燃料電池的基本工作原理及發(fā)展前景

摘要：主要介紹了燃料電池的基本工作原理和分類(lèi)，氫氣的生成，以及它的發(fā)展前景。

1、概述

隨著電子產(chǎn)品小型化的進(jìn)展，當(dāng)前鋰離子電池的能量密度，已經(jīng)不能滿足便攜式筆記本電腦、移動(dòng)電話、pDA等電子設(shè)備的要求了。例如：一臺(tái)新型的p4筆記本電腦平均功耗在100W左右，若工作10h則需1kW·h，用7.4W·h的鋰離子聚合物電池供電需140塊，重量可達(dá)5～6kg；高性能的CpU要求400A/μs的轉(zhuǎn)換速率和100A以上的峰值電流，到2005年，此值將分別達(dá)到1000A/μs和150A；當(dāng)移動(dòng)電話增加接收地面數(shù)字電視功能，采用大型真彩顯示屏?xí)r，其供電量可增加到現(xiàn)在的（通常為700mA·h）3～4倍，達(dá)2A·h以上。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(chē)用的大功率清潔燃料電池開(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)商加快開(kāi)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(wèn)題，但開(kāi)發(fā)商們普遍認(rèn)為在未來(lái)的3～5年，這些問(wèn)題完全可以得到解決，并批量投入生產(chǎn)。現(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(kāi)發(fā)成功，反過(guò)來(lái)又促進(jìn)汽車(chē)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。

2、燃料電池的工作原理

燃料電池是用一種特定的燃料，通過(guò)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(yáng)極將氫氣催化分解成為質(zhì)子，這些質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，在氫氣的分解過(guò)程中釋放出電子，電子通過(guò)負(fù)載被引出到陰極，這樣就產(chǎn)生了電能。

在陽(yáng)極經(jīng)過(guò)質(zhì)子交換膜和催化劑的作用，在陰極質(zhì)子與氧和電子相結(jié)合產(chǎn)生水。也就是說(shuō)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(guò)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(yáng)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(guò)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(guò)，并與陰極中的氧結(jié)合產(chǎn)生水。這種水在反應(yīng)過(guò)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(chē)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(lèi)有毒物質(zhì)不能飲用。
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(kāi)發(fā)出筆桿形的小管裝載燃料的燃料電池（類(lèi)似于打火機(jī)形式），不過(guò)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。

3、燃料電池的分類(lèi)

由于人們是從不同角度來(lái)研究和開(kāi)發(fā)燃料電池的，所以其種類(lèi)也繁多，但目前主要有3種。

3.1質(zhì)子交換膜技術(shù)

質(zhì)子交換膜技術(shù)（或者稱(chēng)聚合物電解液膜技術(shù)）——簡(jiǎn)稱(chēng)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(wèn)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(lái)便攜式電子產(chǎn)品供電系統(tǒng)的首選。

3.2直接甲醇燃料電池

直接甲醇燃料電池——簡(jiǎn)稱(chēng)DMFC（DirectMethanolFuelCell）。它是以甲醇為燃料，通過(guò)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?chē)上早已使用甲醇溶液作為擋風(fēng)玻璃的刮洗液了，故不存在安全問(wèn)題。但甲醇存在泄漏問(wèn)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(wèn)題。

3.3直接乙醇燃料電池

直接乙醇燃料電池——簡(jiǎn)稱(chēng)DEFC（DirectEthanolFuelCell）。為避免甲醇的滲漏問(wèn)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。

4、燃料氫的來(lái)源

我國(guó)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(guò)電解設(shè)備去電解水，就可以得到氫和氧，然后經(jīng)過(guò)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(guò)程是一種持久的綠色新能源系統(tǒng)工程，生產(chǎn)的全過(guò)程中只須開(kāi)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(lái)的燃料，未來(lái)的能源。圖2為燃料電池用的氫的提取與存儲(chǔ)的方框圖。

5、結(jié)語(yǔ)

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(lái)一場(chǎng)深刻的革命，并且還會(huì)波及到汽車(chē)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(lèi)由集中供電帶進(jìn)一種分散供電的新時(shí)代。因?yàn)樘?yáng)能供電雖然能替代部分能源，但它與天氣有關(guān)，受氣候的制約；核能利用又存在安全問(wèn)題；唯有燃料電池供電，它沒(méi)有二氧化碳的排放，可減輕溫室效應(yīng)使全球氣候變暖問(wèn)題，它解決了火力發(fā)電使全球環(huán)境污染的問(wèn)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(guó)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。(end)