燃料电池电话
采用燃料电池的便携能源连步向前发展
Steven Ashlev
微型燃料电池正被吹嘘为最热门的未来便携能源。它们比蓄电池更强力,而且产生的副产物只有水。虽然这场微型电源的革命不大可能在2005年前发生,但研究者希望开发出应用于第三代移动电话,笔记本电脑,个人数字助理(PDA)以及其它便携电子产品的微型燃料电池。燃料电池的研究者之一、《国际电源杂志》的编辑Christopher Dyer报道:“潜在的军方用户和普通消费者声称:他们希望微型燃料电池能在今后5年内打入蓄电池现在所占踞的市场。如果取得关键性突破,那么三年内就会实现此目标。但原型的微型燃料电池仍未研制出来。
燃料电池类似于蓄电池,相当简单。它们都是化学发电装置,都依靠由电解质连接起来的两个电极(一个阳极一个阴极)。然而,燃料电池是靠氢或碳氢化合物的化学反应产生电流,而不是靠固体电极反应产生电流。
燃料电池的特点是采用了特殊的聚合物或导电液体电解质,正离子可以穿行其中而电子则被挡住。大多数微型燃料电池都依赖于被称为“质子交换膜”(PEM)的固体电解质来分离电荷。
要实现便携燃料电池,最困难之处在于找到释放能量的最佳方法。仅仅缩小燃料电池的尺寸是不够的,Dyer说:“如果缩小燃料电池的尺寸,工程设计就面临多方面的挑战,很难找到个均衡点,既能提供充足的电力,又要在缩小尺寸后使用方便,还要考虑其价格。”
电能储量并非问题,实际上,1千克氢燃料可释放出l到23度电,而现在最好的锂电池也只在0.175到0.3度电,但如今的微型燃料电池样品只达到0.1度电。
虽然一些研发人员使用罐装氢燃料,但大多数设计人员都已选择了甲醇这种廉价的通用燃料。把甲醇分解成氢离子的化学过程比较缓慢,因此输出的能量有限。宾夕法尼亚州立大学电子化学发动机中心主任Chao-Yang Wang说,铂和钌通常在反应中作为催化剂,但这些元素价格不菲,所以应尽量少用。其它问题还包括燃料漏过质子交换膜、过多的热量积聚、水分的保持、以及质子交换膜被甲醇腐蚀。为避免PEM被降解,多数设计者都将甲醇稀释于水(使其浓度低于5%),因此产生的能量减少。许多设计者正致力于制造更坚固的质子交换膜,例如纽约Manhattan Scientifics公司的Robert Hockaday声称其组织已拥有专利技术,能使电池使用浓度达50%的甲醇燃料。
最后的主要设计障碍在于使微型燃料电池的制造成本低廉。Manhattan Scientifits、纽约奥尔巴尼的Mechenical Technology、摩托罗拉和洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究者正把微芯片制造技术应用于他们的设计——这是获得低成本、高容量产品的途径,尽管这些类似集成电路的电池只能产生微量电力。
以色列Medis Technologies公司采用了完全不同的设计途径该公司总经理Zvi Rehavi说,该公司的燃料电池采用了一种可避开质子交换膜缺陷的电解液。它也依赖于催化剂,催化剂中包含极细的导电聚合物粒状粉末,从而减少贵重的铂族金属的用量,Medis公司与Sagem Group(一家法国移动电话制造公司)定下协议,正在建造一个可年产5000万套微型燃料电池的小型中试厂。
Medis电池也可使用乙醇作为燃料,这是一项对旅行者很有用的功能。Rehavi说:“我可以从旅馆的酒吧拿一瓶上等伏特加,倒一些到燃料筒里,再将燃料简放入燃料电池。”估计廉价的伏特加也能用。
需知常识:持续电力
虽然微型燃料电池可能比蓄电池贵,但它们能用得非常久。燃料电池可再补充几十万次也不会退化,而蓄电池通常只能充电数百次。
循环旅程
在燃料电池内,氢燃料原子在阳极失去电子后,留下带正电荷的离子。当电子流经外部电路驱动负载时,带正电荷的氧离子穿过电解质到达阴极,在那里这些带电粒子与空气中的氧结合,并产生燃料电池的唯一废弃物——水。
【余扬/译 向俊/校】
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