燃料电池-手机和新型移动电器的新能源
手机用户经常有这样的烦恼,在打电话过程中突然发现没电了!这种烦恼也许过不了多久就可解决了,因为一种新的手机电池-燃料电池(Fuel cell)即将面向市场。这种电池通话时间超过13小时,待机更可达1个月,并且不用充电,只要花几秒钟换燃料即可。当然,这种电池并非新东西,早在1960年就有研究。它是将甲醇、氢、甲烷等物质发生氧化反应所产生的化学能通过电化学反应直接转化成电能。由于甲醇燃料来源丰富、价格便宜、便于携带与储存,整个电池结构简单、体积小、方便灵活,工作时间只取决于燃料携带量而不受限于电池的额定容量,可实现零排放或低排放,近年来倍受产业界的青睐。该电池不仅可用手机,亦可用于笔记本电脑、摄像机等小型民用可移动电源、传感器件,甚至是军用单兵种作战电源等,应用前景十分广阔。但在市场化过程中一直各种各样的技术问题。经过几十年的努力,该技术已逐渐成熟,各国现正在进行产业化的冲刺。
1 燃料电池的种类和甲醇燃料电池的特点
燃料电池通常分为五类, 即碱性燃料电池(A FC)、磷酸盐燃料电池(PA FC)、熔融磷酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(FO FC) 和聚合物电解质燃料电池(PEM FC) 等。其中前四类燃料电池工作温度相对较高, 使其应用受到限制。而PEM FC 则具有: 系统可大可小, 应用广泛;能量效率和能量密度高;低温启动、安全可靠, 不使用腐蚀性电解液或高温融盐;开发投入小的特点而受到重视。聚合物电解质燃料电池通常以甲醇为燃料, 故也称直接甲醇燃料电池。 聚合物电解质燃料电池亦称为质子交换膜(PEM ) 燃料电池, 最初是美国通用电气公司于1960年以空间应用为目的而研制的。由于初期研制的PEM电池内阻较大, 功率不高, 特别是质子交换膜(聚苯乙烯磺酸膜) 不能承耐强烈的电氧化还原作用而影响电池寿命, 因此, 美国宇航局试用后没有选中。直到1983 年加拿大国防部与国家研究委员会确认, PEM电池可以满足特殊的军事要求并有良好的商业前景, 于1984 年委托巴拉德能源公司对该电池进行开发研制, PEM电池的研究工作再度受到重视。美国、日本、意大利、俄罗斯、比利时等国家先后成立专门机构研究开发PEM电池。随着杜邦公司Nafion 膜的改进和Dow 化学公司Dow 膜的成功, 各类PEM 演示电池陆续问世, PEM 电池研究取得了重大进展。催化剂铂载量从10 mg·cm-2 降至0.4mg·cm-2 以下, 功率从0.1W·cm-2升至2~ 6W·cm-2, 电池组电极面积可达500~1200 cm2, 功率达5~10 kW , 其优势明显上升, 在很多方面已优于碱性燃料电池。
2 甲醇燃料电池的结构和反应
PEM 电池由阳极和阴极组成, 从阳极到阴极共有七部分, 即(1) 燃料气进出通道和阳极气室, (2) 阳极扩散层, (3) 阳极催化层, (4) 质子交换膜, (5) 阴极催化层, (6) 阴极扩散层, (7) 阴极气室和氧气进出通道。其中催化剂层是将铂载荷于某种细小支持体上压制而成, 扩散层是将催化剂与粘合剂、离子聚合物溶液等调和后涂覆浇注或碾压而成。 电极反应为: 阳极: CH3OH + H2O —→CO2 + 6H+ + 6e- 阴极: O2 + 4H+ + 4e- —→ 2H2O 电池反应: 2CH3OH+ 3O2 —→ 2CO2 + 4H2O
3. 燃料电池的研究进展
2002年,以色列特拉维夫大学(Tel Aviv Univ.)首先开发成功了甲醇直接方式的手机燃料电池。装到手机上使用时,10ml的甲醇可以实现13.5小时的通话时间和642小时的待机时间。其关键技术在于电解质膜。使用这种电解质膜,首先大幅减少了以往电解质膜中存在的穿透问题。从电流密度来看,与一般情况下经常使用的美国杜邦公司生产的电解质膜“Nafion”相比,穿透率仅为一位数。使用的材料也不同于Nafion。Nafion是由全氟化碳磺酸(perfluoro-carbon sulfonic acid)构成,而这种电解质膜主要是由聚偏二氟乙 (PVDF)和二氧化硅构成。生产成本方面也要比Nafion低。Nafion的成本为780美元/m2,而该大学开发的电解质膜仅为4美元/m2左右,这为燃料电池的实用化创造了条件。
2003年日本东芝公司宣布开发出一种可用于手机和小型信息终端的燃料电池,这种电池的大小像手掌一样,输出的电能却是现在手机用锂电池的6倍。这种燃料电池长10厘米,宽6厘米,厚3厘米,重130克,发电用原料为高浓度甲醇,功率为1瓦,可发电20小时。他们计划把燃料电池的功率提高到2瓦,同时把型号变得再小一点,2005年作为手机、便携信息终端(PDA)和数码相机的电池推向市场。全球最大的电子产品制造商索尼公司也在研制一种燃料电池,这种电池利用碳分子之间的化学反应产生电能,可以在温度极低的条件下使用。同时,日本国内最大的手机制造商NEC公司也在研制一种使用甲醇和纳米技术的燃料电池,该公司表示这种电池的电能储量将是普通锂电池的10倍,这意味着使用现有型号手机的用户在一个月内无需对手机进行充电,或者持续24小时使用笔记本电脑。 美国摩托罗拉及Los Alamos国家实验室的研究人员正把低成本、高产量的芯片制造技术,应用在微型燃料电池设计上,但这些像芯片般的的电池,只能产生微量的电力。美国总统布什2003年2月6日在华盛顿的国立建筑博物馆的活动中,以使用甲醇燃料电池的手机讲电话。美国希望在2015年前研发在商业上可行的车用氢燃料电池。 我国的大连化学物理研究所于1999年与安徽天成电器有限责任公司成立了直接甲醇联合实验室,2001年与福建南平南孚电池有限公司签订了为期四年的合作计划共同开发燃料电池。目前该所在燃料电池关键材料与关键技术方面均取得了长足的进展。自行研制的铂基电催化剂在单电池性能方面均优于美国E-TEK公司和英国Johnson Matthey公司的同类催化剂。通过对电极结构、组份、水热管理等优化,单电池的性能在400mV时电流密度可达 400mA·cm-2,最高功率密度达到190mW·cm-2,接近国际先进水平。在电池系统研究方面,成功地组装出了twin-cell 电池组、以石墨板为双极板的15W 电池组、以不锈钢为双极板的20W电池组电池组、以金属复合板双极板的 100W 电池组和室温、空气、集成式、微型DMFC电池组。其中,大连化物所自行研制开发的复合双极板的电导率高达120 S·cm-1, 成本远低于石墨双极板,具有良好的应用前景。新型阻醇电解质膜的研究也取得了可喜进展。
1.
容量较低的镍镉和镍氢电池
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