化學(xué)中燃料電池的工作原理是什么？

【專家解說】：燃料電池的基本工作原理 我們?cè)跍?zhǔn)備長途旅行之前，總是不會(huì)忘記檢查是否隨身攜帶了信用卡或者錢包，當(dāng)然還有手機(jī)或者筆記本電腦的備用電池和充電器，它們的重要性伴隨著人們對(duì)手機(jī)和筆記本電腦的依賴日益彰顯。其癥結(jié)所在就是電池的有限的工作時(shí)間，目前便攜式電子產(chǎn)品使用的鋰離子電池已經(jīng)無法應(yīng)付長時(shí)間操作的需求。一塊手機(jī)普通的鋰電池只能維持幾天時(shí)間，筆記本電腦的電池也就幾個(gè)小時(shí)。而隨著無線技術(shù)和音視頻功能越來越受歡迎，對(duì)電池的工作時(shí)間的要求與日俱增，傳統(tǒng)二次電池(包括鋰電池和鎳電池)已經(jīng)成為瓶頸，桎梏了便攜式產(chǎn)品向更豐富功能的方向發(fā)展。 　　與傳統(tǒng)二次電池相比，燃料電池的能量至少要高10倍。一個(gè)鋰離子電池能提供300 Whr/L的電量密度，而甲醇燃料電池的電量密度卻高達(dá)4800 Whr/L，10ml的甲醇可以保證13.5小時(shí)的通話時(shí)間或者642小時(shí)的待機(jī)時(shí)間。因此，東芝、IBM、NEC等許多國際著名的電子公司都傾注精力和財(cái)力研究燃料電池，目前世界前十大營收企業(yè)，除Walmart外，均有投資氫能或燃料電池產(chǎn)業(yè)。 專攻便攜式應(yīng)用的DMFC　 　 　　理論上，燃料電池(Fuel Cell)并不是電池，只是把燃料(例如氫氣)和氧化劑通過電極反應(yīng)直接生成電流的裝置，由于它的生成物是水，因而具有相當(dāng)?shù)沫h(huán)保優(yōu)勢(shì)。燃料電池的典型結(jié)構(gòu)就是層迭電池單元的堆棧(Stack)，一個(gè)堆?？梢园鄠€(gè)單獨(dú)的燃料單元(圖1)。而每個(gè)單元的基本結(jié)構(gòu)與電解水裝置相類似，包含2個(gè)正負(fù)電極(陽極和陰極)，電解質(zhì)以及催化劑。陽極為氫電極，陰極為氧電極，陽極和陰極上都含有一定量的催化劑，目的是用來加速電極上發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)。以氫氧反應(yīng)為例，在陰極催化劑的作用下，一個(gè)氫分子分解成2個(gè)氫離子，同時(shí)釋放出2個(gè)電子，由于阻隔膜對(duì)電子的過濾作用，電子無法通過電解質(zhì)只能繞行，從而形成電流。而氫離子可以順利通過電解質(zhì)達(dá)到陰極和空氣中的氧原子反應(yīng)生成水(圖2)。 　 　 圖1 燃料電池的基本結(jié)構(gòu) 　 圖2 燃料電池的基本工作原理　 　　從工作原理不難看出，催化劑、電極、隔膜和電解質(zhì)是燃料電池的主要材料。各種燃料電池工作原理基本相似，其分類是由電解質(zhì)的材料決定的。目前廣泛研發(fā)的燃料電池有質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、直接甲醇燃料電池(DMFC)、堿性燃料電池(AFC)、磷酸鹽型燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)等。另外，由于工作溫度和發(fā)電功率的不同(表1)，燃料電池的應(yīng)用領(lǐng)域也可以分為四種：便攜式電子產(chǎn)品，包括筆記型計(jì)算機(jī)、數(shù)字相機(jī)、手機(jī)、PDA等；住宅發(fā)電，既是住宅或備用電源；運(yùn)輸交通工具，汽車、巴士等；大型發(fā)電大樓發(fā)電、小型及大型發(fā)電廠。　 　　其中，PEMFC因其不經(jīng)過燃燒直接以電化學(xué)反應(yīng)連續(xù)地把燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能，具有能量轉(zhuǎn)換效率高(一般都在40%~60%，而內(nèi)燃機(jī)僅為18%~24%)的優(yōu)點(diǎn)，成為應(yīng)用非常廣泛的技術(shù)，尤其是在汽車用燃料方面，PEMFC的應(yīng)用接近該市場的100%。　 　　另外頗受關(guān)注的是DMFC，它同屬于PEMFC，都是采用聚合物阻隔膜，但是DMFC以液態(tài)甲醇為燃料，與氫燃料電池相比，DMFC在電池系統(tǒng)構(gòu)造、燃料來源等諸多方面均有一定的優(yōu)勢(shì)。其陽極催化劑可以直接從液態(tài)甲醇中提取氫分子無需燃料重組器(Reformer)，所以高純度甲醇可以直接用作電池的燃料。同時(shí)還能有效減少電池的尺寸，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，因而更適合作為便攜式電源用于民用工業(yè)和軍事工業(yè)中，如可用于電動(dòng)汽車、電動(dòng)自行車、移動(dòng)電話、筆記本電腦中。 　　和目前的二次電池相比，DMFC具備燃料電池的一貫優(yōu)勢(shì)。DMFC的理論功率密度是4780 Whr/L，遠(yuǎn)高于鎳氫的200 Whr/L、鋰離子的310 Whr/L ，因而可以支持更長的工作時(shí)間。另外有別于二次電池蓄電/放電的工作機(jī)制，燃料電池可以說是能源轉(zhuǎn)換器，只要將燃料持續(xù)供應(yīng)即可源源不絕的持續(xù)產(chǎn)生電力，不會(huì)有電力中斷或更換電池的考慮。并且DMFC公司也在考慮通過混合電源的方式逐步讓人們接受燃料電池，這種方式混合動(dòng)力汽車中已經(jīng)得到積極的驗(yàn)證?；旌想娫词菍⑷剂想姵睾蛢?chǔ)能裝置(如超級(jí)電容或電池)組合，燃料電池將提供恒定的功率，而靠電容或電池來滿足峰值功率方面的要求。　 　　燃料電池的產(chǎn)業(yè)鏈包括材料、組件、子系統(tǒng)和系統(tǒng)四部分，多數(shù)著名的電子消費(fèi)品公司都在從事DMFC燃料電池系統(tǒng)的研究，以便保證自己的電子產(chǎn)品在未來的競爭力，例如日本的三洋、索尼、東芝和富士通韓國的三星和LG，中國的比亞迪。也有一些專門從事系統(tǒng)開發(fā)的公司，包括美國的MTI Micro Fuel Cells、Angstrom Power、我國臺(tái)灣的Antig公司、摩托羅拉投資的加拿大Tekion Inc公司等等。這類公司大都通過和大型電子公司合作的方式共同開發(fā)，像MTI Micro就和韓國三星結(jié)成獨(dú)家聯(lián)盟，MTI Micro將利用名為“Mobion”的DMFC技術(shù)為三星的手機(jī)業(yè)務(wù)開發(fā)下一代燃料電池原型。 　 表1 各種燃料電池的性能比較　 資料來源：Fuelcelltoday.com　 　 　　在產(chǎn)業(yè)鏈的上流是專門從事電解質(zhì)膜這類材料開發(fā)的公司，像著名的杜邦公司和英特爾投資的PolyFuel公司等等。在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的努力下，燃料電池正在從軍用和航空等專業(yè)領(lǐng)域快步進(jìn)入商業(yè)化規(guī)模應(yīng)用的階段。北美、日本、歐洲和我國臺(tái)灣地區(qū)已經(jīng)走在前列，我國在燃料電池領(lǐng)域研究和開發(fā)雖然取得了一定進(jìn)展，但是與上述國家和地區(qū)相比，在研發(fā)投入力度、技術(shù)研究深度等方面都存在著差距。這一問題已經(jīng)引起了我國的重視，現(xiàn)在它已是能源、電力行業(yè)最為重視課題之一，同時(shí)也是國家政策扶持的新興能源行業(yè)。 DMFC亟需突破的障礙　 　　DMFC 的核心部件是由陰、陽電極和高分子電解質(zhì)膜熱壓而成的層疊電池單元(Stack),其厚度不過1mm 。這樣可以使電極中的催化劑盡可能跟質(zhì)子交換膜有效地接觸，以提高轉(zhuǎn)換效率和并減小電池的體積。質(zhì)子交換膜在其中起著隔離甲醇與氧氣，防止它們直接發(fā)生反應(yīng)以及交換質(zhì)子和絕緣電子的作用，是一種選擇透過性的聚合物膜,于電池中強(qiáng)酸強(qiáng)氧化性等苛刻環(huán)境下工作，所以需要極高的耐腐蝕性，另外，還要求具有電動(dòng)性和熱傳導(dǎo)性等，材料特性要求很嚴(yán)格。 　　高分子電解質(zhì)膜多年來一直是困擾DMFC發(fā)展的一大難題。氫離子需要由水的攜帶穿過分隔陰陽極的高分子膜，然而過程中甲醇容易伴隨，因?yàn)榧状己退邢嗨频奶匦浴Ｄ壳?，研究人員正在從2種不同的角度嘗試解決這一難題。一是控制甲醇濃度，或增加隔離甲醇與高分子膜之觸媒隔離層。另一種方法，是依靠能減少甲醇和水互混的電解質(zhì)膜，有幾家公司都已開發(fā)出這類產(chǎn)品。沒有人認(rèn)為會(huì)存在一種能完全隔離甲醇的薄膜。而且在一些設(shè)計(jì)里，輕微的甲醇混溶是有益的，甲醇在陰極發(fā)生氧化，并發(fā)出少量的熱，可以提高整個(gè)燃料電池的反應(yīng)速率。2002年，以色列特拉維夫大學(xué)首先開發(fā)成功了甲醇直接方式的手機(jī)燃料電池。采用的電解質(zhì)膜不同于的美國杜邦公司生產(chǎn)的“Nafion”，后者由碳氟化合物構(gòu)成，前者主要是由聚偏二氟乙 (PVDF)和二氧化硅構(gòu)成，把甲醇的穿透率降低到一位數(shù)。而美國的PolyFuel公司利用碳?xì)浠衔镏谱鞯男乱淮碾娊赓|(zhì)膜，把甲醇穿透率控制在具有代表性的氟類電解質(zhì)膜—杜邦公司 “Nafion 117”的1/2。并且PolyFuel最新推出的PolyFuel 20mm 把最大功率密度提升到190 Ma/cm2。PolyFuel的CEO Jim Balcom表示電解質(zhì)膜功率密度的提高可以減小電池單元的體積。此外PolyFuel 20mm還通過提高空氣極產(chǎn)生的水向燃料極的逆擴(kuò)散(Water Back Diffusion)減小系統(tǒng)的尺寸和復(fù)雜度。 　　 　 富士通采用DFMC作燃料電池的筆記本電腦　 圖片來源：Fuelcelltoday.com　 　　另外從表1的對(duì)比可以看出，DMFC的功率密度是幾中技術(shù)中最低的一種。這是因?yàn)閮?nèi)部甲醇重組產(chǎn)氫無可避免地使原有燃料電池電力因內(nèi)部消耗(Over Potential)而衰減其輸出功率，例如PEMFC的功率密度可達(dá)250~1000mW/cm2(因燃料成分與操作條件而異)，DMFC的功率密度卻只有25~100mW/cm2左右，兩者相差近達(dá)10倍，因此功耗越大的移動(dòng)應(yīng)用(例如：筆記本電腦)對(duì)DMFC越不利。 　　 　 日立的PDA和使用的燃料電池　 圖片來源：Fuelcelltoday.com　 　 　　甲醇的使用面臨另一個(gè)障礙是安全方面的法規(guī)。目前，甲醇仍然被禁止帶上商業(yè)航班，因?yàn)闆]有任何組織或者標(biāo)準(zhǔn)對(duì)對(duì)旅客攜帶甲醇進(jìn)行管理。但是2005年國際民航組織已經(jīng)提出取消禁止旅客攜帶甲醇登機(jī)的規(guī)定。最近，MTI Micro的CEO Peng Lim向記者透露國際民航組織已經(jīng)同意取消這一規(guī)定，并且美國交通部計(jì)劃在明年1月開始執(zhí)行。Peng Lim表示一旦解禁，燃料電池的優(yōu)勢(shì)將在長途旅行中得到完全體現(xiàn)。同時(shí)，消費(fèi)者也無需擔(dān)心燃料盒(Cartridge)的安全，因?yàn)槿剂虾械脑O(shè)計(jì)和制作需要通過國際組織的認(rèn)證。 　結(jié)語　 　　 　　和CDMA,GPS這些受到歡迎的技術(shù)一樣，燃料電池同樣經(jīng)歷了由軍用或者航空轉(zhuǎn)向民用的過程，并且燃料電池的發(fā)展歷程已經(jīng)超過100年，在技術(shù)和安全方面已經(jīng)得到驗(yàn)證?，F(xiàn)在研究人員需要考慮的是，如何讓它順利地走進(jìn)人們的日常生活中。大多數(shù)從事燃料電池研發(fā)的公司都認(rèn)為便攜式消費(fèi)電子是一個(gè)絕佳的突破口。