清洁能源不是梦:解读燃料电池的新发展
mass_lynnxy2006/04/05电气电工 IP:广西
燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置,具有效率高、污染小、不需充电、高能量密度和高功率密度等优点。随着环境和资源问题日益突出,燃料电池显示出巨大的发展潜力和市场前景,成为各国争相研究开发的高科技项目。许多企业对燃料电池的研究开发进行了大量投入,该领域的成果也是捷报频传。

意大利Acta:酒精驱动型燃料电池

在2006年1月于东京举办的“第2届国际氢?燃料电池展”上,来自意大利的Acta SpA公司展出了可用酒精燃料驱动的燃料电池。该公司燃料电池的特点在于没有使用可使质子移动的阳离子交换膜,而是使用了阴离子交换膜。

这种燃料电池由于在可燃料极中使用铁(Fe)、钴(Co)和镍(Ni),在空气极中可使用铁、钴触媒,因此无需使用价格昂贵的铂(Pt)。从功率密度来看,不使用燃料泵和风扇的被动型产品,据称达到了55mW/cm2

从最新的成果来看,通过改进电解质膜和触媒扩散层粘合剂,功率可达到现在的2倍以上。不过,由于反应性高,因此需要对空气极一侧的温度不足和粘合剂耐用性进行改进。除此之外,由于燃料极所用的镍触媒易于混入电解质膜,而使燃料极与空气极发生短路,因此必须寻找避免镍浸透的解决办法。

日立:燃料电池手机可使用笔形盒注入燃料

日立推出的内置燃料电池的手机,其特点是可以使用笔形燃料盒注入作为燃料的甲醇水溶液。笔形盒的容量约为6ml,手机的燃料盒容量为3ml,所以大约可以为手机加注2次。燃料注入不同于以压力差来注入的原燃料盒,采用了只需摁压笔尖即可渗出甲醇水溶液的构造。

燃料盒的注入口和笔尖均设计有纤维状材料,由笔尖渗出的甲醇水溶液流经这种纤维状材料并注入燃料盒。至于起火等安全性方面,该公司表示由于甲醇水溶液的浓度很低,所以即使靠近火源也不会着火。

东芝:小型燃料电池创吉尼斯记录

东芝于2004年开发的直接甲醇型燃料电池(DMFC)日前作为“全球最小的DMFC”被收录进2006年版的《吉尼斯记录大全》。这款燃料电池的外形尺寸为22mm×56mm×9.1mm,只有大拇指大小,输出功率为100mW。可利用2cc的甲醇最长驱动便携音乐播放器等小型便携设备20个小时。

除东芝外,芬兰诺基亚也曾发布过配备小型DMFC的手机耳机试制品。耳机外形尺寸大约为20mm×50mm×15mm。其中试制品的一半是蓝牙模块等,燃料电池部分可能比东芝的产品还要小。

东亚合成:新型燃料电触电解质膜可控制甲醇渗透

日本东亚合成在2006年1月发布了改进型DMFC电解质膜,通过在聚烯烃类多孔质底材中填充电解质聚合物,控制了“甲醇渗透(甲醇通过电解质膜导致DMFC性能下降的现象)”。通过对材料的改进,将质子导电度提高到了约1.5倍,连续运行时间由5000小时提高到了7000小时。

该公司将这种采用多孔质膜的电解质膜称为“细孔填充电解质膜”。据称在聚烯烃类底材中形成了亚微米级的细孔。在这种多孔质底材中先填充带有磺基的丙烯酸类单聚物并使之聚合,即可形成电解质聚合物。

聚烯烃类底材具备机械强度,丙烯酸电解质聚合物则具有离子传导性。通常情况下必须在同一种材料中提高机械强度和离子传导性,但为了提高离子传导性,而过多采用磺基的话,会导致机械强度下降,由于存在这种背反关系,因此材料设计非常困难。但这种“细孔填充电解质膜”在材料设计上通过由两种材料来分担相应的功能,不仅提高了离子传导性,同时还可提高机械强度。

对于DMFC来说,降低甲醇渗透已经成为一个重要课题,而“细孔填充电解质膜”的另一个特点就是起到了降低甲醇渗透的作用。在电解质膜中,在有水环境中磺基经过离子化会形成离子团,从而就会形成氢离子通过的通道(离子通道)。一旦供应DMFC燃料甲醇水溶液,就会使电解质聚合物发生膨胀,从而就致使离子通道扩大,甲醇水溶液更易于流动,最终导致甲醇渗透现象益发显著。假如在材料设计上能够避免使多孔质底材发生膨胀,即使电解质膜发生膨胀,也能控制体积的膨胀,从而就能减轻甲醇渗透。

三星:新型燃料电池可为笔记本供电15小时

三星SDI公司日前开发出一款用于笔记本电脑的燃料电池原型,连续使用时间是目前其它同类产品的2倍。三星SDI介绍说,这款燃料电池能量密度为200Wh/L。大约由200立方厘米的液态甲醇供能,能持续工作约15小时。这与东芝或NEC公司的能量密度为100~130Wh/L的笔记本电脑燃料电池相比,持续使用时间更长。

三星SDI研发中心的Yoon Seok-yeol表示:“这项新技术从液态甲醇中分解出氢,获得大约20瓦的平均功率输出,最高输出功率可达50瓦。”这款燃料电池尺寸为8.2×23×5.3cm,重量小于1kg。三星SDI称,它比其竞争对手的产品更加小巧和紧凑。

燃料电池汽车:地板下面配备燃料电池组及燃料罐

在近期举行的“第39届东京车展”上,丰田汽车、本田及戴姆勒?克莱斯勒等多家厂商展出了燃料电池概念车。各公司均开发了在地板下面配备燃料电池组及燃料罐的燃料电池专用车身,目标是在2012~2015年全面上市燃料电池车。此次展出的本田“FCX CONCEPT”、丰田“Fine-X”及戴姆勒 克莱斯勒“F600HYGENIUS”等概念车已将燃料罐及燃料电池组配备在了地板下面。

燃料电池方面的课题是,提高燃料罐的贮氢量以及降低成本。丰田及本田今后将在保持现有燃料罐体积的同时,力求贮氢量达到5kg。业内人士表示,这样一来,在2015年之前,燃料电池车的Tank-To-Wheels(一桶油能供应的车辆数)的效率便可从目前的52%提高至60%,从而就可将行驶距离从目前的350km增加至2倍,达到700km。

燃料罐方面,各公司均设想采用高压罐与贮氢材料相结合的燃料罐。丰田目前通过70MPa高压罐与氢吸藏合金配合使用,发布了可贮藏7.3kg氢燃料的贮氢罐,不过,由于氢吸藏合金很重,所以导致燃料罐的过重,达到了400kg。因此,该公司打算将氢吸藏合金的吸藏效率提高到目前的2倍,并“将燃料罐的重量减少一半”。另外,戴姆勒 克莱斯勒F600HYGENIUS的燃料罐使用了2个70MPa的高压罐,可贮藏4kg的氢燃料。

低成本化方面,以燃料电池组电解质膜、隔板及催化剂的Pt(铂)为首,燃料罐的CFRP(碳纤维强化树脂)等的价格较高,为了降低材料单价,计划改进材料置换方法及生产方法。丰田表示,该公司已经开发出了可将Pt大约削减至原来1/10的燃料电池单元,今后还将进行检测,验证在作为车用燃料电池组形成模块时是否能够确保性能。

作为一种新的清洁能源,燃料电池的商业化仍有待市场考验。聪明的市场定位将是推动燃料电池产业发展,以及创造增长基础的最有效途径。首先应专注于对燃料电池需求最大并可能通过采用燃料电池而获得最大收益的市场领域及应用领域。目前,采用燃料电池的笔记本电脑已相继现身,根据ABI Research发布的报告,燃料电池在2012年将成为全球笔记本电脑15%的供电来源。而用作充电器或为手机、PDA的电池提供能量时,微型燃料电池大有可为,已经在2004年面世。但真正的赢家将是成功地把燃料电池整合进产品内部的厂商。为了实现这个目标,需要通过创造性的技术创新来提高性能和缩小尺寸和成本。此外,全球40家主要汽车制造商中已有25家投入大量人力物力致力于燃料电池汽车研发。毋庸置疑,燃料电池技术的发展势必对未来经济、社会和环境的可持续发展带来重大和积极的影响。

来自:电气工程 / 电气电工
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