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靠尿液发电,燃料电池脑洞虽大但仍存在短板

来源:网易财经    发布时间:2019-05-19 08:08:27

作为一种新型的电池技术,燃料电池用途广泛并拥有诸多优势,为电池技术带来了一条新的发展道路。但是,在一些方面,燃料电池仍然存在短板,需要进一步的发展。

燃料电池用途广泛,有利于推动电池技术发展

燃料电池,是一种主要透过氧或其他氧化剂进行氧化还原反应,把燃料中的化学能转换成电能的电池。当燃料和空气分别被送进燃料电池时,电就产生了。从表面上看,燃料电池有着正负极和电解质,使之看起来就像蓄电池。但实际上,它并无储电功能,反而更像一个“发电厂”。

燃料电池的起源,可以回溯至19世纪30年代。1839年,英国的法官和科学家William Robert Grove 爵士做了电解水实验,分离出氢和氧,这被认为是燃料电池的第一个装置。Grove由这个实验联想到,如果氢和氧产生反应,就可能使电解水的过程发生逆转从而产生电能。

为此,他将两条白金的带子分别放入盛有氢和氧的密封瓶中。当两个瓶子被放入稀释的硫酸溶液时,电流开始在两个点之间流动,最终生成了水。为了提高电压,Grove将同样的几个装置进行串联,他把它们称作“气体电池”。在1889年,化学家Ludwig Mond 和Charles Langer尝试着用工业煤气和空气制造实用装置,他们将它命名为“燃料电池”,并获得了200mA/m?的电流密度。

虽然这种新型技术引起了各方的注意,但是人们很快发现,想要将燃料电池技术商业化,需要克服诸多科学技术障碍,于是对于这一技术的热情逐渐冷却。

到了1932年,剑桥大学工程师Francis Thomas Bacon博士在之前的基础上做了多次修改,比如用廉价的镍网替换白金电极,还有用不易腐蚀电极的硫酸电解质替换碱性的氢氧化钾。Bacon将其称为Bacon电池,也就是世界上第一个碱性燃料电池。

此外,Allis-Chalmers公司的农业机械生产商Harry Karl Ihrig在同一年中制造出以燃料电池为动力的车辆。将1008块电池连接在一起,成为了能够产生15W燃料的电池组,可以为一台20马力的拖拉机供电。

这些发展为如今燃料电池的商业化奠定了坚实的基础。现在,燃料电池拥有着广泛的用途,在军事、空间、发电领域发挥着重要的作用。早期燃料电池的应用侧重于军事、空间等专业和千瓦级以上分散式的发电中,电动车领域也成为燃料电池主要的应用方向。目前,市面上有许多采用燃料电池发电的电动车。

此外,小型化的技术使得燃料电池被应用于一般的消费型电子产品也成为其应用发展的方向。随着科技的进步,小型化的燃料电池将能够取代现有的锂电池或镍氢电池等高价产品。笔记本电脑、手机、相机等便携式电子产品均可用燃料电池作为电源,为有效地解决电子产品的续航问题提供了一条新的道路。

在空间任务中,在为航天飞机提供动力以及饮用水方面,质子交换膜燃料电池(PEMFC)已被广泛应用;在民用燃料电池中,作为中型电源应用并进入了商业化阶段的磷酸燃料电池(PAFC)成为首选;在工业试验阶段,熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)取得了不错的成绩;起步较晚的固态氧化物燃料电池(SOFC)则是发电领域最有应用前景的燃料电池,是未来大规模清洁发电站的首选。

一直以来,人们都在寻找一些既能够高效利用又不污染环境的能源利用方式。燃料电池可以说是较为理想的技术,它发电效率高、环境污染少,有利于推动电池技术的发展。但是,燃料电池在某些方面依然存在短板,需要进一步的探索。

燃料电池拥有诸多优势,但存在短板仍需探索

现在,生活中最常见的是锂电池。与燃料电池相比,二者有相同亦有不同。

放电原理相同。燃料电池和锂电池在对外输出电能时不是热机过程,而是等温绝热的电化学电源过程,因此效率都比较高。

工作方式不同。燃料电池输入的是化学能,输出的是电能。锂电池则是输入电能,输出的也是电能。因此,燃料电池是能量转化装置,而锂电池是储能装置。

相比之下,燃料电池的优势很多。

从能源结构的角度看,燃料电池占上风。在化石能占绝大部分的背景下,如何提高从化石能到消费终端的效率是电池领域考虑的重点,这其中的关键就在于能量转化装置的变革。相比之下,储能装置更侧重于优化能量利用的效率。

燃料电池对环境的污染也比较小,比如前面提到的以尿液为动力的燃料电池。其研究人员表示,这种电池是一种“价格低廉,可再生,可保持碳平衡”的产品。它的浪费程度极低,生产成本低至2英镑(约合18.5元人民币)左右。

从运载工具的角度看,燃料电池比锂电池更加适合汽车业态。化学反应需要氧化剂、燃料和反应场所,锂电池汽车需要这三样齐全,而燃料电池只需要后两样。锂电池中的氧化剂、还原剂存放的距离极近,即使不在工作状态下也会自己放电。而且锂电池为了达成寿命循环往往浅充浅放,因此不能保证每个循环都将油用干或加满,这就导致真实的里程比理论上的还要减半。

此外,燃料加注的过程是物理过程,速度上不受限制。而锂电池汽车能量的恢复是充电过程,也就是电解反应,这种过程需要控制,并且加注速度也受到电池技术进展程度的制约。

由此可见,燃料电池的优势的确不在少数。不过,燃料电池在一些方面仍存在缺陷。

比如在便携式电子设备的应用上,由于燃料电池的反映特性,系统集成简化难度远高于已经充分集成的锂电池及其他种类的电池。

另外,燃料电池的产业化程度偏低。目前的燃料电池尚未形成产业链,相比之下,锂电池针对便携式电子设备的现场电源已经形成了批量制造业。

不过,在汽车方面,燃料电池和锂电池均未形成产品制造业,其中最大的难点就在于电化学反应如何适应电机的负载大动态需求。

综上所述,燃料电池用途广泛,又拥有诸多优势,但是在许多方面仍存在短板,尚不能大规模投入使用。不过,科学家们和研究人员并未停止努力。巴斯大学的研究人员们一直在对尿液燃料电池进行研究,参与了这一项目的斯库勒博士表示:“这种新技术能改变穷人的生活,他们无需花大价钱就能用上电,这让我感到成就感十足”。希望在未来的某一天,燃料电池能够真正进入到我们的生活中,实现真正的高效率无污染发电。

【钛媒体作者:东方亦落,(最极客)】

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