化学中燃料电池的工作原理是什么？

【专家解说】：燃料电池的基本工作原理 我们在准备长途旅行之前，总是不会忘记检查是否随身携带了信用卡或者钱包，当然还有手机或者笔记本电脑的备用电池和充电器，它们的重要性伴随着人们对手机和笔记本电脑的依赖日益彰显。其症结所在就是电池的有限的工作时间，目前便携式电子产品使用的锂离子电池已经无法应付长时间操作的需求。一块手机普通的锂电池只能维持几天时间，笔记本电脑的电池也就几个小时。而随着无线技术和音视频功能越来越受欢迎，对电池的工作时间的要求与日俱增，传统二次电池(包括锂电池和镍电池)已经成为瓶颈，桎梏了便携式产品向更丰富功能的方向发展。 　　与传统二次电池相比，燃料电池的能量至少要高10倍。一个锂离子电池能提供300 Whr/L的电量密度，而甲醇燃料电池的电量密度却高达4800 Whr/L，10ml的甲醇可以保证13.5小时的通话时间或者642小时的待机时间。因此，东芝、IBM、NEC等许多国际著名的电子公司都倾注精力和财力研究燃料电池，目前世界前十大营收企业，除Walmart外，均有投资氢能或燃料电池产业。 专攻便携式应用的DMFC　 　 　　理论上，燃料电池(Fuel Cell)并不是电池，只是把燃料(例如氢气)和氧化剂通过电极反应直接生成电流的装置，由于它的生成物是水，因而具有相当的环保优势。燃料电池的典型结构就是层迭电池单元的堆栈(Stack)，一个堆栈可以包含多个单独的燃料单元(图1)。而每个单元的基本结构与电解水装置相类似，包含2个正负电极(阳极和阴极)，电解质以及催化剂。阳极为氢电极，阴极为氧电极，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，目的是用来加速电极上发生的电化学反应。以氢氧反应为例，在阴极催化剂的作用下，一个氢分子分解成2个氢离子，同时释放出2个电子，由于阻隔膜对电子的过滤作用，电子无法通过电解质只能绕行，从而形成电流。而氢离子可以顺利通过电解质达到阴极和空气中的氧原子反应生成水(图2)。 　 　 图1 燃料电池的基本结构 　 图2 燃料电池的基本工作原理　 　　从工作原理不难看出，催化剂、电极、隔膜和电解质是燃料电池的主要材料。各种燃料电池工作原理基本相似，其分类是由电解质的材料决定的。目前广泛研发的燃料电池有质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸盐型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)等。另外，由于工作温度和发电功率的不同(表1)，燃料电池的应用领域也可以分为四种：便携式电子产品，包括笔记型计算机、数字相机、手机、PDA等；住宅发电，既是住宅或备用电源；运输交通工具，汽车、巴士等；大型发电大楼发电、小型及大型发电厂。　 　　其中，PEMFC因其不经过燃烧直接以电化学反应连续地把燃料和氧化剂中的化学能直接转换成电能，具有能量转换效率高(一般都在40%~60%，而内燃机仅为18%~24%)的优点，成为应用非常广泛的技术，尤其是在汽车用燃料方面，PEMFC的应用接近该市场的100%。　 　　另外颇受关注的是DMFC，它同属于PEMFC，都是采用聚合物阻隔膜，但是DMFC以液态甲醇为燃料，与氢燃料电池相比，DMFC在电池系统构造、燃料来源等诸多方面均有一定的优势。其阳极催化剂可以直接从液态甲醇中提取氢分子无需燃料重组器(Reformer)，所以高纯度甲醇可以直接用作电池的燃料。同时还能有效减少电池的尺寸，简化系统结构，因而更适合作为便携式电源用于民用工业和军事工业中，如可用于电动汽车、电动自行车、移动电话、笔记本电脑中。 　　和目前的二次电池相比，DMFC具备燃料电池的一贯优势。DMFC的理论功率密度是4780 Whr/L，远高于镍氢的200 Whr/L、锂离子的310 Whr/L ，因而可以支持更长的工作时间。另外有别于二次电池蓄电/放电的工作机制，燃料电池可以说是能源转换器，只要将燃料持续供应即可源源不绝的持续产生电力，不会有电力中断或更换电池的考虑。并且DMFC公司也在考虑通过混合电源的方式逐步让人们接受燃料电池，这种方式混合动力汽车中已经得到积极的验证。混合电源是将燃料电池和储能装置(如超级电容或电池)组合，燃料电池将提供恒定的功率，而靠电容或电池来满足峰值功率方面的要求。　 　　燃料电池的产业链包括材料、组件、子系统和系统四部分，多数著名的电子消费品公司都在从事DMFC燃料电池系统的研究，以便保证自己的电子产品在未来的竞争力，例如日本的三洋、索尼、东芝和富士通韩国的三星和LG，中国的比亚迪。也有一些专门从事系统开发的公司，包括美国的MTI Micro Fuel Cells、Angstrom Power、我国台湾的Antig公司、摩托罗拉投资的加拿大Tekion Inc公司等等。这类公司大都通过和大型电子公司合作的方式共同开发，像MTI Micro就和韩国三星结成独家联盟，MTI Micro将利用名为“Mobion”的DMFC技术为三星的手机业务开发下一代燃料电池原型。 　 表1 各种燃料电池的性能比较　 资料来源：Fuelcelltoday.com　 　 　　在产业链的上流是专门从事电解质膜这类材料开发的公司，像著名的杜邦公司和英特尔投资的PolyFuel公司等等。在整个产业链的努力下，燃料电池正在从军用和航空等专业领域快步进入商业化规模应用的阶段。北美、日本、欧洲和我国台湾地区已经走在前列，我国在燃料电池领域研究和开发虽然取得了一定进展，但是与上述国家和地区相比，在研发投入力度、技术研究深度等方面都存在着差距。这一问题已经引起了我国的重视，现在它已是能源、电力行业最为重视课题之一，同时也是国家政策扶持的新兴能源行业。 DMFC亟需突破的障碍　 　　DMFC 的核心部件是由阴、阳电极和高分子电解质膜热压而成的层叠电池单元(Stack),其厚度不过1mm 。这样可以使电极中的催化剂尽可能跟质子交换膜有效地接触，以提高转换效率和并减小电池的体积。质子交换膜在其中起着隔离甲醇与氧气，防止它们直接发生反应以及交换质子和绝缘电子的作用，是一种选择透过性的聚合物膜,于电池中强酸强氧化性等苛刻环境下工作，所以需要极高的耐腐蚀性，另外，还要求具有电动性和热传导性等，材料特性要求很严格。 　　高分子电解质膜多年来一直是困扰DMFC发展的一大难题。氢离子需要由水的携带穿过分隔阴阳极的高分子膜，然而过程中甲醇容易伴随，因为甲醇和水有相似的特性。目前，研究人员正在从2种不同的角度尝试解决这一难题。一是控制甲醇浓度，或增加隔离甲醇与高分子膜之触媒隔离层。另一种方法，是依靠能减少甲醇和水互混的电解质膜，有几家公司都已开发出这类产品。没有人认为会存在一种能完全隔离甲醇的薄膜。而且在一些设计里，轻微的甲醇混溶是有益的，甲醇在阴极发生氧化，并发出少量的热，可以提高整个燃料电池的反应速率。2002年，以色列特拉维夫大学首先开发成功了甲醇直接方式的手机燃料电池。采用的电解质膜不同于的美国杜邦公司生产的“Nafion”，后者由碳氟化合物构成，前者主要是由聚偏二氟乙 (PVDF)和二氧化硅构成，把甲醇的穿透率降低到一位数。而美国的PolyFuel公司利用碳氢化合物制作的新一代的电解质膜，把甲醇穿透率控制在具有代表性的氟类电解质膜—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表示电解质膜功率密度的提高可以减小电池单元的体积。此外PolyFuel 20mm还通过提高空气极产生的水向燃料极的逆扩散(Water Back Diffusion)减小系统的尺寸和复杂度。 　　 　 富士通采用DFMC作燃料电池的笔记本电脑　 图片来源：Fuelcelltoday.com　 　　另外从表1的对比可以看出，DMFC的功率密度是几中技术中最低的一种。这是因为内部甲醇重组产氢无可避免地使原有燃料电池电力因内部消耗(Over Potential)而衰减其输出功率，例如PEMFC的功率密度可达250~1000mW/cm2(因燃料成分与操作条件而异)，DMFC的功率密度却只有25~100mW/cm2左右，两者相差近达10倍，因此功耗越大的移动应用(例如：笔记本电脑)对DMFC越不利。 　　 　 日立的PDA和使用的燃料电池　 图片来源：Fuelcelltoday.com　 　 　　甲醇的使用面临另一个障碍是安全方面的法规。目前，甲醇仍然被禁止带上商业航班，因为没有任何组织或者标准对对旅客携带甲醇进行管理。但是2005年国际民航组织已经提出取消禁止旅客携带甲醇登机的规定。最近，MTI Micro的CEO Peng Lim向记者透露国际民航组织已经同意取消这一规定，并且美国交通部计划在明年1月开始执行。Peng Lim表示一旦解禁，燃料电池的优势将在长途旅行中得到完全体现。同时，消费者也无需担心燃料盒(Cartridge)的安全，因为燃料盒的设计和制作需要通过国际组织的认证。 　结语　 　　 　　和CDMA,GPS这些受到欢迎的技术一样，燃料电池同样经历了由军用或者航空转向民用的过程，并且燃料电池的发展历程已经超过100年，在技术和安全方面已经得到验证。现在研究人员需要考虑的是，如何让它顺利地走进人们的日常生活中。大多数从事燃料电池研发的公司都认为便携式消费电子是一个绝佳的突破口。