燃料电池挺进微型时代

虽然燃料电池微型化困难重重，但是巨大的应用需求与产业机会谁也不想错过！

谈及燃料电池，人们往往想到宇航飞行器所用电源、变电站、电动汽车等千瓦级燃料电池堆，尽管早有报道称燃料电池已经开始在电子领域应用，但直到2003年3月，东芝、NEC、日立等公司在日本纳米展上展出了新的微型燃料电池原型设计，人们才真正意识到燃料电池微型化时代的到来。近年来，随着笔记本电脑、手机等便携电子设备的迅猛发展，人们对便携式电源的需求量快速增加，预计二次电池（二次电池指可反复充放电循环使用的电池）的年潜在销售额将超过450万美元。其中，5年前才出现的微型燃料电池作为新的动力之源以其特有的环保优势成为最抢手的便携设备电源，它带来的是电池能源的一场革命！

一、二次电池的终结者

微型燃料电池（输出功率小于50瓦的燃料电池）的出现不仅使人们在配置电源时多了一种选择，而其自身的环保性和高效率也将其应用前景诠释得异常光明。目前，已有多家公司宣布，能够为笔记本电脑持续供电10小时之久的微型燃料电池即将实现商业化生产，日本的东芝公司和NEC公司准备在2004年向市场投放使用微型燃料电池的标准笔记本电脑，而卡西欧、索尼、日立，以及韩国的三星等公司也正在紧锣密鼓地研究微型燃料电池技术。

1. 微型燃料电池vs传统电池

分析人士预计，在2004年全球范围内发货的笔记本电脑中将有大约2000部安装燃料电池，但4年之后，这一数字将大幅上升至100万部，市场营收将达到1.5亿美元，到2011年安装燃料电池的笔记本电脑全球出货量将达到1.2亿部，营收将达到12亿美元。所以，在初期阶段微型燃料电池很可能会作为普通电池的备用电池出现，之后就逐渐淘汰普通电池。但是，作为当前市场上独领风骚的便携电源，普通二次电池也在通过不断的技术进步来守住自己的市场，不会轻易退出市场，因此，激烈的竞争是难免的。

那么，微型燃料电池能够成为二次电池的终结者吗？这要从微型燃料电池的优点谈起。

通过工艺上的改进，微型燃料电池的体积正在逐渐减小，目前大小已接近喷墨打印机的墨盒，但其传输能量的效率却在不断攀升，从理论上讲，微型燃料电池每充填一次燃料可以使手机连续使用几个月，或使笔记本电脑持续工作100余小时（普通笔记本电脑每次充电只可连续工作2至3小时），而且其使用寿命可长达20年，是一般可充电电池的几百倍。从价格上来看，用于笔记本电脑的微型燃料电池的市场价格预计在200美元左右，而现在的普通电池的售价也在120到180美元之间。另外，燃料电池不需要充电，也不需要为充电花费时间，换一个燃料罐花费不到1分钟的时间，正像通常更换电池一样，燃料罐里存放的是燃料，不像普通电池那样有存放时间，过期不用会作废。而且，燃料电池的电流比通常的电池稳定得多，更重要的是，燃料电池具有一般电池无可比拟的高电容量(电量与质量之比)，简单地说，是质轻而电足。

另一方面，传统电池的物理性能决定了它目前已经基本发展到了极限，不能满足高用电量的未来便携式电子器件对电力的需求。试想如果为了给一个微型电子器件提供所需的电力，而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微型能源发展道路上的一种“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、掌上电脑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。

2. 永不停歇的“发电机”

事实上，微型燃料电池并不是电池，而属于发电装置，也就是说，只要供给燃料，微型燃料电池就可以永不停歇地工作。尽管燃料电池和普通电池的工作原理都是将化学能转变为电能，但是普通电池所能提供的能量取决于它所含活性物质（化学物质）的多少，所以普通电池的大小在一定程度上决定了它所提供能量的大小。而燃料电池，尽管也有体积的大小，但是从理论上讲，它却不受此限制，其供电时间是无限的，这是因为活性物质并不包含在机械构件中，而是以盒子的形式加装的，只要你添加燃料，就可以供电，就如同汽车一样，尽管发动机的大小是一定的，但决定汽车行程多远的是汽油。

5年内微型燃料电池将打入市场，它将是传统电池的替代产品。目前用做便携电子产品电源的只有蓄电池，如镍镉电池、锂离子电池和正在研究中的锌－空气电池。其中包括锂聚合物电池在内的锂离子二次电池是目前市场上二次电池的佼佼者，现在其性能为450Wh/kg，几年后有望达到550Wh/kg，虽然这种锂离子电池的性能极限为600Wh/kg左右，但是锂离子电池负极、正极材料的新发展、新型设计、新工艺将使锂离子电池性能超过现在。

但是让笔记本电脑等便携式电子设备的设计者们苦恼万分的是锂离子蓄电池（LIB,Li-ion Battery）的重量高达几公斤，而微处理器的功耗每10年增长100倍，而LIB的容量大约每10年仅提高2倍左右。例如，Intel公司的1GHz时钟频率的PentiumⅢ微处理器的功耗已高达36W，而现代18650型（直径18mm、高65mm、重量为45g）的LIB，仅有7.4Wh的容量。富士通公司的实验数据表明，一台普通的笔记本电脑平均功耗为50W，若让它工作10小时，需要500Wh的电力，以上述的LIB供电，不得不用68块LIB的电池组供电，其重量将达3kg。

面对上述的事实，很多技术人员认为，对LIB不能再抱有幻想，因为现在常用的蓄电池（NiCd、NiMH、LIB）的能量密度虽然每年都有所提高，但是它们的发展潜力有限。目前世界上对蓄电池最乐观的估计是其性能在下一个五年里最多提高2～3倍。目前市场上最先进的锂离子充电电池的能量密度在100Wh/kg左右，此指标在五年内最多只能提高到250Wh/kg左右。于是，人们把目光集中到燃料电池身上，期望一种小巧的燃料电池问世，摆脱LIB的束缚，取得便携式电子机器设计上的更大自由度。同时考虑到燃料电池的使用寿命可达普通充电电池的10倍，这为其销售价格提供了很大选择范围，即使贵一些也会有相当大的市场。显而易见，微型燃料电池与传统充电电池相比占有绝对优势。今年4月份，位于美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯的科学曼哈顿公司推出了一款微型燃料电池，据报道其提供的电能容量是锂离子电池的6至9倍。美国商业部下属的国家标准技术研究所（NIST）负责高级技术项目的经理Gerald Caesar说：“在微型燃料电池领域内正进行着一场激烈的竞争。如果这些公司能够降低成本，并使这项技术在保持小型化的同时还能保持较高的能量容量，它们就很有可能会取代锂离子技术。”

二、氢存储牵动致命“神经”

尽管进入电子世界的微型燃料电池有着光明的应用前景，但要实现真正的商业化，目前仍有诸多技术问题需要解决，如微型燃料电池系统设计、高选择性质子传导膜、高效能薄膜组装电极等关键材料及元件、水管理、定体积的能量浓度、完善的包装技术等，其中燃料问题显得尤为突出，能否解决好这个问题将直接影响到微型燃料电池的未来发展！

1. 永不停止的微型化步伐

目前最有希望微型化的燃料电池是已经十分成熟的质子交换膜(PEM)氢氧燃料电池。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，液氢(liquidH2)的体积虽然可以很小，但是氢气的临界温度是零下240℃，其条件之苛刻，不是谁都可以做到的，把它装进微型储罐到处出售，谈何容易。更何况，把一个高压氢气罐存放在衣服口袋里，对一个普通百姓来说无论如何也是接受不了的。因此，氢的存储方式还有待改进。

那么，有没有其他方法储存氢气呢？有。

方法之一就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，使用氢含量达2%的金属氢化物(MHSS)的体积仅0.25升，远小于加压下的氢气。不过，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)是随电池体积变小而降低的。通过与目前在市场上买得到的锂离子电池和镍氢电池的储能效率相比可以知道，含2%(质量)氢的金属氢化物的储能效率几乎是高能电池储能效率的2倍。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电池更优越。这对燃料电池的微型化有些不利。

不过还有一种方法——储氢纳米碳管技术目前也获得重大进展。据报道，在室温、100个大气压下，在纳米碳管里可储存达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，其余的氢也能放出来。碳很轻，若能用碳纳米管储氢，肯定能够大大提高电池的能量密度。另外，也有人提出使用硼氢化钠储存氢，不过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中，安全技术目前实难克服。如果再看得更远一些，人们发现，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仍然是稳定的，如若真的这样，一切问题都将迎刃而解。

纯氢是一种比较累赘的能源，难于贮存，难于携带，对于手机这种对体积要求很高的装置来说，氢燃料根本无法应用。解决这一问题的常用方法是使用诸如甲醇之类的液体燃料，从中提取氢。但这种方法也存在着很多问题。将甲醇和水转变为氢和二氧化碳的反应要求使用大型反应容器，反应的最佳温度是250℃。于是近年来，科研人员研制出一种直接甲醇燃料电池（DMFC）。所谓“直接”，是相对于一些用甲醇为燃料的车载燃料电池而言的，后者不是直接将甲醇输入电池发电，而是首先通过化学转化器转化为氢气和碳，再把氢气分离出来输入氢氧燃料电池中，而前者则使用铂催化剂在室温下从甲醇中提取氢，因而不必使用转化装置。因此，人们普遍认为，“直接甲醇燃料电池”是一项重大突破，有可能在很大程度上促进燃料电池的微型化。

今年年初，设在慕尼黑的一家智能燃料电池公司推出了被称为“世界最袖珍的直接甲醇燃料电池”，该电池约半块砖头大小，重2公斤。在测试中，一瓶175毫升的甲醇就能连续8小时产生40瓦的电力，这足以为一台笔记本电脑、一部打印机和一部手机同时供电。智能燃料电池公司首席技术官延斯