纤维板做燃料电池的材料.doc

Waste fibreboard produced by the furniture industry can be converted into electricity without the need to burn it, chemists have shown. Such microgeneration techniques could help cut factories consumption of power from external sources, as well as making emissions from power generation easier to store.Medium-density fibreboard (MDF) has been mass-produced for the building trade for 30 years. The material is popular in the making of furniture because it is cheap, flexible, and doesnt split in the way that wood does.John Irvine at the University of St Andrews in the UK and his team have now shown that MDF can, with minimal treatment, feed an electricity-generating direct carbon fuel cell (DCFC).These cells can be as much as twice as efficient as combustion engines at extracting energy from a fuel, because they dont waste heat.Although DCFCs do release carbon dioxide, just as burning carbon fuels does, the gas is released in a pure form not mixed with nitrogen and other waste products as are emissions from burning. That makes it relatively easy to capture, preventing release into the atmosphere.Wood stockIrvines team first treat shredded MDF with 500 C heat in a nitrogen atmosphere to drive off water and volatile gases. This is a cost-effective process that leaves the material in an energy-dense and lighter form that is easier to move to where its needed, says Irvine.The treated MDF is then powdered and mixed with lithium and potassium carbonates, which are the electrolytes in the fuel cell. At temperatures between 500 and 800 C, these act as chaperones that encourage the carbon in the MDF to combine with the oxygen flowing into the cell to produce carbon dioxide and free up the electrons that provide electrical current.The finished cell has a power density of around 100 milliwatts per square centimetre at a current density of 200 milliamps per square centimetre, meaning a square cell 10 centimetres on each side could generate 2 volts at a current of 20 amps. This is comparable to other prototype direct carbon fuel cells that could one day be used in large-scale power generation.Identifying new feedstocks to power DCFCs is vital for the technologys success, says Dian-Xue Cao at Harbin Engineering University in China, who welcomes the teams studies into unconventional energy sources.Ample sources?Kas Hemmes at the Delft University of Technology agrees, but would like to see more data on the availability of MDF. They claim there are ample sources of waste MDF available, he says. This could be true, but they should quantify the statement with real data.In response Robert Marshall, a member of Irvines team working at Micro Power Energy in Glasgow, UK, says that well over 100,000 tonnes of MDF are discarded each year in the UK alone.Hemmes adds that, in future, the main use of direct carbon fuel cells is likely to be the consumption of carbon left behind when natural gas is chemically split to yield hydrogen for other types of fuel cell. But smaller-scale energy generation from waste sources such as MDF will always find a role in the market, he says.Journal reference: Energy and Environmental Science (DOI: 10.1039/b820836k)If you would like to reuse any content from New Scientist, either in print or online, please contact the syndication department first for permission. New Scientist does not own rights to photos, but there are a variety of licensing options available for use of articles and graphics we own the copyright to.什么是燃料电池? 你听说过燃料电池吗?它既不是蓄电池(如现今被通俗地叫做“电瓶”的汽车里的铅蓄电池)，也不是干电池(如能充电或不能充电的锌锰电池、锂电池、镍氢电池等等)，更不是太阳能电池，本质上是一种发电装置，它的两个电极源源不断地从外界吞进氢气、甲烷、甲醇等通常的燃料和空气(或纯氧)，在两个电极上分别发生化学反应，同时向外电路(负载)发送电能。例如，图1，2分别是以丁烷和氢气为燃产的燃料电池工作示意图。 图1 以丁烷为燃料的燃料电池的示意图 图2 以氢气为燃料的电池的示意图 请由下而上考察图1：空气进入电池正极，同时从外电路抽提电子，空气中的氧气在电极上发生还原反应变成氧离子；能传导离子的固体电解质将正极产生的氧离子传递到负极；燃料进入负极，在负极上发生丁烷与氧离子结合生成二氧化碳和水的同时向外电路释放电子的化学反应。图2是更成熟的氢氧燃烧电池，与图1的装置不同的是，燃料是氢气，在电解质里传导的是氢离子(质子)，向外界只排放水。 燃料电池跟普通电池一样，是通过电化学反应产生电流，但却有根本的区别：一旦工作，电流稳定，无须充电；因为它不像普通电池那样，反应物和生成物是封存在电池里的，而是反应物源源不断地进入电池，生成物源源不断排出电池。因此，它表观上很像火力发电装置(如蒸气透平)，是一个发电装置。 应该正确理解燃料电池： 燃料电池跟火力发电机有什么不同?主要差别就在于其产生电能的原理不同。火力发电机也用燃料，但它发电分两步，第一步是燃料燃烧，产生热能，第二步是热能机械驱动发电装置，产生电能。而燃料电池使用燃料直接产生电能，决非燃料燃烧产生热能再转化为电能。简单说，火力发电和燃料电池同样得到电能，但前者是间接的，后者是直接的。根据热力学原理，火力发电受热功转化效率制约，燃料的能量利用率很低，而燃料电池是直接产生电流，不受热功转化效率制约，燃料的能量利用率至少要大一倍。同样的道理，燃料电池驱动电动机的电动汽车跟传统的使用内燃机驱动的汽车在能量利用效率上也是至少要高一倍。这是车载燃料电池的电动汽车得以迅速发展的根本原因。燃料资源越来越匮乏，越来越贵，提高燃料利用率当然是首当其冲的。常见到报刊文章报道车载燃料电池只强调它对环境友好，例如氢氧燃料电池，只排放水，不排放污染空气的二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物、臭氧以及碳(烟)等固体废弃物，但这只是燃料电池得以发展的原因之一而已，更重要的原因却是提高能源利用率。上例给出的以丁烷为燃料的燃料电池，眼下更热的是以甲醇为燃料，仍然会向环境释放二氧化碳，但不会因此放弃研制的努力，原因还是能源利用率是首要的。 燃料电池发展小史 距今200年的18世纪19世纪之交，化学就与电结缘了。用化学反应产生电流的电池和用电流输送的电能发生化学变化两件事几乎是同时发展着的。电池发端于意大利生理学家珈伐尼偶然发现带电的解剖刀可以使青蛙肌肉抽搐。随后，意大利物理学家伏打(电压的单位伏特源自他的姓)于1800年发明能够产生稳定电流的“伏打电堆”。早在19世纪初，电化学开山鼻祖英国人戴维就已经提出了燃料电池的基本设想。1839年英国人格拉夫就证实了戴维的想法，发明了最早的氢-氧燃料电池。相比之下，最早的干电池(酸性锌锰电池)晚至1860年才由法国人勒克郎榭(George Leclanche)发明。可是，由于用蒸气驱动涡轮机切割磁力线产生电流的火力发电装置在19世纪中叶开始雨后春笋似的遍地开花，燃料电池的概念几乎被人完全抛弃了。 1970年左右，古老的燃料电池概念得以新生。它首先被用在双子星座号宇宙飞船上。电池使用氢气为燃料，在电池里发生氢气和氧气化合生成水的反应，向飞船提供电能，反应的产物水还被收集起来，供宇航员饮用。 几乎在同时，有人开始试验在一些办公大楼里装配大型氢氧燃料电池，向大楼供电。 进入90年代，人们开始考虑将燃料电池用于汽车，把内燃机汽车改为电动汽车。随后，在运输工具上装配燃料电池的设计越来越多，大至飞机、大巴、小至摩托车、电动自行车，都试着装配燃料电池。 车载燃料电池最热火。1995年，零排放车载燃料电池被美国时代杂志列为21世纪改变人类生活的十大高新科技之首。据杜邦公司估计，到2002年需求量为100亿美元。各大汽车制造商已经纷纷推出燃料电池电动汽车，其代表是加拿大的巴拉德、美国福特、德国戴姆勒-克莱斯勒联盟。1993年巴拉德公司研制出全球第一辆质子交换膜燃料电池公共汽车。1998年它向温哥华和芝加哥提供了6辆燃料电池公共汽车。前年，美国通用公司向2000年悉尼奥运会提供了液氢燃料电池，被誉为千年奥运绿色使者。去年10月这位使者还光临北京展示魅力。前不久，在我国举办的燃料电池技术验收会上，展示了我国第一辆具有自主知识产权的燃系绯氐缍怠芍锌圃捍罅锼峁?0千瓦质子交换膜，中科院电工所提供电气系统，东风汽车研究所进行整车设计。尽管相当原始，其性能已使传统燃油汽车望尘莫及。预测2008年北京奥运会可能会出现中国自己生产的燃料电池汽车，作为马拉松领跑车和电视拍摄车，以体现绿色奥运的理念。据报道，在未来20年里，全球汽车的总量会增加一倍，这自然为车载燃料电池提供了市场。按最乐观的市场需求估算，到2004年，将有40000辆燃料电池电动汽车上路，到2010年，上升为100万辆，每年将在世界各地售出6000辆。不过，这种预测变成现实在价格问题上存在巨大障碍，据报道，目前每辆巴拉德燃料电池大巴的售价为140万美元，汽车配件、维修、培训等相关费用还得加上160万美元，而为获得足够的氢气，设置加气站，取得运行许可还需约100万美元。因此，就目前而言，燃料电池汽车从研究走向应用，还有许多困难需要克服。 燃料电池微型化-谈何容易 正在开发的微型燃料电池主要用于需电量很大的手机、手提计算机、摄像机、数码相机等等家用便携式电器，当然，也有为低电量的微型传感器等使用的设计。燃料电池行将越来越微型化，大有闯入平民百姓千家万户的发展颈头。 人们对微型燃料电池感兴趣，原因是多方面的：燃料电池不需要充电也不需要为充电花费时间；换一个燃料罐不到1分钟，正像通常换节电池一样；燃料罐里存的是燃料，不像普通电池那样有存放时间，过期不用会作废，它那样简单保险，甚至可以在街头报摊上出售；还有，若以氢为燃料，电池仅释放对环境无害的水；而且，燃料电池的电流比通常的电池稳定得多，而更重要的是，燃料电池具有一般电池无可比拟的高电容量(电量/质量比)，简单地说，是质轻而电足。而传统电池的物理性能却决定了它已经到了极限，不能满足高用电量的未来便携式电子器件对电力的需求了。为提供一个微型电子器件所需的电力，配备一个比它大几倍重几倍的电池，这如何能容忍?这样理解，才会把微型燃料电池理解为一种“山穷水尽疑无路，柳暗花明又一村”的情景。据报道，最好的传统电池可提供的电力是300瓦小时/千克(Wh/kg)，大多数实用传统电池仅达其一半。美国国防部估计，到2003年，需要配置在便携式军用电子器具上的电池应当达到1000Wh/kg，到2006年需上升到3100Wh/kg。韩国三星电子集团估计，下一代便携式计算机、手机、“掌上宝”等电子器具所需电力为500Wh/kg，当今最好的锂电池也达不到此值。燃料电池是解决高电容量需求的救星。这就难怪各方如此热衷于燃料电池微型化了。 听起来多么美好。然而，燃料电池微型化，谈何容易!每年出售的传统电池数达几十亿只，而任何商场货架上和库房里连一只微型燃料电池也没有! 目前最有希望微型化的燃料电池是已经十分成熟的质子膜(PEM)氢氧燃料电池。质子膜是一种导电高分子，但它不像普通电线那样传导电子，而是传导氢离子(质子)，将电池负极生成的氢离子传导到正极去与氧气化合成水。图3是以质子膜为电解质的氢氧燃料电池的工作示意图。 图3 质子膜氢氧燃料电池中的质子膜示意图 目前世界上生产质子膜的最大厂家是美国的杜邦公司，它生产的质子膜叫Nafion,厚仅50175m(注：1m=1/1000mm)。最新的质子膜燃料电池中，膜两侧紧贴着的是由高度分散在碳粒上的铂形成的电极，碳粒直径10nm，铂膜厚度50m，其颗粒直径约2nm(注：1nm=1/1000m)。整个燃料电池是多层结构，像维夫饼干，由许多如图4所描述的薄层电池叠合而成，而电池的最外层是高密度石墨制作的电极。 铂在电池中扮演的角色是催化剂，没有它，电极上的反应将慢得不可忍受，无法满足正常供电的需要。跟最早用于双子星座宇航飞船的铂用量比较，新型氢氧燃料电池的铂用量已经少得很了。双子星座宇航飞船燃料电池的每平方厘米电极需要使用35mg铂，目前不使用碳支持介质的铂电极每平方厘米仅需4mg铂，用了碳基质后，已经降低到每平方厘米0.10.2mg铂，这样已足能得到安培级的电流!如图3的单一电池的电压为0.7V，实际输出的电压可以按需求用电池的层数来调节。 图4 维夫饼干似的多层燃料电池示意图 这种燃料电池确实很理想，很令人惊叹，但成本太高，价格肯定不菲。目前用可充电电池获得1千瓦小时的电需要花费1万美元，相比之下，柴油发电机获得1千瓦小时的电才50美元，燃料电池无论如何不能比可充电电池贵。前面说过燃料电池汽车的售价，微型化的燃料电池，按供电量计算，决不会更便宜。 氢氧燃料电池微型化还存在氢的储存方式问题。尽管美国俄亥俄州克利夫兰大学的Wainright博士说，氢氧燃料电池是容易微型化的，只需对供给氢气的系统加压即可。可是，把一个高压氢气罐存放在衣服口袋里，一个普通百姓无论如何也是接受不了的。 目前有许多研究机构正在解决微型燃料电池的各种难题。一是想出更好的可循环使用的储氢材料代替氢气；二是制造出价格便宜的质子膜来代替杜邦公司的Nafion,或者干脆使用其他传导离子的电解质，如液态电解质，就像目前许多干电池使用的氢氧化钠一样；三侵圃斐龃婀蠼鹗舨牡缂从呋粒凰氖歉纱喾牌馄闷渌剂洗媲馄蛔詈螅杓瞥鲂陆峁梗逍缘亟饩稣庑烟狻昀矗陨厦扛龇矫娴慕苟加写罅勘馈? 有没有其他方法储存氢气呢?有。方法之一是把氢以化合态形式储存在一类叫做金属氢化物的化合物里。这种储氢法的效率极高。图5对比了以各种不同的方式储存15g氢气所需材料的体积(包括储罐在内)。图中显示，使用氢含量达2.0%的金属氢化物(MHSS)的体积仅0.25升，远小于加压下的氢气(图中psi是氢气罐里的氢气施加在罐壁上的压强，1psi=1磅/平方英寸)。当然，从图中可见，液氢(liquidH2)的体积也很小。但液氢可不是好对付的鸟。你也许见过电视里发射载人宇航飞船，液氢被用作燃料，那液氢罐大得很，一直冒着气，那是由于液氢罐的温度很低所致。把这种庞然大物缩小到放进汽车，至少目前还是奢想。别的不说，氢气的临界温度是零下240，不是谁都可以把氢气液化的。把它装进微型储罐到处出售，谈何容易。 图5 不同储氢方法储存15g氢所需体积的对比 然而，遗憾的是，用金属氢化物储氢的能量密度(每单位重量可以提供的能量)是随电池变小降低的，如图6所示：图中的纵坐标是金属氢化物储氢的能量密度(每kg可以获得的以瓦小时Wh为单位的电能)，横坐标是电池的以Wh为单位的能量储存。图中同时给出了目前在市场上买得到的锂离子电池(Li-ionbattery)和镍氢电池(NiMH battery)的储能效率以资对比。从图中可见，含2%(质量)氢的金属氢化物(2.0wt.% MHSS)的储能效率几乎是高能电池的储能效率的2倍。从图中可看到，燃料电池跟传统可充电电池不同，随着电池储存能量增高，储氢的能量密度会增高，而锂离子电池和镍氢电池这些可充电电池的能量密度是不随电池大小而变的。这就是说，燃料电池越大，用金属氢化物储氢才比可充电干电池更优越。这决非燃料电池微型化的好信息。 图6 金属氢化物的储能效率几乎是市售可充电电池储能密度的2倍 不过，也许不久科学界会想出新的储氢方法。例如，2000年1月6日，我国525名两院院士投票评选出1999年中国十大科技进展，其中第二条是：储氢纳米碳管研究获重大进展。据报道，在室温、100个大气压下，他们在纳米碳管里储存了达4.2%(质量)的氢气，碳氢原子比为2：1，在室温下将压力降低到常压，80%的氢便释放出来，再稍微加热，其余的氢也放了出来。碳很轻，若能用碳纳米管储氢，肯定将大大提高电池的能量密度。想得更远些，人们已经发现，在低温高压下氢会变成叫做金属态的固态，据说木星核心就存在金属态氢。有科学家预言，金属态氢一旦形成，有可能在常温常压下还是稳定的，如若真的这样，一切问题都将迎刃而解。现实一点，有人提出使用硼氢化钠储存氢。但硼氢化钠是一种十分活泼的化学品，遇水激烈反应，把它装进微型燃料电池，安全技术实难克服，至少要等3年再看。 于是，出现了许多用甲醇代替氢为燃料的微型燃料电池设计，即所谓DMFC，直译是“直接使用甲醇的燃料电池”。所谓“直接”，是由于已有一些车载燃料电池，也用甲醇为燃料，但它不是直接输入电池发电，而是首先通过化学转化器转化为氢气和碳，把氢气分离出来输入氢氧燃料电池。早在90年代，美国加州有一个叫JPL的研究所已经设计出微型DMFC了。 图7 碳钠米管是纳米级很坚固的空心管状的碳 甲醇是一种十分诱惑人的燃料。它不像氢气，在常温下是液体，使用起来很方便，而且其能量密度远高于氢。但甲醇也有缺点。其一是不能像氢氧电池那样使用杜邦公司的Nafion质子膜了，因为甲醇穿透它，从负极跑到正极去，结果使电池的效率下降1/5，再加上甲醇的反应产物水也能穿透Nafion质子膜，使正极不能正常接触氧气，也使电池效率下降。有人提出在电池里装个泵，并降低甲醇的浓度(用10%甲醇的水溶液)，可以解决甲醇穿膜问题，但燃料电池的能量密度也就下