燃料電池挺進(jìn)微型時(shí)代

雖然燃料電池微型化困難重重，但是巨大的應(yīng)用需求與產(chǎn)業(yè)機(jī)會誰也不想錯過！

談及燃料電池，人們往往想到宇航飛行器所用電源、變電站、電動汽車等千瓦級燃料電池堆，盡管早有報(bào)道稱燃料電池已經(jīng)開始在電子領(lǐng)域應(yīng)用，但直到2003年3月，東芝、NEC、日立等公司在日本納米展上展出了新的微型燃料電池原型設(shè)計(jì)，人們才真正意識到燃料電池微型化時(shí)代的到來。近年來，隨著筆記本電腦、手機(jī)等便攜電子設(shè)備的迅猛發(fā)展，人們對便攜式電源的需求量快速增加，預(yù)計(jì)二次電池（二次電池指可反復(fù)充放電循環(huán)使用的電池）的年潛在銷售額將超過450萬美元。其中，5年前才出現(xiàn)的微型燃料電池作為新的動力之源以其特有的環(huán)保優(yōu)勢成為最搶手的便攜設(shè)備電源，它帶來的是電池能源的一場革命！

一、二次電池的終結(jié)者

微型燃料電池（輸出功率小于50瓦的燃料電池）的出現(xiàn)不僅使人們在配置電源時(shí)多了一種選擇，而其自身的環(huán)保性和高效率也將其應(yīng)用前景詮釋得異常光明。目前，已有多家公司宣布，能夠?yàn)楣P記本電腦持續(xù)供電10小時(shí)之久的微型燃料電池即將實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，日本的東芝公司和NEC公司準(zhǔn)備在2004年向市場投放使用微型燃料電池的標(biāo)準(zhǔn)筆記本電腦，而卡西歐、索尼、日立，以及韓國的三星等公司也正在緊鑼密鼓地研究微型燃料電池技術(shù)。

1. 微型燃料電池vs傳統(tǒng)電池

分析人士預(yù)計(jì)，在2004年全球范圍內(nèi)發(fā)貨的筆記本電腦中將有大約2000部安裝燃料電池，但4年之后，這一數(shù)字將大幅上升至100萬部，市場營收將達(dá)到1.5億美元，到2011年安裝燃料電池的筆記本電腦全球出貨量將達(dá)到1.2億部，營收將達(dá)到12億美元。所以，在初期階段微型燃料電池很可能會作為普通電池的備用電池出現(xiàn)，之后就逐漸淘汰普通電池。但是，作為當(dāng)前市場上獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷的便攜電源，普通二次電池也在通過不斷的技術(shù)進(jìn)步來守住自己的市場，不會輕易退出市場，因此，激烈的競爭是難免的。

那么，微型燃料電池能夠成為二次電池的終結(jié)者嗎？這要從微型燃料電池的優(yōu)點(diǎn)談起。

通過工藝上的改進(jìn)，微型燃料電池的體積正在逐漸減小，目前大小已接近噴墨打印機(jī)的墨盒，但其傳輸能量的效率卻在不斷攀升，從理論上講，微型燃料電池每充填一次燃料可以使手機(jī)連續(xù)使用幾個(gè)月，或使筆記本電腦持續(xù)工作100余小時(shí)（普通筆記本電腦每次充電只可連續(xù)工作2至3小時(shí)），而且其使用壽命可長達(dá)20年，是一般可充電電池的幾百倍。從價(jià)格上來看，用于筆記本電腦的微型燃料電池的市場價(jià)格預(yù)計(jì)在200美元左右，而現(xiàn)在的普通電池的售價(jià)也在120到180美元之間。另外，燃料電池不需要充電，也不需要為充電花費(fèi)時(shí)間，換一個(gè)燃料罐花費(fèi)不到1分鐘的時(shí)間，正像通常更換電池一樣，燃料罐里存放的是燃料，不像普通電池那樣有存放時(shí)間，過期不用會作廢。而且，燃料電池的電流比通常的電池穩(wěn)定得多，更重要的是，燃料電池具有一般電池?zé)o可比擬的高電容量(電量與質(zhì)量之比)，簡單地說，是質(zhì)輕而電足。

另一方面，傳統(tǒng)電池的物理性能決定了它目前已經(jīng)基本發(fā)展到了極限，不能滿足高用電量的未來便攜式電子器件對電力的需求。試想如果為了給一個(gè)微型電子器件提供所需的電力，而配備一個(gè)比它大幾倍重幾倍的電池，這如何能容忍？

這樣理解，才會把微型燃料電池理解為微型能源發(fā)展道路上的一種“山窮水盡疑無路，柳暗花明又一村”的情景。據(jù)報(bào)道，最好的傳統(tǒng)電池可提供的電力是300瓦小時(shí)/千克(Wh/kg)，大多數(shù)實(shí)用傳統(tǒng)電池僅達(dá)其一半。美國國防部估計(jì)，到2003年，需要配置在便攜式軍用電子器具上的電池應(yīng)當(dāng)達(dá)到1000Wh/kg，到2006年需上升到3100Wh/kg。韓國三星電子集團(tuán)估計(jì)，下一代便攜式計(jì)算機(jī)、手機(jī)、掌上電腦等電子器具所需電力為500Wh/kg，當(dāng)今最好的鋰電池也達(dá)不到此值。

2. 永不停歇的“發(fā)電機(jī)”

事實(shí)上，微型燃料電池并不是電池，而屬于發(fā)電裝置，也就是說，只要供給燃料，微型燃料電池就可以永不停歇地工作。盡管燃料電池和普通電池的工作原理都是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，但是普通電池所能提供的能量取決于它所含活性物質(zhì)（化學(xué)物質(zhì)）的多少，所以普通電池的大小在一定程度上決定了它所提供能量的大小。而燃料電池，盡管也有體積的大小，但是從理論上講，它卻不受此限制，其供電時(shí)間是無限的，這是因?yàn)榛钚晕镔|(zhì)并不包含在機(jī)械構(gòu)件中，而是以盒子的形式加裝的，只要你添加燃料，就可以供電，就如同汽車一樣，盡管發(fā)動機(jī)的大小是一定的，但決定汽車行程多遠(yuǎn)的是汽油。

5年內(nèi)微型燃料電池將打入市場，它將是傳統(tǒng)電池的替代產(chǎn)品。目前用做便攜電子產(chǎn)品電源的只有蓄電池，如鎳鎘電池、鋰離子電池和正在研究中的鋅－空氣電池。其中包括鋰聚合物電池在內(nèi)的鋰離子二次電池是目前市場上二次電池的佼佼者，現(xiàn)在其性能為450Wh/kg，幾年后有望達(dá)到550Wh/kg，雖然這種鋰離子電池的性能極限為600Wh/kg左右，但是鋰離子電池負(fù)極、正極材料的新發(fā)展、新型設(shè)計(jì)、新工藝將使鋰離子電池性能超過現(xiàn)在。

但是讓筆記本電腦等便攜式電子設(shè)備的設(shè)計(jì)者們苦惱萬分的是鋰離子蓄電池（LIB,Li-ion Battery）的重量高達(dá)幾公斤，而微處理器的功耗每10年增長100倍，而LIB的容量大約每10年僅提高2倍左右。例如，Intel公司的1GHz時(shí)鐘頻率的PentiumⅢ微處理器的功耗已高達(dá)36W，而現(xiàn)代18650型（直徑18mm、高65mm、重量為45g）的LIB，僅有7.4Wh的容量。富士通公司的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，一臺普通的筆記本電腦平均功耗為50W，若讓它工作10小時(shí)，需要500Wh的電力，以上述的LIB供電，不得不用68塊LIB的電池組供電，其重量將達(dá)3kg。

面對上述的事實(shí)，很多技術(shù)人員認(rèn)為，對LIB不能再抱有幻想，因?yàn)楝F(xiàn)在常用的蓄電池（NiCd、NiMH、LIB）的能量密度雖然每年都有所提高，但是它們的發(fā)展?jié)摿τ邢?。目前世界上對蓄電池最樂觀的估計(jì)是其性能在下一個(gè)五年里最多提高2～3倍。目前市場上最先進(jìn)的鋰離子充電電池的能量密度在100Wh/kg左右，此指標(biāo)在五年內(nèi)最多只能提高到250Wh/kg左右。于是，人們把目光集中到燃料電池身上，期望一種小巧的燃料電池問世，擺脫LIB的束縛，取得便攜式電子機(jī)器設(shè)計(jì)上的更大自由度。同時(shí)考慮到燃料電池的使用壽命可達(dá)普通充電電池的10倍，這為其銷售價(jià)格提供了很大選擇范圍，即使貴一些也會有相當(dāng)大的市場。顯而易見，微型燃料電池與傳統(tǒng)充電電池相比占有絕對優(yōu)勢。今年4月份，位于美國新墨西哥州洛斯阿拉莫斯的科學(xué)曼哈頓公司推出了一款微型燃料電池，據(jù)報(bào)道其提供的電能容量是鋰離子電池的6至9倍。美國商業(yè)部下屬的國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）負(fù)責(zé)高級技術(shù)項(xiàng)目的經(jīng)理Gerald Caesar說：“在微型燃料電池領(lǐng)域內(nèi)正進(jìn)行著一場激烈的競爭。如果這些公司能夠降低成本，并使這項(xiàng)技術(shù)在保持小型化的同時(shí)還能保持較高的能量容量，它們就很有可能會取代鋰離子技術(shù)。”

二、氫存儲牽動致命“神經(jīng)”

盡管進(jìn)入電子世界的微型燃料電池有著光明的應(yīng)用前景，但要實(shí)現(xiàn)真正的商業(yè)化，目前仍有諸多技術(shù)問題需要解決，如微型燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)、高選擇性質(zhì)子傳導(dǎo)膜、高效能薄膜組裝電極等關(guān)鍵材料及元件、水管理、定體積的能量濃度、完善的包裝技術(shù)等，其中燃料問題顯得尤為突出，能否解決好這個(gè)問題將直接影響到微型燃料電池的未來發(fā)展！

1. 永不停止的微型化步伐

目前最有希望微型化的燃料電池是已經(jīng)十分成熟的質(zhì)子交換膜(PEM)氫氧燃料電池。盡管美國俄亥俄州克利夫蘭大學(xué)的Wainright博士說，氫氧燃料電池是容易微型化的，只需對供給氫氣的系統(tǒng)加壓即可。可是，液氫(liquidH2)的體積雖然可以很小，但是氫氣的臨界溫度是零下240℃，其條件之苛刻，不是誰都可以做到的，把它裝進(jìn)微型儲罐到處出售，談何容易。更何況，把一個(gè)高壓氫氣罐存放在衣服口袋里，對一個(gè)普通百姓來說無論如何也是接受不了的。因此，氫的存儲方式還有待改進(jìn)。

那么，有沒有其他方法儲存氫氣呢？有。

方法之一就是把氫以化合態(tài)形式儲存在一類叫做金屬氫化物的化合物里。這種儲氫法的效率極高，使用氫含量達(dá)2%的金屬氫化物(MHSS)的體積僅0.25升，遠(yuǎn)小于加壓下的氫氣。不過，遺憾的是，用金屬氫化物儲氫的能量密度(每單位重量可以提供的能量)是隨電池體積變小而降低的。通過與目前在市場上買得到的鋰離子電池和鎳氫電池的儲能效率相比可以知道，含2%(質(zhì)量)氫的金屬氫化物的儲能效率幾乎是高能電池儲能效率的2倍。燃料電池跟傳統(tǒng)可充電電池不同，隨著電池儲存能量增高，儲氫的能量密度會增高，而鋰離子電池和鎳氫電池這些可充電電池的能量密度是不隨電池大小而變的。這就是說，燃料電池越大，用金屬氫化物儲氫才比可充電電池更優(yōu)越。這對燃料電池的微型化有些不利。

不過還有一種方法——儲氫納米碳管技術(shù)目前也獲得重大進(jìn)展。據(jù)報(bào)道，在室溫、100個(gè)大氣壓下，在納米碳管里可儲存達(dá)4.2%(質(zhì)量)的氫氣，碳?xì)湓颖葹?∶1，在室溫下將壓力降低到常壓，80%的氫便釋放出來，再稍微加熱，其余的氫也能放出來。碳很輕，若能用碳納米管儲氫，肯定能夠大大提高電池的能量密度。另外，也有人提出使用硼氫化鈉儲存氫，不過硼氫化鈉是一種十分活潑的化學(xué)品，遇水激烈反應(yīng)，把它裝進(jìn)微型燃料電池中，安全技術(shù)目前實(shí)難克服。如果再看得更遠(yuǎn)一些，人們發(fā)現(xiàn)，在低溫高壓下氫會變成叫做金屬態(tài)的固態(tài)，據(jù)說木星核心就存在金屬態(tài)氫，有科學(xué)家預(yù)言，金屬態(tài)氫一旦形成，有可能在常溫常壓下仍然是穩(wěn)定的，如若真的這樣，一切問題都將迎刃而解。

純氫是一種比較累贅的能源，難于貯存，難于攜帶，對于手機(jī)這種對體積要求很高的裝置來說，氫燃料根本無法應(yīng)用。解決這一問題的常用方法是使用諸如甲醇之類的液體燃料，從中提取氫。但這種方法也存在著很多問題。將甲醇和水轉(zhuǎn)變?yōu)闅浜投趸嫉姆磻?yīng)要求使用大型反應(yīng)容器，反應(yīng)的最佳溫度是250℃。于是近年來，科研人員研制出一種直接甲醇燃料電池（DMFC）。所謂“直接”，是相對于一些用甲醇為燃料的車載燃料電池而言的，后者不是直接將甲醇輸入電池發(fā)電，而是首先通過化學(xué)轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化為氫氣和碳，再把氫氣分離出來輸入氫氧燃料電池中，而前者則使用鉑催化劑在室溫下從甲醇中提取氫，因而不必使用轉(zhuǎn)化裝置。因此，人們普遍認(rèn)為，“直接甲醇燃料電池”是一項(xiàng)重大突破，有可能在很大程度上促進(jìn)燃料電池的微型化。

今年年初，設(shè)在慕尼黑的一家智能燃料電池公司推出了被稱為“世界最袖珍的直接甲醇燃料電池”，該電池約半塊磚頭大小，重2公斤。在測試中，一瓶175毫升的甲醇就能連續(xù)8小時(shí)產(chǎn)生40瓦的電力，這足以為一臺筆記本電腦、一部打印機(jī)和一部手機(jī)同時(shí)供電。智能燃料電池公司首席技術(shù)官延斯