據(jù)專家分析預(yù)測(cè),一種小巧的燃料電池（Smart Fuel Cell）將在2005年開始商品化。屆時(shí),筆記本電腦、IMT-2000手機(jī)和PDA等便攜式網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備,將由小巧的燃料電池供電,用戶將省掉為蓄電池充電或更換新干電池的麻煩。與其說這是一種小巧的燃料電池,倒不如說這是一臺(tái)小型發(fā)電機(jī),它所用的燃料在街上將隨處可以買到。這樣一來,在便攜式設(shè)備里占居統(tǒng)治地位的鋰離子蓄電池將黯然失色。
小巧燃料電池的出現(xiàn),將會(huì)引起便攜式電子設(shè)備用電池的變革。一石激起千層浪,也將波及至汽車、住宅乃至社會(huì)供電系統(tǒng)的改變。于是,城市里街道兩邊的架在高空的送電線將逐漸消失,只需在利用電力的現(xiàn)場(chǎng)就近發(fā)電即可。在21世紀(jì)里,人們將迎來分散供電的新時(shí)代。鑒于此情,本文扼要地介紹燃料電池的普通常識(shí),謹(jǐn)供參考。
什么是燃料電池？
燃料電池,顧名思義,它是一種以燃燒特定的燃料而進(jìn)行發(fā)電的裝置。它和普通干電池不同,不需要更換新電池;它也有別于常用的蓄電池,不必進(jìn)行再充電。在燃料電池里,只需要從外界不斷地供應(yīng)氫（H2）或甲醇等燃料,便可以持續(xù)地提供電能。也就是說,燃料中的氫氣在燃料電池內(nèi)部與空氣中的氧氣（O2）進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)后,在生成水的同時(shí)也產(chǎn)生出電流。其工作原理是電解水的逆向反應(yīng),當(dāng)進(jìn)行反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的電流可引出加以利用。在燃料電池中,燃料電極供應(yīng)氫氣的過程中同時(shí)收集氫離子（H+）釋放的電子;空氣電極提供氧氣,同時(shí)通過負(fù)載電路捕獲電子;兩電極之間設(shè)有電解質(zhì)膜（固體離分子膜）,它只允許質(zhì)子（H+）穿過,并同空氣電極的氧化合生成水;在燃料電極和空氣電極的另一面上分別設(shè)置有隔板,而隔板上分別有供應(yīng)H2和O2的溝渠和排出H2O的水溝。每一塊燃料電池的輸出端電壓為0.7V,多塊燃料電池層疊后可構(gòu)成燃料電池系統(tǒng)。
燃料電池反應(yīng)時(shí)生成的水如何處理？
在面向便攜式設(shè)備應(yīng)用的小巧燃料電池里,化學(xué)反應(yīng)生成的水量是極其有限的,通常都變成水蒸氣蒸發(fā)到周圍的空氣里。然而,對(duì)于像汽車或是家庭住宅里的燃料電池系統(tǒng),將能產(chǎn)生一定量的水,需備有回收水的容器。如若是利用氫氣的燃料電池,經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)生成的水是可以飲用的。例如,美國(guó)Apollo宇宙飛船里裝備的燃料電池生成的水,就已作為宇航員的飲用水。但是,值得注意的是,當(dāng)利用甲醇水溶液作為燃料時(shí),通過電解質(zhì)膜殘存微量的甲醇,有可能生成甲醛,所以生成的水是對(duì)人體有害的。
燃料電池是何時(shí)發(fā)明的,其研究與開發(fā)進(jìn)展如何？
燃料電池是英國(guó)人W.Grove于1939年發(fā)明的。真正實(shí)用水平的燃料電池,是1960年在美國(guó)首先用于宇宙飛船。燃料電池也是個(gè)大家族,根據(jù)電解質(zhì)膜的種類和工作溫度,大體上可劃分為磷酸型、熔融碳酸鹽型、固體電解質(zhì)型和固體高分子型共四大類。其中,如今最引人矚目的是固體高分子型燃料電池。加拿大的Ballard Power Systems Inc.于1997年展示出固體高分子型燃料電池高輸出電力的可能性,以此為契機(jī)日美歐都積極投入燃料電池的研究與開發(fā)。
世界各國(guó)的燃料電池研究者認(rèn)為,進(jìn)入便攜式電子設(shè)備領(lǐng)域的難度較低,在不久的將來就會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的新產(chǎn)品;從2005年開始,燃料電池將要漸漸地進(jìn)入汽車動(dòng)力系統(tǒng),以及家庭住宅的供電系統(tǒng)。
燃料電池的價(jià)格用戶能夠承受嗎？
從目前的試制樣品看,燃料電池的價(jià)格確實(shí)很高。例如,一臺(tái)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)需要幾十千瓦的燃料電池,其制造成本高達(dá)數(shù)千萬日元。作為燃料電池開發(fā)商,當(dāng)務(wù)之急是降低其結(jié)構(gòu)材料的成本。例如,電解質(zhì)膜的成本,目前是5萬日元/m2,奮斗目標(biāo)是削減到5000日元/m2。
面向便攜式電子設(shè)備的燃料電池并不需要很大的輸出電力,通常僅要求幾瓦或數(shù)十瓦,由于燃料電池系統(tǒng)自身規(guī)模不大,僅使用很少的結(jié)構(gòu)材料,所用的燃料也有限。例如,以現(xiàn)行蓄電池產(chǎn)品的成本,就可以生產(chǎn)小巧燃料電池。便攜式電子設(shè)備一旦使用小巧燃料電池,注入一次燃料可長(zhǎng)時(shí)間供電,將極大地方便筆記本電腦和IMT-2001手機(jī)等的用戶。因此,現(xiàn)在日本許多電子產(chǎn)品制造商都在試制小巧燃料電池產(chǎn)品,試圖以此取代鋰離子蓄電池等產(chǎn)品。
燃料電池的重量、壽命以及安全性等究竟如何？
關(guān)于燃料電池的結(jié)構(gòu)前文已提及,其電解質(zhì)膜厚僅為幾十微米,電極以碳為主要成分,重量很輕。整個(gè)燃料電池的重量取決于貯藏燃料的容器,像面向便攜式電子設(shè)備的產(chǎn)品,其總重量一般約為100克左右。
從燃料電池的原理上分析,只要能夠持續(xù)地補(bǔ)給足夠的燃料,就能連續(xù)運(yùn)行。例如, Motorola公司試制的移動(dòng)電話手機(jī)利用小巧燃料電池供電,燃料補(bǔ)給方式是以筆桿狀小管（盛有燃料）的形式更換,維持電池連續(xù)運(yùn)行。但是,隨著盛有燃料的小管更換次數(shù)的增長(zhǎng),發(fā)現(xiàn)燃料電池的反應(yīng)性能逐漸降低。據(jù)分析這是電極里起催化劑作用的白金（Pt）性能劣化（Pt粒子凝聚）所致,Pt劣化的速度將左右燃料電池的壽命。
關(guān)于燃料電池的安全性,至今尚未發(fā)現(xiàn)問題。
�。ㄙZ明 編譯）
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