是什么电池能让无人机飞行4个小时?

2021-04-14      951 次浏览

▌燃料动力电池的出现与原理


燃料动力电池目前已经在多个领域都进行了应用尝试,虽然说法上是一种新型电池,其实它的出现并不新,早在1839年,英国物理学家威廉格罗夫就制作了世界上第一个燃料动力电池。上世纪60年代,燃料动力电池就在太空探索领域发挥了一定用途。


虽名为燃料动力电池,但其出现电量的方式并不是像内燃机相同使燃料燃烧出现能量,而是在电池内部让燃料与氧或其他催化剂进行氧化还原反应,从而把燃料的化学能转化为电能。其中最常见的燃料为氢,除了氢以外,一些碳氢化合物例如天然气、醇、和甲烷等有时也会作燃料使用。


虽然燃料不同,但大部分燃料动力电池的工作原理和工作模式都差不多。


燃料动力电池内部重要由三个相邻区段组成:阳极、电解质和阴极。两个化学反应发生在三个不同区段的界面之间。用初中生的化学语言来简单描述燃料动力电池的工作原理,就是消耗燃料与氧发生反应,最终出现水、二氧化碳等以及电能。


燃料动力电池原理图


在阳极上,通常要用催化剂将燃料氧化,使燃料变成一个正电荷的离子和一个负电荷的电子。然后通过经特殊处理的电解质溶液或特殊的膜将电子和离子隔离,让离子通过电解质,阻隔电子,接着让被释放的电子穿过一条电线,因而出现电流。离子通过电解液前往阴极。一旦达到阴极,离子与电子团聚,并且与氧气反应,从而出现水或二氧化碳。


▌燃料动力电池的分类和应用


目前主流的燃料动力电池按电解质种类可分为重要为以下五种:碱性燃料动力电池(AFC)、磷酸型燃料动力电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料动力电池(MCFC)、固体氧化物燃料动力电池(SOFC)、质子交换膜燃料动力电池(PEMFC)。除此外还有一些类似于再生氢氧燃料动力电池(RFC)、直接醇类燃料动力电池(DMFC)等不常见的燃料动力电池。


燃料动力电池大致分类


根据业内人士介绍,现在市面上最有发展前景的两种就是质子交换膜燃料动力电池(PEMFC)和熔融碳酸盐燃料动力电池(MCFC)。目前应用最多的就是质子交换膜的电池,这种电池要石墨烯作为介质膜,然后用经过纳米技术处理的铂金等贵金属做催化剂,从而制成一个反应片,每个反应片能够出现0.7~0.9V的电压,假如想使用大功率,只需把反应片组合起来变成一个增压后的氢燃料电堆即可。其中质子交换膜燃料动力电池(PEMFC)工作温度为100℃以内,功率输出比较低,最适合用于消费级的电池需求,从电动汽车、无人机甚至于电脑、手机等,都可能实现使用质子膜燃料动力电池来进行供电。


此外,很多业内人士也重点提到了熔融碳酸盐燃料动力电池(MCFC),因为MCFC结构比较复杂,因为它们的运行温度高导致启动时间缓慢,这使MCFC系统不适合移动应用,比较合适定位于固定式燃料动力电池,由于其功率输出也很高,所以更适合作为发电系统来使用。


▌燃料动力电池的优劣势


优势


氢燃料动力电池优势十分突出,这也就是为何很多从业者对其未来的发展持乐观态度:


氢燃料动力电池可以不间断的供应稳定电力,直至燃料耗尽,并且在燃料耗尽之后,能够快速补充燃料,再次进行供电,能有效提升作业的效率。


相对锂离子电池来说,氢燃料动力电池更能适应环境,在环境温度非常低的情况下不会出现锂离子电池那种断电的情况。


寿命长,一般氢燃料动力电池都比锂离子电池的使用寿命长几十倍。


氢燃料动力电池非常的环保,其消耗氢燃料出现的排放物只是水或二氧化碳等物质,并且待电池报废后,其中的膜和催化剂等材料都是可回收再利用的。


劣势


虽然有强于其他动力源的很多优势,但氢燃料动力电池的劣势也非常明显:


成本太高。据业内人士介绍,制作质子膜电池中膜的材料为石墨烯,目前市面上石墨烯的成本要近1000美金1克,另外催化剂要用一些稀有的贵金属,这些金属本身的价值高昂不说,还要做纳米技术处理,这就更加提升了成本。


氢燃料源不易取得,目前加氢站的发展还处于萌芽阶段,虽然现在市面上也有很多能够买到氢气的渠道,但是往氢燃料动力电池中加料要一种特殊的加压设备,这种设备也并不是很普及。


另外,燃料的运送要的标准也很高,不便于消费者移动和携带。


氢燃料动力电池的安全性也饱受业内人士质疑,由于氢的易燃易爆性,加之氢燃料动力电池工作是会出现的温度也过高,更新增了其发生事故的几率。


综合来看,目前氢燃料动力电池的发展并不是很成熟,记者咨询了很多无人机的从业者,虽然其中很多人都承认氢燃料动力电池是趋势,但就目前来说,他们对其还是报一定的悲观态度,认为还不适合作为无人机的动力。当然也不乏一些对氢燃料动力电池信心十足的从业者觉得,氢燃料动力电池的缺点瑕不掩瑜,很快就能发展成熟。


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