燃料電池：下一代移動(dòng)設(shè)備電源

2004年4月B版

　　燃料電池供應(yīng)公司在今年年末至明年年初還不會(huì)作出什么大動(dòng)作，但這并不意味著設(shè)計(jì)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(xiàn)在市場(chǎng)上，工程師應(yīng)該了解它們將對(duì)便攜式和特種設(shè)備的設(shè)計(jì)產(chǎn)生的影響。

　　燃料電池最初于1839年問(wèn)世，當(dāng)時(shí)，William Grove對(duì)水進(jìn)行電解試驗(yàn)。Grove觀察到，當(dāng)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(yàn)裝置發(fā)出了少量的電流。但是，把這種實(shí)驗(yàn)室里的新奇現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為一種實(shí)用的電源卻花去了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間和大量的努力。如今數(shù)十家公司研發(fā)燃料電池技術(shù)，但卻只有少數(shù)幾家能將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

　　雖然很多化學(xué)反應(yīng)都可以用于燃料電池中的電能產(chǎn)生，但大多數(shù)開(kāi)發(fā)都圍繞著氫和氧的復(fù)合。要對(duì)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(yùn)輸是不切實(shí)際的，而這種燃料電池將用于驅(qū)動(dòng)消費(fèi)類(lèi)裝置。于是，對(duì)便攜式電子裝置的電源研究現(xiàn)在圍繞著氧氣和甲醇(亦稱(chēng)為木精或木醇)的運(yùn)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(jī)能輕松的驅(qū)動(dòng)便攜式個(gè)人數(shù)字助理(PDA)。會(huì)出現(xiàn)耗電尖峰的裝置，必須由燃料電池和儲(chǔ)能裝置的組合來(lái)供電。

　　圖2  硅材料內(nèi)部一條溝道的截面圖，該圖表明，溝道內(nèi)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(yīng)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(kuò)散層，后者的作用是讓燃料接觸催化劑，使反應(yīng)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(shù)開(kāi)發(fā)公司預(yù)計(jì)，最早的DMFC應(yīng)用將在小型化裝置中實(shí)現(xiàn)，如軍用品或必須長(zhǎng)時(shí)間脫開(kāi)電力線而工作的設(shè)備。軍品研究者力圖減少士兵所負(fù)荷的重量，燃料電池是一種有吸引力的電池替代品或補(bǔ)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(shè)計(jì)需要小風(fēng)扇和泵來(lái)移送氣體及液體，因此其運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)的鋰離子電池相比。

消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品電源

　　消費(fèi)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(jī)，只能工作約一個(gè)小時(shí)，因此，如果廠商能提供實(shí)用的、廉價(jià)的DMFC，消費(fèi)者就會(huì)購(gòu)買(mǎi)。可重新添加燃料的DMFC能讓一個(gè)電視手機(jī)幾乎無(wú)限期的工作下去。MTI Micro Fuel Cells公司的董事長(zhǎng)兼CEO Bill Acker估計(jì)，一加侖(3.8升)甲醇能驅(qū)動(dòng)一個(gè)普通手機(jī)工作約10年。

　　大多數(shù)DMFC供應(yīng)商計(jì)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(chǔ)能裝置(如超級(jí)電容或電池)組合，至少以之作為起步。DMFC在恒定負(fù)載條件下運(yùn)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(dá)到3W，就不要將燃料電池的額定功率規(guī)定為3W?！盉ill Acker說(shuō)。相反，應(yīng)該去設(shè)計(jì)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(fù)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(diào)節(jié)電路。

能源預(yù)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(duì)能源的成本進(jìn)行了分析?！耙慌_(tái)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)。“一個(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(yīng)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(yīng)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(zhàn)，我們很可能實(shí)現(xiàn)不了目標(biāo)?！?/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(yuǎn)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?yàn)楫?dāng)談?wù)撃芰俊芏取瘯r(shí)，同時(shí)必須把物理設(shè)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(xiàn)能產(chǎn)生200Wh/l~350Wh/l能量的DMFC系統(tǒng)?！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(xiàn)產(chǎn)品的水平。我們將會(huì)制成1000~1200Wh/l的DMFC系統(tǒng)。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。”

　　“人們需要便攜式設(shè)備時(shí)，他們會(huì)為這種方便性而付出額外的費(fèi)用，消費(fèi)者不會(huì)因?yàn)楣P記本電腦比臺(tái)式機(jī)便宜而購(gòu)買(mǎi)它，他們之所以購(gòu)買(mǎi)，是因?yàn)樗奖銛y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(shè)計(jì)者也需要考慮發(fā)熱問(wèn)題，”Motorola實(shí)驗(yàn)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(nèi)部發(fā)出的熱量散發(fā)掉是一件困難的事情。因此，設(shè)計(jì)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(dú)立電源。

　　DMFC對(duì)燃料的處置本身亦是工程上的一項(xiàng)挑戰(zhàn)：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?cè)诟鼡Q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(yù)包裝也應(yīng)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(xiàn)有效的銷(xiāo)售，許多DMFC廠商與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(jī)

　　甲醇的使用面臨另一個(gè)障礙：安全方面的法規(guī)。如今，消費(fèi)者尚不能將甲醇帶上商業(yè)航班，因?yàn)闆](méi)有任何標(biāo)準(zhǔn)對(duì)消費(fèi)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(jī)前，也不得不經(jīng)歷了相似的認(rèn)證流程。

　　國(guó)際電子技術(shù)委員會(huì)和Underwriters試驗(yàn)室(UL)正在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化方面的工作。美國(guó)交通部已經(jīng)向聯(lián)合國(guó)提交了一份提案，以求將甲醇從“易燃液體”類(lèi)(Class 3)轉(zhuǎn)移到“其他危險(xiǎn)材料”類(lèi)(Class 9)中。這項(xiàng)更改一旦完成，燃料電池制造商和甲醇盒供應(yīng)商可以向民用航空?qǐng)F(tuán)體申請(qǐng)批準(zhǔn)攜帶，不過(guò)，不需帶上商業(yè)航班的設(shè)備和燃料盒則無(wú)需任何批準(zhǔn)。

　　DuPont公司的Dave Reicher認(rèn)為，即使在長(zhǎng)途商業(yè)旅行中，大多數(shù)人還是會(huì)攜帶500ml~600ml的密封甲醇。Reichert指出供應(yīng)商將能設(shè)計(jì)出足以通過(guò)國(guó)際組織制定的安全標(biāo)準(zhǔn)的包裝盒。包裝通過(guò)了跌落、壓力和其他測(cè)試后，它們盛裝的易燃性甲醇本身就是安全的了。在大多數(shù)情況下，消費(fèi)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(nèi)還不能出現(xiàn)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(shè)計(jì)。Motorola實(shí)驗(yàn)室的研究者已經(jīng)以陶瓷材料形成了微流體3D結(jié)構(gòu)。陶瓷可以起到小型反應(yīng)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公司沿著類(lèi)似的路線發(fā)展，它對(duì)硅的微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，反應(yīng)物可以擴(kuò)散到其中。催化劑通過(guò)單獨(dú)的電化學(xué)工藝進(jìn)行淀積，這大大增加了化學(xué)反應(yīng)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(rèn)為，“標(biāo)準(zhǔn)DMFC的能量密度約為50mW/cm2，但如果密度如此之低的話，就無(wú)法將燃料電池運(yùn)用到移動(dòng)電話中。在我們的3D結(jié)構(gòu)中，我們讓氣體和膜緊密接觸，而且為電子提供了一個(gè)運(yùn)輸結(jié)構(gòu)。我們預(yù)計(jì)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(jī)，其功率密度達(dá)到150mW/cm2，而到2005年DMFC的輸出將達(dá)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(yīng)的大表面積結(jié)構(gòu)。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(gòu)成一個(gè)電池單元陣列，這讓人擔(dān)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(gòu)成陣列，該工藝可以降低DMFC的制造難度(圖3)。“我們推出產(chǎn)品還要等上一年。我們的一臺(tái)樣機(jī)到目前為止在試驗(yàn)室里已經(jīng)連續(xù)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肌潆x子(H+)和電子(e-)。電子從陽(yáng)極出發(fā)，流經(jīng)一個(gè)電負(fù)載到達(dá)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(yīng)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(shù)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(cè)擴(kuò)散到陰極一側(cè)。這是一個(gè)很難解決的問(wèn)題，因?yàn)榧状己退邢嗨频奶匦?，無(wú)人會(huì)認(rèn)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(shè)計(jì)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(yīng)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(kuò)散，提供到膜的有效界面，從而讓反應(yīng)廢物排出。■