燃料電池：下一代移動(dòng)設備電源

2004年4月B版

　　燃料電池供應公司在今年年末至明年年初還不會(huì )作出什么大動(dòng)作，但這并不意味著(zhù)設計者在買(mǎi)得起燃料電池以前就不去理會(huì )它，最終，燃料電池將出現在市場(chǎng)上，工程師應該了解它們將對便攜式和特種設備的設計產(chǎn)生的影響。

　　燃料電池最初于1839年問(wèn)世，當時(shí)，William Grove對水進(jìn)行電解試驗。Grove觀(guān)察到，當電極與分隔開(kāi)來(lái)的氫氣和氧氣發(fā)生接觸時(shí)，他的試驗裝置發(fā)出了少量的電流。但是，把這種實(shí)驗室里的新奇現象轉化為一種實(shí)用的電源卻花去了相當長(cháng)的時(shí)間和大量的努力。如今數十家公司研發(fā)燃料電池技術(shù)，但卻只有少數幾家能將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

　　雖然很多化學(xué)反應都可以用于燃料電池中的電能產(chǎn)生，但大多數開(kāi)發(fā)都圍繞著(zhù)氫和氧的復合。要對小型燃料電池中所使用的、經(jīng)過(guò)壓縮或液化的氫氣進(jìn)行運輸是不切實(shí)際的，而這種燃料電池將用于驅動(dòng)消費類(lèi)裝置。于是，對便攜式電子裝置的電源研究現在圍繞著(zhù)氧氣和甲醇(亦稱(chēng)為木精或木醇)的運用(圖1)。甲醇提供了氫，而空氣提供了氧，直接使用甲醇的燃料電池也因之得名直接甲醇燃料電池(DMFC)。

　　圖1  一個(gè)DMFC樣機能輕松的驅動(dòng)便攜式個(gè)人數字助理(PDA)。會(huì )出現耗電尖峰的裝置，必須由燃料電池和儲能裝置的組合來(lái)供電。

　　圖2  硅材料內部一條溝道的截面圖，該圖表明，溝道內層是海綿狀的多孔硅，它含有燃料電池的催化劑，化學(xué)反應在該層進(jìn)行。

　　圖3  在一個(gè)襯底上制作燃料電池并將其串連起來(lái)可以簡(jiǎn)化制造工藝，并減小電池尺寸、在這一名片大小的器件中，襯底上的小孔增加了垂直電池單元面積。

　　圖4  一個(gè)DMFC需要使用多孔狀電極和一個(gè)擴散層，后者的作用是讓燃料接觸催化劑，使反應產(chǎn)物散逸，并讓電子移動(dòng)到電極而氫離子移動(dòng)到薄膜上。

　　大多數開(kāi)發(fā)公司預計，最早的DMFC應用將在小型化裝置中實(shí)現，如軍用品或必須長(cháng)時(shí)間脫開(kāi)電力線(xiàn)而工作的設備。軍品研究者力圖減少士兵所負荷的重量，燃料電池是一種有吸引力的電池替代品或補充物。DMFC能以比電池輕的重量發(fā)出大量的能量，但需要換氣，以收集氧氣和釋放水汽。很多DMFC設計需要小風(fēng)扇和泵來(lái)移送氣體及液體，因此其運行經(jīng)常發(fā)出噪聲，而且到目前為止，很難用于水下或隱蔽使用的場(chǎng)合。

　　由于第一代DMFC的市場(chǎng)將由軍工工程師、技術(shù)方面的狂熱愛(ài)好者和早期用戶(hù)來(lái)支撐，這些電源將變得更小、效率更高而且價(jià)格更低。DMFC最終將進(jìn)入主流市場(chǎng)，不過(guò)就目前而言，它們的能量密度還不足以與標準的鋰離子電池相比。

消費類(lèi)產(chǎn)品電源

　　消費類(lèi)市場(chǎng)確實(shí)需要DMFC電源。接收電視廣播的流行款式手機，只能工作約一個(gè)小時(shí)，因此，如果廠(chǎng)商能提供實(shí)用的、廉價(jià)的DMFC，消費者就會(huì )購買(mǎi)?？芍匦绿砑尤剂系腄MFC能讓一個(gè)電視手機幾乎無(wú)限期的工作下去。MTI Micro Fuel Cells公司的董事長(cháng)兼CEO Bill Acker估計，一加侖(3.8升)甲醇能驅動(dòng)一個(gè)普通手機工作約10年。

　　大多數DMFC供應商計劃通過(guò)混合式電源來(lái)闖入市場(chǎng)，就是將燃料電池和儲能裝置(如超級電容或電池)組合，至少以之作為起步。DMFC在恒定負載條件下運行情況最好，因此在一個(gè)混合式電源中，燃料電池將提供恒定的功率，而靠電容或電池來(lái)滿(mǎn)足峰值功率方面的要求?！叭绻b置消耗的平均功率為0.5W，但需要的峰值功率達到3W，就不要將燃料電池的額定功率規定為3W?！盉ill Acker說(shuō)。相反，應該去設計一個(gè)電源和能源組合，以滿(mǎn)足總的功率需求。

　　一個(gè)典型的“燃料電池”事實(shí)上是由一組單個(gè)的電池單元串連而成的。單個(gè)單元的供電電壓為0.7V~0.9V(開(kāi)路時(shí))，約為其理論輸出的1/3。帶負載后，輸出跌落至約0.3V~0.5V。一般來(lái)說(shuō)，燃料電池需要外接一定的功率調節電路。

能源預算

　　首批由DMFC供電的商業(yè)化產(chǎn)品將比電池供電的產(chǎn)品貴10%~20%，但依然有良好的市場(chǎng)前景。Direct Methanol Fuel Cell公司的CEO  Dr. Carl Kukkonen對能源的成本進(jìn)行了分析?！耙慌_3000美元的汽車(chē)引擎可產(chǎn)生約100kW的功率，因此每kW成本為30美元，”Kukkonen說(shuō)?！耙粋€(gè)筆記本電腦的電池可發(fā)出約12W的功率，成本是130美元，相應每kW功率成本為11,000美元。DMFC的價(jià)格要低得多—1000美元/kW~2000美元/kW。業(yè)界將為汽車(chē)應用而把燃料電池的成本降低到30美元/kW，但那將是一個(gè)重大的挑戰，我們很可能實(shí)現不了目標?！?/P>

　　下面從另一個(gè)角度看DMFC的“潛力”?！凹状嫉目偰芰咳萘繛?,000 Wh/l。但我們永遠不能汲取出全部能量，”DuPont公司的DMFC市場(chǎng)開(kāi)發(fā)經(jīng)理Dave Reichert說(shuō)?！耙驗楫斦?wù)撃芰俊芏取瘯r(shí)，同時(shí)必須把物理設備考慮進(jìn)去—電池單元、燃料盒和容器中的其它東西?！?/P>

　　2004年末或2005年初，有望出現能產(chǎn)生200Wh/l~350Wh/l能量的DMFC系統?！斑@一量值在目前鋰離子電池的輸出范圍中只居于較低的水平，”Reichert說(shuō)?！暗@個(gè)量值只代表了市場(chǎng)上最早出現產(chǎn)品的水平。我們將會(huì )制成1000~1200Wh/l的DMFC系統。鋰離子電池的理論極限約為600Wh/l，因此DMFC可以提供的功率密度將是其兩倍?！?/P>

　　“人們需要便攜式設備時(shí)，他們會(huì )為這種方便性而付出額外的費用，消費者不會(huì )因為筆記本電腦比臺式機便宜而購買(mǎi)它，他們之所以購買(mǎi)，是因為它方便攜帶。DMFC讓他們能擺脫電力網(wǎng)絡(luò )的束縛?！?/P>

燃料電池的發(fā)熱問(wèn)題

　　“設計者也需要考慮發(fā)熱問(wèn)題，”Motorola實(shí)驗室的能源技術(shù)主管Jerry Hallmark介紹?！叭绻剂想姵匦蕿?5%，而需要20W的電能，那么在獲得這20W電能的同時(shí)卻要付出60W的熱量。這一發(fā)熱超過(guò)了電池的水平，因此需要把過(guò)多的熱散發(fā)掉。那20W電能最后也會(huì )在功率器件中變成熱量?！?/P>

　　要將筆記本電腦或者便攜式儀器內部發(fā)出的熱量散發(fā)掉是一件困難的事情。因此，設計者不能簡(jiǎn)單的用DMFC或者混合式電源來(lái)替換電池。不過(guò)，他們可以用DMFC作為充電器或者獨立電源。

　　DMFC對燃料的處置本身亦是工程上的一項挑戰：將甲醇分發(fā)給用戶(hù)而且要確保用戶(hù)能安全的處理這些燃料。人們在更換噴墨或激光打印原料盒時(shí)，并不需要將墨水或顏料搖勻，甲醇的預包裝也應該具有同樣的優(yōu)點(diǎn)。為了幫助DMFC進(jìn)行市場(chǎng)開(kāi)拓，并確保甲醇采用方便易用的包裝而實(shí)現有效的銷(xiāo)售，許多DMFC廠(chǎng)商與Gillette和BIC之類(lèi)的公司建立了聯(lián)系。但是目前在便利商店的貨架上還是找不到甲醇燃料盒的。

甲醇必須能帶上飛機

　　甲醇的使用面臨另一個(gè)障礙：安全方面的法規。如今，消費者尚不能將甲醇帶上商業(yè)航班，因為沒(méi)有任何標準對消費者攜帶這種燃料進(jìn)行管理。但在未來(lái)18~24個(gè)月中，這一情況將發(fā)生改變。(鋰離子電池在可以帶上商用飛機前，也不得不經(jīng)歷了相似的認證流程。

　　國際電子技術(shù)委員會(huì )和Underwriters試驗室(UL)正在進(jìn)行標準化方面的工作。美國交通部已經(jīng)向聯(lián)合國提交了一份提案，以求將甲醇從“易燃液體”類(lèi)(Class 3)轉移到“其他危險材料”類(lèi)(Class 9)中。這項更改一旦完成，燃料電池制造商和甲醇盒供應商可以向民用航空團體申請批準攜帶，不過(guò)，不需帶上商業(yè)航班的設備和燃料盒則無(wú)需任何批準。

　　DuPont公司的Dave Reicher認為，即使在長(cháng)途商業(yè)旅行中，大多數人還是會(huì )攜帶500ml~600ml的密封甲醇。Reichert指出供應商將能設計出足以通過(guò)國際組織制定的安全標準的包裝盒。包裝通過(guò)了跌落、壓力和其他測試后，它們盛裝的易燃性甲醇本身就是安全的了。在大多數情況下，消費者將使用一次性的、不可私自重新灌注的密封盒。一個(gè)自閉閥將能防止甲醇的潑灑。

嶄露頭角的革新

　　即便DMFC短期內還不能出現在市場(chǎng)上，人們的研究還是帶來(lái)了若干新的燃料電池設計。Motorola實(shí)驗室的研究者已經(jīng)以陶瓷材料形成了微流體3D結構。陶瓷可以起到小型反應器的作用，在其中，甲醇將裂解而產(chǎn)生氫氣，該過(guò)程稱(chēng)為重整。氫氣在陶瓷的另一部分消耗掉，從而形成一個(gè)燃料電池。Motorola公司并不制造燃料電池，相反，它將尋求合伙人，將其技術(shù)開(kāi)發(fā)成為燃料電池產(chǎn)品。

　　STMicroelectronics公司沿著(zhù)類(lèi)似的路線(xiàn)發(fā)展，它對硅的微結構進(jìn)行了探索。其電化學(xué)蝕刻工藝形成了一種海綿狀多孔硅3D結構，反應物可以擴散到其中。催化劑通過(guò)單獨的電化學(xué)工藝進(jìn)行淀積，這大大增加了化學(xué)反應所依附的表面積。

　　STMicroelectronics 公司中央研發(fā)部的硅技術(shù)主管Dr. Salvo Coffa認為，“標準DMFC的能量密度約為50mW/cm2，但如果密度如此之低的話(huà)，就無(wú)法將燃料電池運用到移動(dòng)電話(huà)中。在我們的3D結構中，我們讓氣體和膜緊密接觸，而且為電子提供了一個(gè)運輸結構。我們預計2004年底前能用海綿硅的燃料電池制成一個(gè)可以工作的樣機，其功率密度達到150mW/cm2，而到2005年DMFC的輸出將達到約500mW/cm2?！?/P>

　　Energy Related Devices公司(ERD)通過(guò)在襯底上鉆小孔的辦法制作出了用于DMFC化學(xué)反應的大表面積結構。該公司的創(chuàng )始人Robert Hockaday介紹，“我們沒(méi)有將多層板層疊起來(lái)構成一個(gè)電池單元陣列，這讓人擔心各單元間的密封性，我們是以制作印刷電路板的辦法來(lái)制作燃料電池?！盓RD在一個(gè)襯底上印刷出多個(gè)小單元，并構成陣列，該工藝可以降低DMFC的制造難度(圖3)?！拔覀兺瞥霎a(chǎn)品還要等上一年。我們的一臺樣機到目前為止在試驗室里已經(jīng)連續工作了24個(gè)月?！?/P>

燃料電池的工作原理

　　在DMFC中，甲醇(CH3OH)和水(H2O)進(jìn)入燃料電池的一端并移動(dòng)到催化劑(一般是Pt)處(圖4)。催化劑促使甲醇和水變?yōu)槎趸?、氫離子(H+)和電子(e-)。電子從陽(yáng)極出發(fā)，流經(jīng)一個(gè)電負載到達陰極。在陰極處，空氣中的氧氣、電子和陽(yáng)極處產(chǎn)生的氫離子發(fā)生反應形成水。

2CH3OH＋3O2→2CO2＋4H2O＋能量

　　氫離子穿過(guò)將兩個(gè)電極分隔開(kāi)的聚合物薄膜。大多數膜需要一定的水，但多余的水將穿過(guò)薄膜并“淹沒(méi)“陰極，阻礙氧氣與之接觸。過(guò)多的水也減少了電池的效率(約2%0~45%)。

　　薄膜也必須阻止甲醇從陽(yáng)極一側擴散到陰極一側。這是一個(gè)很難解決的問(wèn)題，因為甲醇和水有相似的特性，無(wú)人會(huì )認為世間存在一種完美的“無(wú)甲醇沾染”的膜，但幾家公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了能減少甲醇和水互混的薄膜。

　　在某些設計中，輕微的甲醇混溶是有益的。甲醇在陰極發(fā)生氧化，并發(fā)出少量的熱，這可以提高整個(gè)燃料電池的反應速率。

　　電極也是工程開(kāi)發(fā)方面的一個(gè)難題。它們不僅要為電子提供一條通路，而且必須能容納少量的催化劑，并容許甲醇、水和氧氣的擴散，提供到膜的有效界面，從而讓反應廢物排出?！?BR>