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“燃料”和“電池”

發(fā)布時(shí)間:2009年8月31日 來(lái)源:江蘇華源氫能科技發(fā)展有限公司

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為了了解它的價(jià)值,讓我們分別研究一下“燃料”和“電池”這兩個(gè)詞。
 

 

  為了利用煤或者石油這樣的燃料來(lái)發(fā)電,必須先燃燒煤或者石油。它們?nèi)紵龝r(shí)產(chǎn)生的能量可以對(duì)水加熱而使之變成蒸汽,蒸汽則可以用來(lái)使渦輪發(fā)電機(jī)在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)。這樣就產(chǎn)生了電流。換句話說(shuō),我們是把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽缓蟀褵崮苻D(zhuǎn)換為電能。在這種雙轉(zhuǎn)換的過(guò)程中,許多原來(lái)的化學(xué)能浪費(fèi)掉了。然而,燃料非常便宜,雖有這種浪費(fèi),也不妨礙我們生產(chǎn)大量的電力,而無(wú)需昂貴的費(fèi)用。還有可能把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能,而無(wú)需先轉(zhuǎn)換為熱能。為此,我們必須使用電池。這種電池由一種或多種化學(xué)溶液組成,其中插入兩根稱為電極的金屬棒。每一電極上都進(jìn)行特殊的化學(xué)反應(yīng),電子不是被釋出就是被吸收。一個(gè)電極上的電勢(shì)比另一個(gè)電極上的大,因此,如果這兩個(gè)電極用一根導(dǎo)線連接起來(lái),電子就會(huì)通過(guò)導(dǎo)線從一個(gè)電極流向另一個(gè)電極。這樣的電子流就是電流,只要電池中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),這種電流就會(huì)繼續(xù)下去。手電筒的電池是這種電池的一個(gè)例子。在某些情況下,當(dāng)一個(gè)電池用完了以后,人們迫使電流返回流入這個(gè)電池,電池內(nèi)會(huì)反過(guò)來(lái)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),因此,電池能夠貯存化學(xué)能,并用于再次產(chǎn)生電流。汽車?yán)锏男铍姵鼐褪沁@種可逆電池的一個(gè)例子。在一個(gè)電池里,浪費(fèi)的化學(xué)能要少得多,因?yàn)槠渲兄煌ㄟ^(guò)一個(gè)步驟就將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。然而,電池中的化學(xué)物質(zhì)都是非常昂貴的。鋅用來(lái)制造手電筒的電池。如果你試圖使用足夠的鋅或類似的金屬來(lái)為整個(gè)城市準(zhǔn)備電力,那么,一天就要花成本費(fèi)數(shù)十億美元。
 

 

  燃料電池是一種把燃料和電池兩種概念結(jié)合在一起的裝置。它是一種電池,但不需用昂貴的金屬而只用便宜的燃料來(lái)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。這些燃料的化學(xué)能也通過(guò)一個(gè)步驟就變?yōu)殡娔?,比通常通過(guò)兩步方式的能量損失少得多。于是,可以為人類提供的電量就大大地增加了。
 

 

  目前,燃料電池按電解質(zhì)劃分已有6個(gè)種類得到了發(fā)展,即堿性燃料電池(Alkaline Fuel Cell,AFC)、磷酸鹽型燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell,PAFC)、熔融碳酸鹽型燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell,MCFC)、固體氧化物型燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)、固體聚合物燃料電池(Solid Polymer Fuel Cell,SPFC,又稱為質(zhì)子交換膜燃料電池,Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)、及生物燃料電池(BEFC)。按工作溫度它們又分為高、中、低溫型燃料電池。工作溫度從室溫到373K(100℃)的為常溫燃料電池,如SPFC;工作溫度在373K(100℃)~573K(300℃)之間的為中溫燃料電池,如PAFC;工作溫度在873K(600℃)以上的為高溫燃料電池,如MCFC和SOFC。
 

 

  

電池與
 
  代號(hào)
 
  
氫氧堿電池
 
  AFC
 
  
氫氧磷酸
 
  電池
 
  PAFC
 
  
質(zhì)子交換膜
 
  氫氧電池
 
  PEMFC
 
  
熔融
 
  碳酸鹽電池
 
  MCFC
 
  
固體電解質(zhì)電池
 
  SOFC
 
  
工作溫度
 
  
60~120
 
  
180~210
 
  
80~100
 
  
600~700
 
  
900~1000
 
  
燃料
 
  
高純H2
 
  
H2
 
  
H2
 
  
H2-CO CH4
 
  
H2-CO CH4
 
  
氧化劑
 
  
高純O2
 
  
空氣
 
  
空氣
 
  
空氣+CO2
 
  
空氣
 
  
電解質(zhì)
 
  
KOH
 
  
H3PO4
 
  
質(zhì)子交換膜
 
  
(K,Li)2CO3
 
  
Y2O3,ZrO2
 
  
陽(yáng)極催化劑
 
  
Pt
 
  
Pt
 
  
Pt
 
  
Ni
 
  
Ni, ZrO2
 
  
陰極催化劑
 
  
Pt
 
  
Pt
 
  
Pt
 
  
NiO
 
  
La-Sr-MnO2
 
  

 

 

  燃料電池實(shí)質(zhì)上是以控制氫彈爆炸的觀念設(shè)計(jì),太空船上的燃料電池是用來(lái)聚集星際旅行之間的氫氣所產(chǎn)生的能量之用。太空船的太陽(yáng)能板所聚集的電磁和太陽(yáng)能將會(huì)轉(zhuǎn)換成電能,而電能會(huì)用來(lái)慢慢地將存放在燃料電池內(nèi)的氫置換成燃料。燃料電池也內(nèi)含了一小部份受控制量的可進(jìn)行核分裂的物質(zhì),這些物質(zhì)依序用來(lái)與氫核進(jìn)行核反應(yīng)。核反應(yīng)在燃料電池內(nèi)進(jìn)行,在太空旅程中提供高能量并加速離子引擎來(lái)推進(jìn)太空船。在最后的旅程階段,燃料電池提供了燃料火箭動(dòng)力所需的氫。這整個(gè)過(guò)程受控在強(qiáng)大的電磁下,它能提供能量并且避免過(guò)量的能量外泄導(dǎo)致反應(yīng)爐核心融毀。核反應(yīng)的一項(xiàng)副產(chǎn)物——熱能,則被燃料電池的外壁吸收并轉(zhuǎn)換成供給電腦、維生系統(tǒng)和其他必要功用的電能。
 

 

  經(jīng)過(guò)多年的探索,最有望用于汽車的是質(zhì)子交換膜燃料電池。它的工作原理是:將氫氣送到負(fù)極,經(jīng)過(guò)催化劑(鉑)的作用,氫原子中兩個(gè)電子被分離出來(lái),這兩個(gè)電子在正極的吸引下,經(jīng)外部電路產(chǎn)生電流,失去電子的氫離子(質(zhì)子)可穿過(guò)質(zhì)子交換膜(即固體電解質(zhì)),在正極與氧原子和電子重新結(jié)合為水。由于氧可以從空氣中獲得,只要不斷給負(fù)極供應(yīng)氫,并及時(shí)把水(蒸汽)帶走,燃料電池就可以不斷地提供電能。
 

 

  世界上最小的燃料電池——直徑只有3毫米
 

 

  美國(guó)科學(xué)家最近研制出世界上最小的燃料電池,這種電池的直徑只有3毫米,可以產(chǎn)生0.7伏的電壓并能持續(xù)供電30個(gè)小時(shí),這種燃料電池可以在不消耗電的情況下發(fā)電,它由四個(gè)部分組成。上一層是儲(chǔ)水池,下層是一個(gè)裝有金屬氫化物的燃料堂,中間以一層薄膜隔開,在金屬氫化物的燃料堂下放,還有一組電極。薄膜上還有許多小孔,使得儲(chǔ)水池中的水分子可以以水蒸氣的形式進(jìn)入燃料堂,水分子進(jìn)入燃料堂后,與金屬氫化物發(fā)生生化學(xué)反應(yīng)幷產(chǎn)生氫氣。氫氣隨之會(huì)充滿整個(gè)燃料堂,幷向上沖擊薄膜。阻止水流繼續(xù)流入,然后氫氣會(huì)在燃料堂下層的電極處發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成電流。
 

 

  新電池體積非常的小,規(guī)模為 3x3x1毫米。而且沒(méi)有重力。其表現(xiàn)張力可以控制水流,這意味著即使處于移動(dòng)的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下,也能夠很好的工作。因此它最適用于一些小電器?,F(xiàn)在,這種電池可以產(chǎn)生0.7伏電壓和一毫安電流,電燃料可以持續(xù)30小時(shí)左右。


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