3 燃料电池的独特优点及在摩托车上的应用
传统电池分为原电池(也称一次性电池)和充电电池(也称二次电池)两种。所谓原电池,就是将化学反应物质存放在电池中,当电池接通负载工作时,反应物质发生化学反应产生电能,直到反应物质全部耗尽时,原电池就再也不能发生电能了,即电池报废。充电电池则是利用外部供给的电能,通过逆向反应,让电池再生成化学反应物质,即将电能储存在电池中使其再发电,实现反复充、放电的使用功能。而燃料电池则是一种利用化学反应直接产生电能的装置。只要向阳极(负极)不断供给燃料,如氢气,向阴极不断供给燃料,如氧气(或由空气提供),这样就可以在电极上连续发生电化学反应,并产生电流。单个燃料电池块的电压小于IV,因而要将多个燃料电池块组合在一起,制成电池堆,并根据电压和电流的需要将电池堆进行串联或并联,以产生足够的电力。目前广泛研发的燃料电池有质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、碱性燃料电池(AFC),磷酸盐型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)等。其中,PEMFC因其不经过燃烧直接以电化学反应连续地把燃料和氧化剂中的化学能直接转换成电能,具有能量转换效率高(一般都在40%~50%,而内燃机仅为18%~24%)、无污染、启动快、电池寿命长、比功率、比能量高等优点,成为应用最广的一类燃料电池,尤其是在车用燃料方面,PEMFC的应用接近该市场的100%。质子交换膜燃料电池应用最广,质子交换膜燃料电池具有启动速度快、能量密度高及清洁环保等优点,可广泛应用于燃料电池汽车、固定式电站和移动型电源等领域。
新型摩托车将安装从燃料电池中获取能量的电动机。燃料电池首先会出现在轻型摩托车上,摩托车燃料电池将使用甲醇工作,因为在摩托车上安装压缩氢油箱非常复杂和不安全。
燃料电池工作必需的氢将由甲醇的分解来产生,类似的原理已经应用于便携式电子仪器中,在使用这样的燃料电池摩托车时将不再是真正生态上的纯净,因为甲醇在分解时不仅会产生氢,还会形成有毒的一氧化碳。因此必须对一氧化碳加以废物利用。最简单的方法是使一氧化碳氧化成二氧化碳,然后将二氧化碳直接排放到空气中。尽管排放到空气中的二氧化碳数量比内燃机发动机要少,但是这种方法仍不能解决最终减少温室气体排放量的问题。
燃料电池是用一种特定的燃料,通过一种质子交换膜和催化层而产生电流的一种装置,这种电池只要外界源源不断地供应燃料(例如氢气或甲醇),就可以提供持续电能。它的工作原理,是利用一种叫质子交换膜的技术,使氢气在覆盖有催化剂的质子交换膜作用下,在阳极将氢气催化分解成为质子,这些质子通过质子交换膜到达阴极,在氢气的分解过程中释放出电子,电子通过负载被引出到阴极,这样就产生了电能。
在阳极经过质子交换膜和催化剂的作用,在阴极质子与氧和电子相结合产生水。也就是说燃料电池内部的氢与空气中的氧进行化学反应,生成水的过程,同时产生了电流,也可以理解为是电解水的逆反应。燃料电池在阳极除供应氢气外,同时还收集氢质子(H+)释放电子;在阴极通过负载捕获电子产生电能。质子交换膜的功能只是允许质子H+通过,并与阴极中的氧结合产生水。这种水在反应过程中的温度作用下,以水蒸气的形式散发在空气中。
从理论上讲,燃料电池可将燃料能量的90%转化为可利用的电和热。实际上,直接甲醇燃料电池的发电效率已经达到40%5磷酸燃料的电池的发电效率接近46%;熔融碳酸盐燃料电池的发电效率也超过60%;固体氧化物燃料电池与汽轮发电机联合使用,其效率更高,能达到70%。如此高的发电效率可以说是史无前例的。据专家预测,21世纪中、下叶世界石油资源将面临枯竭,以石油产品为燃料的现代汽车即将面临“饥饿”和“死亡”的威胁。而燃料电池可以用天然气、石油液化气、煤气、煤、生物质和醇类等作为燃料。这些燃料的储存量大,有些还可以再生(如生物质、醇类),已经成为解决这一世界难题的重要途径之一。
据报道,开发手机等便携终端燃料电池系统的美国曼哈顿科技公司宣布,该公司与欧洲第二大摩托车厂商、意大利Aprilia公司联合开发出了使用燃料电池驱动的要领款小型摩托车,并在巴黎车展上展出。此次开发的要领款摩托车名称为“MOJITOFC”,配备有曼哈顿科技生产的输出功率为3 kW的燃料电池。使用的燃料为纯氢,批量生产时的边疆行驶距离为120英里(193 km)、最高速度可达35英里/小时(56.3 km/h)。在2001年,这两家公司就共同开发了燃料电池驱动的要领款小型摩托车,此次推出的是第二款。这种要领款摩托车上配备的燃料电池技术由曼哈顿科学公司的德国相关公司Nov-Ars开发,具有小而轻的特点。包括电子装置、阀门、风扇等在内的燃料电池系统总重量为6 kg,燃料电池本身质量为4.3 kg。