燃料电池：下一代移动设备电源

燃料电池供应公司在今年年末至明年年初还不会作出什么大动作，但这并不意味着设计者在买得起燃料电池以前就不去理会它，最终，燃料电池将出现在市场上，工程师应该了解它们将对便携式和特种设备的设计产生的影响。

燃料电池最初于1839年问世，当时，William Grove对水进行电解试验。Grove观察到，当电极与分隔开来的氢气和氧气发生接触时，他的试验装置发出了少量的电流。但是，把这种实验室里的新奇现象转化为一种实用的电源却花去了相当长的时间和大量的努力。如今数十家公司研发燃料电池技术，但却只有少数几家能将产品推向市场。

虽然很多化学反应都可以用于燃料电池中的电能产生，但大多数开发都围绕着氢和氧的复合。要对小型燃料电池中所使用的、经过压缩或液化的氢气进行运输是不切实际的，而这种燃料电池将用于驱动消费类装置。于是，对便携式电子装置的电源研究现在围绕着氧气和甲醇(亦称为木精或木醇)的运用(图1)。甲醇提供了氢，而空气提供了氧，直接使用甲醇的燃料电池也因之得名直接甲醇燃料电池(DMFC)。

大多数开发公司预计，最早的DMFC应用将在小型化装置中实现，如军用品或必须长时间脱开电力线而工作的设备。军品研究者力图减少士兵所负荷的重量，燃料电池是一种有吸引力的电池替代品或补充物。DMFC能以比电池轻的重量发出大量的能量，但需要换气，以收集氧气和释放水汽。很多DMFC设计需要小风扇和泵来移送气体及液体，因此其运行经常发出噪声，而且到目前为止，很难用于水下或隐蔽使用的场合。

由于第一代DMFC的市场将由军工工程师、技术方面的狂热爱好者和早期用户来支撑，这些电源将变得更小、效率更高而且价格更低。DMFC最终将进入主流市场，不过就目前而言，它们的能量密度还不足以与标准的锂离子电池相比。

消费类产品电源

消费类市场确实需要DMFC电源。接收电视广播的流行款式手机，只能工作约一个小时，因此，如果厂商能提供实用的、廉价的DMFC，消费者就会购买。可重新添加燃料的DMFC能让一个电视手机几乎无限期的工作下去。MTI Micro Fuel Cells公司的董事长兼CEO Bill Acker估计，一加仑(3.8升)甲醇能驱动一个普通手机工作约10年。

大多数DMFC供应商计划通过混合式电源来闯入市场，就是将燃料电池和储能装置(如超级电容或电池)组合，至少以之作为起步。DMFC在恒定负载条件下运行情况最好，因此在一个混合式电源中，燃料电池将提供恒定的功率，而靠电容或电池来满足峰值功率方面的要求。“如果装置消耗的平均功率为0.5W，但需要的峰值功率达到3W，就不要将燃料电池的额定功率规定为3W。”Bill Acker说。相反，应该去设计一个电源和能源组合，以满足总的功率需求。

一个典型的“燃料电池”事实上是由一组单个的电池单元串连而成的。单个单元的供电电压为0.7V~0.9V(开路时)，约为其理论输出的1/3。带负载后，输出跌落至约0.3V~0.5V。一般来说，燃料电池需要外接一定的功率调节电路。

能源预算

首批由DMFC供电的商业化产品将比电池供电的产品贵10%~20%，但依然有良好的市场前景。Direct Methanol Fuel Cell公司的CEO  Dr. Carl Kukkonen对能源的成本进行了分析。“一台3000美元的汽车引擎可产生约100kW的功率，因此每kW成本为30美元，”Kukkonen说。“一个笔记本电脑的电池可发出约12W的功率，成本是130美元，相应每kW功率成本为11,000美元。DMFC的价格要低得多—1000美元/kW~2000美元/kW。业界将为汽车应用而把燃料电池的成本降低到30美元/kW，但那将是一个重大的挑战，我们很可能实现不了目标。”

下面从另一个角度看DMFC的“潜力”。“甲醇的总能量容量为5,000 Wh/l。但我们永远不能汲取出全部能量，”DuPont公司的DMFC市场开发经理Dave Reichert说。“因为当谈论能量‘密度’时，同时必须把物理设备考虑进去—电池单元、燃料盒和容器中的其它东西。”

2004年末或2005年初，有望出现能产生200Wh/l~350Wh/l能量的DMFC系统。“这一量值在目前锂离子电池的输出范围中只居于较低的水平，”Reichert说。“但这个量值只代表了市场上最早出现产品的水平。我们将会制成1000~1200Wh/l的DMFC系统。锂离子电池的理论极限约为600Wh/l，因此DMFC可以提供的功率密度将是其两倍。”

“人们需要便携式设备时，他们会为这种方便性而付出额外的费用，消费者不会因为笔记本电脑比台式机便宜而购买它，他们之所以购买，是因为它方便携带。DMFC让他们能摆脱电力网络的束缚。”

燃料电池的发热问题

“设计者也需要考虑发热问题，”Motorola实验室的能源技术主管Jerry Hallmark介绍。“如果燃料电池效率为25%，而需要20W的电能，那么在获得这20W电能的同时却要付出60W的热量。这一发热超过了电池的水平，因此需要把过多的热散发掉。那20W电能最后也会在功率器件中变成热量。”

要将笔记本电脑或者便携式仪器内部发出的热量散发掉是一件困难的事情。因此，设计者不能简单的用DMFC或者混合式电源来替换电池。不过，他们可以用DMFC作为充电器或者独立电源。

DMFC对燃料的处置本身亦是工程上的一项挑战：将甲醇分发给用户而且要确保用户能安全的处理这些燃料。人们在更换喷墨或激光打印原料盒时，并不需要将墨水或颜料摇匀，甲醇的预包装也应该具有同样的优点。为了帮助DMFC进行市场开拓，并确保甲醇采用方便易用的包装而实现有效的销售，许多DMFC厂商与Gillette和BIC之类的公司建立了联系。但是目前在便利商店的货架上还是找不到甲醇燃料盒的。

甲醇必须能带上飞机

甲醇的使用面临另一个障碍：安全方面的法规。如今，消费者尚不能将甲醇带上商业航班，因为没有任何标准对消费者携带这种燃料进行管理。但在未来18~24个月中，这一情况将发生改变。(锂离子电池在可以带上商用飞机前，也不得不经历了相似的认证流程。

国际电子技术委员会和Underwriters试验室(UL)正在进行标准化方面的工作。美国交通部已经向联合国提交了一份提案，以求将甲醇从“易燃液体”类(Class 3)转移到“其他危险材料”类(Class 9)中。这项更改一旦完成，燃料电池制造商和甲醇盒供应商可以向民用航空团体申请批准携带，不过，不需带上商业航班的设备和燃料盒则无需任何批准。

DuPont公司的Dave Reicher认为，即使在长途商业旅行中，大多数人还是会携带500ml~600ml的密封甲醇。Reichert指出供应商将能设计出足以通过国际组织制定的安全标准的包装盒。包装通过了跌落、压力和其他测试后，它们盛装的易燃性甲醇本身就是安全的了。在大多数情况下，消费者将使用一次性的、不可私自重新灌注的密封盒。一个自闭阀将能防止甲醇的泼洒。

崭露头角的革新

即便DMFC短期内还不能出现在市场上，人们的研究还是带来了若干新的燃料电池设计。Motorola实验室的研究者已经以陶瓷材料形成了微流体3D结构。陶瓷可以起到小型反应器的作用，在其中，甲醇将裂解而产生氢气，该过程称为重整。氢气在陶瓷的另一部分消耗掉，从而形成一个燃料电池。Motorola公司并不制造燃料电池，相反，它将寻求合伙人，将其技术开发成为燃料电池产品。

STMicroelectronics公司沿着类似的路线发展，它对硅的微结构进行了探索。其电化学蚀刻工艺形成了一种海绵状多孔硅3D结构，反应物可以扩散到其中。催化剂通过单独的电化学工艺进行淀积，这大大增加了化学反应所依附的表面积。

STMicroelectronics 公司中央研发部的硅技术主管Dr. Salvo Coffa认为，“标准DMFC的能量密度约为50mW/cm2，但如果密度如此之低的话，就无法将燃料电池运用到移动电话中。在我们的3D结构中，我们让气体和膜紧密接触，而且为电子提供了一个运输结构。我们预计2004年底前能用海绵硅的燃料电池制成一个可以工作的样机，其功率密度达到150mW/cm2，而到2005年DMFC的输出将达到约500mW/cm2。”

Energy Related Devices公司(ERD)通过在衬底上钻小孔的办法制作出了用于DMFC化学反应的大表面积结构。该公司的创始人Robert Hockaday介绍，“我们没有将多层板层叠起来构成一个电池单元阵列，这让人担心各单元间的密封性，我们是以制作印刷电路板的办法来制作燃料电池。”ERD在一个衬底上印刷出多个小单元，并构成阵列，该工艺可以降低DMFC的制造难度(图3)。“我们推出产品还要等上一年。我们的一台样机到目前为止在试验室里已经连续工作了24个月。”

燃料电池的工作原理

在DMFC中，甲醇(CH3OH)和水(H2O)进入燃料电池的一端并移动到催化剂(一般是Pt)处(图4)。催化剂促使甲醇和水变为二氧化碳、氢离子(H+)和电子(e-)。电子从阳极出发，流经一个电负载到达阴极。在阴极处，空气中的氧气、电子和阳极处产生的氢离子发生反应形成水。

2CH3OH＋3O2→2CO2＋4H2O＋能量

氢离子穿过将两个电极分隔开的聚合物薄膜。大多数膜需要一定的水，但多余的水将穿过薄膜并“淹没“阴极，阻碍氧气与之接触。过多的水也减少了电池的效率(约2%0~45%)。

薄膜也必须阻止甲醇从阳极一侧扩散到阴极一侧。这是一个很难解决的问题，因为甲醇和水有相似的特性，无人会认为世间存在一种完美的“无甲醇沾染”的膜，但几家公司已经开发出了能减少甲醇和水互混的薄膜。

在某些设计中，轻微的甲醇混溶是有益的。甲醇在阴极发生氧化，并发出少量的热，这可以提高整个燃料电池的反应速率。

电极也是工程开发方面的一个难题。它们不仅要为电子提供一条通路，而且必须能容纳少量的催化剂，并容许甲醇、水和氧气的扩散，提供到膜的有效界面，从而让反应废物排出。