▌燃料電池的產(chǎn)生與原理

 

燃料電池目前已經(jīng)在多個領(lǐng)域都進(jìn)行了應(yīng)用嘗試，雖然說法上是一種“新型電池”，其實它的出現(xiàn)并不新，早在1839年，英國物理學(xué)家威廉·格羅夫就制作了世界上第一個燃料電池。上世紀(jì)60年代，燃料電池就在太空探索領(lǐng)域發(fā)揮了一定作用。

 

雖名為“燃料電池”，但其產(chǎn)生電量的方式并不是像內(nèi)燃機(jī)一樣使燃料燃燒產(chǎn)生能量，而是在電池內(nèi)部讓燃料與氧或其他催化劑進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，從而把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。其中最常見的燃料為氫，除了氫以外，一些碳?xì)浠衔锢缣烊粴?、醇、和甲烷等有時也會作燃料使用。

 

雖然燃料不同，但大部分燃料電池的工作原理和工作模式都差不多。

 

燃料電池內(nèi)部主要由三個相鄰區(qū)段組成：陽極、電解質(zhì)和陰極。兩個化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在三個不同區(qū)段的界面之間。用初中生的化學(xué)語言來簡單描述燃料電池的工作原理，就是消耗燃料與氧發(fā)生反應(yīng)，最終產(chǎn)生水、二氧化碳等以及電能。

 

 

 

燃料電池原理圖

 

在陽極上，通常需要用催化劑將燃料氧化，使燃料變成一個正電荷的離子和一個負(fù)電荷的電子。然后通過經(jīng)特殊處理的電解質(zhì)溶液或特殊的膜將電子和離子隔離，讓離子通過電解質(zhì)，阻隔電子，接著讓被釋放的電子穿過一條電線，因而產(chǎn)生電流。離子通過電解液前往陰極。一旦達(dá)到陰極，離子與電子團(tuán)聚，并且與氧氣反應(yīng)，從而產(chǎn)生水或二氧化碳。

 

▌燃料電池的分類和應(yīng)用

 

目前主流的燃料電池按電解質(zhì)種類可分為主要為以下五種：堿性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）。除此外還有一些類似于再生氫氧燃料電池(RFC)、直接醇類燃料電池（DMFC）等不常見的燃料電池。

 

 

 

燃料電池大致分類

 

根據(jù)業(yè)內(nèi)人士介紹，現(xiàn)在市面上最有發(fā)展前景的兩種就是質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）和熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）。目前應(yīng)用最多的就是質(zhì)子交換膜的電池，這種電池需要石墨烯作為介質(zhì)膜，然后用經(jīng)過納米技術(shù)處理的鉑金等貴金屬做催化劑，從而制成一個反應(yīng)片，每個反應(yīng)片能夠產(chǎn)生0.7~0.9V的電壓，如果想使用大功率，只需把反應(yīng)片組合起來變成一個增壓后的氫燃料電堆即可。其中質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）工作溫度為100℃以內(nèi)，功率輸出比較低，最適合用于消費(fèi)級的電池需求，從電動汽車、無人機(jī)甚至于電腦、手機(jī)等，都可能實現(xiàn)使用質(zhì)子膜燃料電池來進(jìn)行供電。

 

此外，很多業(yè)內(nèi)人士也重點提到了熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC），因為MCFC結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因為它們的運(yùn)行溫度高導(dǎo)致啟動時間緩慢，這使MCFC系統(tǒng)不適合移動應(yīng)用，比較合適定位于固定式燃料電池，由于其功率輸出也很高，所以更適合作為發(fā)電系統(tǒng)來使用。 

 

▌燃料電池的優(yōu)劣勢

 

優(yōu)勢

 

氫燃料電池優(yōu)勢十分突出，這也就是為什么很多從業(yè)者對其未來的發(fā)展持樂觀態(tài)度：

 

氫燃料電池可以不間斷的提供穩(wěn)定電力，直至燃料耗盡，并且在燃料耗盡之后，能夠快速補(bǔ)充燃料，再次進(jìn)行供電，能有效提升作業(yè)的效率。

 

相對鋰電池來說，氫燃料電池更能適應(yīng)環(huán)境，在環(huán)境溫度非常低的情況下不會出現(xiàn)鋰電池那種斷電的情況。

 

壽命長，一般氫燃料電池都比鋰電池的使用壽命長幾十倍。

 

氫燃料電池非常的環(huán)保，其消耗氫燃料產(chǎn)生的排放物只是水或二氧化碳等物質(zhì)，并且待電池報廢后，其中的膜和催化劑等材料都是可回收再利用的。

 

劣勢

 

雖然有強(qiáng)于其他動力源的很多優(yōu)勢，但氫燃料電池的劣勢也非常明顯：

 

成本太高。據(jù)業(yè)內(nèi)人士介紹，制作質(zhì)子膜電池中膜的材料為石墨烯，目前市面上石墨烯的成本要近1000美金1克，另外催化劑需要用一些稀有的貴金屬，這些金屬本身的價值高昂不說，還需要做納米技術(shù)處理，這就更加提升了成本。

 

氫燃料源不易取得，目前加氫站的發(fā)展還處于萌芽階段，雖然現(xiàn)在市面上也有很多能夠買到氫氣的渠道，但是往氫燃料電池中加料需要一種特殊的加壓設(shè)備，這種設(shè)備也并不是很普及。

 

另外，燃料的運(yùn)送需要的標(biāo)準(zhǔn)也很高，不便于消費(fèi)者移動和攜帶。

 

氫燃料電池的安全性也飽受業(yè)內(nèi)人士質(zhì)疑，由于氫的易燃易爆性，加之氫燃料電池工作是會產(chǎn)生的溫度也過高，更增加了其發(fā)生事故的幾率。

 

 綜合來看，目前氫燃料電池的發(fā)展并不是很成熟，記者咨詢了很多無人機(jī)的從業(yè)者，雖然其中很多人都承認(rèn)氫燃料電池是趨勢，但就目前來說，他們對其還是報一定的悲觀態(tài)度，認(rèn)為還不適合作為無人機(jī)的動力。當(dāng)然也不乏一些對氫燃料電池信心十足的從業(yè)者覺得，氫燃料電池的缺點瑕不掩瑜，很快就能發(fā)展成熟。