燃料电池的发展

燃料电池的发展

1    概述

    随着电子产品小型化的进展，当前锂离子电池的能量密度，已经不能满足便携式笔记本电脑、移动电话、PDA等电子设备的要求了。例如：一台新型的P4笔记本电脑平均功耗在100W左右，若工作10h则需1kW·h，用7.4W·h的锂离子聚合物电池供电需140块，重量可达5～6kg；高性能的CPU要求400A/μs的转换速率和100A以上的峰值电流，到2005年，此值将分别达到1000A/μs和150A；当移动电话增加接收地面数字电视功能，采用大型真彩显示屏时，其供电量可增加到现在的（通常为700mA·h）3～4倍，达2A·h以上。这一切都对微电子产品的供电系统提出了新的挑战。正当汽车用的大功率清洁燃料电池开发遇到成本高，难度大而进展缓慢时，却引发了人们开发研制灵巧的燃料电池（Smart Fuel Cell）的尝试，由于大胆地采用了新材料，新工艺，研究工作取得了突破性的进展，并获得了试制品的成功，一种基于氢气的燃料电池脱颖而出。

    现在它已从早期的能量密度50～80W·h/kg提高到1000W·h/kg，比当前流行的锂离子电池能量密度150～300W·h/kg高出了许多。1OZ（盎司，=28.35g）燃料电池所释放出的能量是900mA·h的锂离子电池的2倍以上。理论计算表明，燃料电池所能提供的能量是同样重量锂离子电池所能提供能量的3倍，最大极限值是30倍。因此，激发了开发商加快开发和研究燃料电池的步伐。虽然目前还存在燃料电池的成本、体积、标准化和安全认证等问题，但开发商们普遍认为在未来的3～5年，这些问题完全可以得到解决，并批量投入生产。现在市场上已经出现了一种腰包式燃料电池为手机中的锂离子电池进行实时充电，这种微型燃料电池的添加盒售价只有1美元左右，可支持20h的通话时间，燃料电池的OEM充电器大约在15美元左右，这种灵巧的燃料电池开发成功，反过来又促进汽车动力系统用的燃料电池和住宅分散供电系统的发展，总之燃料电池正处在蓬勃发展之中，值得关注。

2    燃料电池的工作原理

    燃料电池是用一种特定的燃料，通过一种质子交换膜（PEM Proton Exchange Membrane）和催化层（CL Catalyst Layer）而产生电流的一种装置，这种电池只要外界源源不断地供应燃料（例如氢气或甲醇），就可以提供持续电能。它的工作原理，是利用一种叫质子交换膜的技术，使氢气在覆盖有催化剂的质子交换膜作用下，在阳极将氢气催化分解成为质子，这些质子通过质子交换膜到达阴极，在氢气的分解过程中释放出电子，电子通过负载被引出到阴极，这样就产生了电能。

    在阳极经过质子交换膜和催化剂的作用，其化学过程为：

    H₂→2H＋^＋2e

    在阴极质子与氧和电子相结合产生水：

    H₂＋O₂→H₂O

    也就是说燃料电池内部的氢与空气中的氧进行化学反应，生成水的过程，同时产生了电流，也可以理解为是电解水的逆反应。

    燃料电池在阳极除供应氢气外，同时还收集氢质子（H^＋），释放电子；在阴极通过负载捕获电子产生电能。质子交换膜的功能只是允许质子H^＋通过，并与阴极中的氧结合产生水。这种水在反应过程中的温度作用下，以水蒸气的形式散发在空气中（对汽车用的大功率燃料电池就要设置水的回收装置）。注意，用氢作燃料电池所生成的是纯净水可以饮用，而用甲醇作燃料生成的水溶液中可能产生甲醛之类有毒物质不能饮用。图1为燃料电池工作原理的示意图。

图1    燃料电池工作原理示意图

    根据上述燃料电池的工作原理，只要不断地补充燃料，燃料电池就能不间断地运行，提供电能。目前已有公司开发出笔杆形的小管装载燃料的燃料电池（类似于打火机形式），不过装载燃料的小管须经常更换，就容易使电极中的催化剂铂（Pt PLatinum）和钌（Ru Ruthenium）的粒子凝聚，性能发生老化，以致减少燃料电池的寿命，目前正在改进中。

3    燃料电池的分类

    由于人们是从不同角度来研究和开发燃料电池的，所以其种类也繁多，但目前主要有3种。

3.1    质子交换膜技术

    质子交换膜技术（或者称聚合物电解液膜技术）——简称PEMFC（Proton Exchange Membrene Fuel Cell）。由于它能提供比传统锂离子电池大约高出5～10倍的能量密度，比甲醇燃料电池也有更高的能量密度，所以，人们都看好质子交换膜技术的氢燃料电池，虽然它还存在着储存及安全等问题，但人们正在克服它，最终有望在3～5年实现可存储在像打火机大小的容器中，充一次氢气发电可供手机使用几天，它将是未来便携式电子产品供电系统的首选。

3.2    直接甲醇燃料电池

    直接甲醇燃料电池——简称DMFC（Direct Methanol Fuel Cell）。它是以甲醇为燃料，通过与氧结合产生电流的，优点是直接使用甲醇，省去了氢的生产与存储，因为，在汽车上早已使用甲醇溶液作为挡风玻璃的刮洗液了，故不存在安全问题。但甲醇存在泄漏问题，虽然用水稀释可以解决，但是电解效率却大大降低，目前正在解决渗漏问题。

3.3    直接乙醇燃料电池

    直接乙醇燃料电池——简称DEFC（Direct Ethanol Fuel Cell）。为避免甲醇的渗漏问题，而采用乙醇，它也是由两个电极、燃料及电解液组成的。

    总之，3种燃料电池技术各有千秋，都在为第三代（3G）移动电话的电源供电系统而努力工作着。

4    燃料氢的来源

    我国有六七千条江河，虽然这种天然的流水不太深，流量不太大，但它们都能驱动发电机工作，只要设计一种水力直流发电机，把它放入流动的河流中，在水力的驱动下发电，利用这种直流电通过电解设备去电解水，就可以得到氢和氧，然后经过氢的检测、提纯、压缩、存储等技术处理，就可获得99.999％的纯净氢。整个过程是一种持久的绿色新能源系统工程，生产的全过程中只须开发一种低压大电流水力发电机组，而高效电解水设备，氢气的回收检测，提纯装置，压缩存储设备等，在市场上均有成品出售。

    电解水产生氢的设备一般在200L/kW·h，如果是一台50kW的水力直流发电机，一天24h可产生氢240kL，所以水是未来的燃料，未来的能源。图2为燃料电池用的氢的提取与存储的方框图。

图2    燃料电池用的氢的提取与存储方框图

5    结语

燃料电池的出现与发展，将会给便携式电子设备带来一场深刻的革命，并且还会波及到汽车业，住宅，以及社会各方面的集中供电系统。在21世纪中它将会把人类由集中供电带进一种分散供电的新时代。因为太阳能供电虽然能替代部分能源，但它与天气有关，受气候的制约；核能利用又存在安全问题；唯有燃料电池供电，它没有二氧化碳的排放，可减轻温室效应使全球气候变暖问题，它解决了火力发电使全球环境污染的问题，它是一个纯正的绿色清洁能源。所以，我们要加速实现燃料电池的商品化进程，中国人应该在这场能源革命中有所作为，跟上全球技术发展的步伐。