氫的設(shè)備一般在200L/kW•h,如果是一臺(tái)50kW的水力直流發(fā)電機(jī),一天24h可產(chǎn)生氫240kL,所以水是未來的燃料,未來的能源。圖2為燃料電池用的氫的提取與存儲(chǔ)的方框圖。
燃料電池的出現(xiàn)與發(fā)展,將會(huì)給便攜式電子設(shè)備帶來一場(chǎng)深刻的革命,并且還會(huì)波及到汽車業(yè),住宅,以及社會(huì)各方面的集中供電系統(tǒng)。在21世紀(jì)中它將會(huì)把人類由集中供電帶進(jìn)一種分散供電的新時(shí)代。
因?yàn)樘柲芄╇婋m然能替代部分能源,但它與天氣有關(guān),受氣候的制約;核能利用又存在安全問題;唯有燃料電池供電,它沒有二氧化碳的排放,可減輕溫室效應(yīng)使全球氣候變暖問題,它解決了火力發(fā)電使全球環(huán)境污染的問題,它是一個(gè)純正的綠色清潔能源。所以,我們要加速實(shí)現(xiàn)燃料電池的商品化進(jìn)程,中國人應(yīng)該在這場(chǎng)能源革命中有所作為,跟上全球技術(shù)發(fā)展的步伐。