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燃料电池带我们进入分散供电新时代

发布时间:2002年4月11日 点击次数:329
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据专家分析预测,一种小巧的燃料电池(Smart Fuel Cell)将在2005年开始商品化。届时,笔记本电脑、IMT-2000手机和PDA等便携式网络终端设备,将由小巧的燃料电池供电,用户将省掉为蓄电池充电或更换新干电池的麻烦。与其说这是一种小巧的燃料电池,倒不如说这是一台小型发电机,它所用的燃料在街上将随处可以买到。这样一来,在便携式设备里占居统治地位的锂离子蓄电池将黯然失色。
  小巧燃料电池的出现,将会引起便携式电子设备用电池的变革。一石激起千层浪,也将波及至汽车、住宅乃至社会供电系统的改变。于是,城市里街道两边的架在高空的送电线将逐渐消失,只需在利用电力的现场就近发电即可。在21世纪里,人们将迎来分散供电的新时代。鉴于此情,本文扼要地介绍燃料电池的普通常识,谨供参考。


什么是燃料电池?
  燃料电池,顾名思义,它是一种以燃烧特定的燃料而进行发电的装置。它和普通干电池不同,不需要更换新电池;它也有别于常用的蓄电池,不必进行再充电。在燃料电池里,只需要从外界不断地供应氢(H2)或甲醇等燃料,便可以持续地提供电能。也就是说,燃料中的氢气在燃料电池内部与空气中的氧气(O2)进行化学反应后,在生成水的同时也产生出电流。其工作原理是电解水的逆向反应,当进行反应时产生的电流可引出加以利用。在燃料电池中,燃料电极供应氢气的过程中同时收集氢离子(H+)释放的电子;空气电极提供氧气,同时通过负载电路捕获电子;两电极之间设有电解质膜(固体离分子膜),它只允许质子(H+)穿过,并同空气电极的氧化合生成水;在燃料电极和空气电极的另一面上分别设置有隔板,而隔板上分别有供应H2和O2的沟渠和排出H2O的水沟。每一块燃料电池的输出端电压为0.7V,多块燃料电池层叠后可构成燃料电池系统。


燃料电池反应时生成的水如何处理?
  在面向便携式设备应用的小巧燃料电池里,化学反应生成的水量是极其有限的,通常都变成水蒸气蒸发到周围的空气里。然而,对于像汽车或是家庭住宅里的燃料电池系统,将能产生一定量的水,需备有回收水的容器。如若是利用氢气的燃料电池,经过化学反应生成的水是可以饮用的。例如,美国Apollo宇宙飞船里装备的燃料电池生成的水,就已作为宇航员的饮用水。但是,值得注意的是,当利用甲醇水溶液作为燃料时,通过电解质膜残存微量的甲醇,有可能生成甲醛,所以生成的水是对人体有害的。


燃料电池是何时发明的,其研究与开发进展如何?
  燃料电池是英国人W.Grove于1939年发明的。真正实用水平的燃料电池,是1960年在美国首先用于宇宙飞船。燃料电池也是个大家族,根据电解质膜的种类和工作温度,大体上可划分为磷酸型、熔融碳酸盐型、固体电解质型和固体高分子型共四大类。其中,如今最引人瞩目的是固体高分子型燃料电池。加拿大的Ballard Power Systems Inc.于1997年展示出固体高分子型燃料电池高输出电力的可能性,以此为契机日美欧都积极投入燃料电池的研究与开发。
  世界各国的燃料电池研究者认为,进入便携式电子设备领域的难度较低,在不久的将来就会出现相应的新产品;从2005年开始,燃料电池将要渐渐地进入汽车动力系统,以及家庭住宅的供电系统。


燃料电池的价格用户能够承受吗?
  从目前的试制样品看,燃料电池的价格确实很高。例如,一台汽车的动力系统需要几十千瓦的燃料电池,其制造成本高达数千万日元。作为燃料电池开发商,当务之急是降低其结构材料的成本。例如,电解质膜的成本,目前是5万日元/m2,奋斗目标是削减到5000日元/m2。
  面向便携式电子设备的燃料电池并不需要很大的输出电力,通常仅要求几瓦或数十瓦,由于燃料电池系统自身规模不大,仅使用很少的结构材料,所用的燃料也有限。例如,以现行蓄电池产品的成本,就可以生产小巧燃料电池。便携式电子设备一旦使用小巧燃料电池,注入一次燃料可长时间供电,将极大地方便笔记本电脑和IMT-2001手机等的用户。因此,现在日本许多电子产品制造商都在试制小巧燃料电池产品,试图以此取代锂离子蓄电池等产品。


燃料电池的重量、寿命以及安全性等究竟如何?
  关于燃料电池的结构前文已提及,其电解质膜厚仅为几十微米,电极以碳为主要成分,重量很轻。整个燃料电池的重量取决于贮藏燃料的容器,像面向便携式电子设备的产品,其总重量一般约为100克左右。
  从燃料电池的原理上分析,只要能够持续地补给足够的燃料,就能连续运行。例如, Motorola公司试制的移动电话手机利用小巧燃料电池供电,燃料补给方式是以笔杆状小管(盛有燃料)的形式更换,维持电池连续运行。但是,随着盛有燃料的小管更换次数的增长,发现燃料电池的反应性能逐渐降低。据分析这是电极里起催化剂作用的白金(Pt)性能劣化(Pt粒子凝聚)所致,Pt劣化的速度将左右燃料电池的寿命。
  关于燃料电池的安全性,至今尚未发现问题。
                                   (贾明 编译)


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