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燃料电池从入门到精通——第八篇:燃料电池的平民化进程

已有 1504 次阅读 2023-2-20 18:03 |个人分类:好好学习|系统分类:科研笔记

先来看看燃料电池的大事记:

1800年,WiUi Nicholson和Anthony Carlisle描述了利用电将水分解成氢气和氧气的过程

1839年,William Grove被公认为于第一次演示了燃料电池。

1896年,Willim.Jacques制造出了一个“碳电池”,引起了科学界的震惊。

到20世纪50年代以前,燃料电池一直处于理论与应用基础的研究阶段,燃料电池理论和类型也不断丰富。

1952年,英国剑桥大学的Bacon用高压氢氧制成了具有实用功率水平的燃料电池。在此前期间,GE(通用电气)资助了PEMFC质子交换膜燃料电池的研究。

1959年,Bacon 制造出第 1 个可以工作的培根型燃料电池(AFC),Allis-Chalmers 公司推出了第 1 台以燃料电池提供动力的农用拖拉机。

20世纪60年代,由于载人航天对于大功率、高比功率与高比能量电池的迫切需求,燃料电池才引起一些国家与军工部门的高度重视。美国NASA(国家航空航天局)的Apollo登月计划中采用燃料电池为太空船提供电力和饮用水。

1965年,双子星宇宙飞船采用了通用的PEMFC为主电源。

1991年,罗杰·比林期开发出世界上首个用于汽车的燃料电池。

1994年,世界上第一辆燃料电池汽车——奔驰NECARI问世。

2013年,丰田在东京车展上展出FCV概念车。

2015年,量产版问世。

 

以上的大事记也许还不是非常全面,但是仍然可以看出燃料电池的发展经历非常丰富。我们不论是在看文献还是在网上阅朗燃料电池常识的时候,往往会看到类似的材料,有时候还会看到罗列出很多种燃料电池,比如说:

1、碱性燃料电池(AFC)——采用氢氧化钾溶液作为电解液。这种电解液效率很高(可达60-90%),但对影响纯度的杂质,如二氧化碳很敏感.因而运行中需采用纯态氢气和氧气。这一点限制了将其应用于宇宙飞行及国际工程等领域。

2、质子交换膜燃料电池(PEMFC)采用极薄的塑料薄膜作为其电解质。这种电解质具有高功率,重量比和低工作温度。是适用于固定和移动装置的理想材料。

3、磷酸燃料电池(PAFC)采用200℃高温下的磷酸作为其电解质.很适合用于分散式的热电联产系统。

4、熔融碳酸燃料电池(MCFC)的工作温度可达650℃。这种电池的效率很高,但材料需求的要求也高。

5、固志氧燃料电池(SOFC)采用的是固态电解质(钻石氧化物),性能较好,需要采用相应的材料和过程处理技术,因为电池的工作温度约为1000℃。

可以看出燃料电池大家族的成员非常多,但是他们之间是有先后的,有的是年长的,有的是年幼的。而这个先后顺序的背后是受到一些重要因素的影响,也是燃料电池平民化的进程。在这场漫长而艰难的进程中,有两点因素成为主导:易用性和降低成本。这两个因素是燃料电池发展的根本动力,主导了燃料电池各个阶段的发展,也是人们努力的目标。然而这方面的介绍极少,有机会八一八这个过程应该也是非常有意思的事情。

首先,易用性方面。开始的时候,也就是1839年燃料电池被发明出来的时候,燃料电池是由几个电极棒和硫酸溶液组成,不具有任何实用性,易用性也很差。后来发明了电解质隔膜,把硫酸、磷酸等电解质吸收在多孔的膜内,从而不用容易流动和泄露的液态电解质,这样可以大大提高燃料电池的易用性。这个时候,燃料电池才可以接收震动、颠倒、摇摆等各种操作,这也就促使了第一代燃料电池——即碱性燃料电池(AFC)和磷酸燃料电池的开发和应用,并被实用在航天领域。再后来,人们发明了完全固态的熔融碳酸燃料电池(MCFC)、固志氧燃料电池(SOFC)、以及质子交换膜燃料电池(PEMFC)。这些电池不仅可以接受各种机械操作,而且可以不用担心吸收的液态电解质的流失,易用性进一步增强。

然而,在燃料的易用性方面却进展不是很大。1839年的采用的是氢气-氧气燃料组合,而今天使用的主流燃料组合仍然是氢气-氧气,仍然没有变化。可喜的是,人们发明了甲醇为燃料的燃料电池,就是直接甲醇燃料电池(DMFC)。可惜,经过多年(三四十年)的研究,DMFC仍然存在很多问题,不能担负起重任,也不太受到重视了。但是,DMFC的确是一个带有本质创新的电池,它能够解决燃料电池的燃料供应问题,对于燃料电池的推广至关重要,是一个难得的机遇。

第二,降低成本方面。这方面的努力一直没有停止过。最明显的是贵金属铂的载量,磷酸燃料电池的铂用量高达5 mg/cm2,而现在的质子交换膜燃料电池(PEMFC)的铂载量已经有报道称低于0.1 mg/cm2。目前,丰田燃料电池汽车上的铂金属含量与清洁柴油车的催化剂中使用的铂金属含量基本相当,未来有可能将燃料电池的铂金属含量降至低于清洁柴油汽车的水平。基于此,丰田称燃料电池汽车的售价不会高于5万美元(折合人民币约30万元),虽然依然很高,但是相比于曾经100万美元的单价,已经有了相当大的进步。而且相比纯电动车,这个价格已经占据了优势。这些有目共睹的努力和进步推动了燃料电池的平民化进程。

可以看到,燃料电池的发展从来没有停息过,燃料电池也必将走入千家万户,走进我们每个人的生活。然而,今天的燃料电池发展似乎已经进入某个瓶颈,各方面的推进难度都非常大。单单是一个氢源的问题就让众多业者头疼不已,燃料电池自身的众多问题也有待一一解决。

我们不禁要问,未来的燃料电池真的就是我们现在看到的样子吗?燃料电池的发展一定会沿着当前的道路稳步往下发展吗?

具体怎么样,请看下一篇:可不可以抄近道

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http://www.itdcw.com/m/view.php?aid=17258

 




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