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，氫氣的生成，以及它的發(fā)展前景。

1、概述

隨著電子產(chǎn)品小型化的進展，當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、移動電話、pDA等電子設備的要求了。例如：一臺新型的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5～6kg；高性能的CpU要求400A/μs的轉換速率和100A以上的峰值電流，到2005年，此值將分別達到1000A/μs和150A；當移動電話增加接收地面數(shù)字電視功能，采用大型真彩顯示屏時，其供電量可增加到現(xiàn)在的（通常為700mA·h）3～4倍，達2A·h以上。這一切都對微電子產(chǎn)品的供電系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。正當汽車用的大功率清潔燃料電池開發(fā)遇到成本高，難度大而進展緩慢時，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、標準化和安全認證等問題，但開發(fā)商們普遍認為在未來的3～5年，這些問題完全可以得到解決，并批量投入生產(chǎn)。現(xiàn)在市場上已經(jīng)出現(xiàn)了一種腰包式燃料電池為手機中的鋰離子電池進行實時充電，這種微型燃料電池的添加盒售價只有1美元左右，可支持20h的通話時間，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，反過來又促進汽車動力系統(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，通過一種質子交換膜（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，是利用一種叫質子交換膜的技術，使氫氣在覆蓋有催化劑的質子交換膜作用下，在陽極將氫氣催化分解成為質子，這些質子通過質子交換膜到達陰極，在氫氣的分解過程中釋放出電子，電子通過負載被引出到陰極，這樣就產(chǎn)生了電能。

在陽極經(jīng)過質子交換膜和催化劑的作用，在陰極質子與氧和電子相結合產(chǎn)生水。也就是說燃料電池內部的氫與空氣中的氧進行化學反應，生成水的過程，同時產(chǎn)生了電流，也可以理解為是電解水的逆反應。

燃料電池在陽極除供應氫氣外，同時還收集氫質子（H＋），釋放電子；在陰極通過負載捕獲電子產(chǎn)生電能。質子交換膜的功能只是允許質子H＋通過，并與陰極中的氧結合產(chǎn)生水。這種水在反應過程中的溫度作用下，以水蒸氣的形式散發(fā)在空氣中（對汽車用的大功率燃料電池就要設置水的回收裝置）。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不能飲用。
根據(jù)上述燃料電池的工作原理，只要不斷地補充燃料，燃料電池就能不間斷地運行，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，目前正在改進中。

3、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。

3.1質子交換膜技術

質子交換膜技術（或者稱聚合物電解液膜技術）——簡稱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，人們都看好質子交換膜技術的氫燃料電池，雖然它還存在著儲存及安全等問題，但人們正在克服它，最終有望在3～5年實現(xiàn)可存儲在像打火機大小的容器中，充一次氫氣發(fā)電可供手機使用幾天，它將是未來便攜式電子產(chǎn)品供電系統(tǒng)的首選。

3.2直接甲醇燃料電池

直接甲醇燃料電池——簡稱DMFC（DirectMethanolFuelCell）。它是以甲醇為燃料，通過與氧結合產(chǎn)生電流的，優(yōu)點是直接使用甲醇，省去了氫的生產(chǎn)與存儲，因為，在汽車上早已使用甲醇溶液作為擋風玻璃的刮洗液了，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。

3.3直接乙醇燃料電池

直接乙醇燃料電池——簡稱DEFC（DirectEthanolFuelCell）。為避免甲醇的滲漏問題，而采用乙醇，它也是由兩個電極、燃料及電解液組成的。

總之，3種燃料電池技術各有千秋，都在為第三代（3G）移動電話的電源供電系統(tǒng)而努力工作著。

4、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，但它們都能驅動發(fā)電機工作，只要設計一種水力直流發(fā)電機，把它放入流動的河流中，在水力的驅動下發(fā)電，利用這種直流電通過電解設備去電解水，就可以得到氫和氧，然后經(jīng)過氫的檢測、提純、壓縮、存儲等技術處理，就可獲得99.999％的純凈氫。整個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)電機組，而高效電解水設備，氫氣的回收檢測，提純裝置，壓縮存儲設備等，在市場上均有成品出售。

電解水產(chǎn)生氫的設備一般在200L/kW·h，如果是一臺50kW的水力直流發(fā)電機，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的方框圖。

5、結語

燃料電池的出現(xiàn)與發(fā)展，將會給便攜式電子設備帶來一場深刻的革命，并且還會波及到汽車業(yè)，住宅，以及社會各方面的集中供電系統(tǒng)。在21世紀中它將會把人類由集中供電帶進一種分散供電的新時代。因為太陽能供電雖然能替代部分能源，但它與天氣有關，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，它是一個純正的綠色清潔能源。所以，我們要加速實現(xiàn)燃料電池的商品化進程，中國人應該在這場能源革命中有所作為，跟上全球技術發(fā)展的步伐。(end)