初探下一代电池技术――燃料电池

　　随着自然资源的日益缺乏和人们环保意识的提高，当今燃料电池的研制得到了更多的重视和快速发展，燃料电池是一种直接将化学能高效、环境友好地转变为电能的电化学器件，是一种绿色能源，可同时解决节能和环保两大世界难题，因此西方各个国家诸如日本、美国及欧洲等都有燃料电池方面的研究和开发计划，我国也在加快燃料电池的研究进程，燃料电池发展到今天已经有近200年的历史，其中真正得到世界的广泛关注是在20世纪50年代，距离今天也不过50年左右，但是燃料电池的技术发展却是突飞猛进的。

　　电源缺口呼唤新的电源技术

　　便携电子产品在全球普及、其产品外型的日趋短小轻便以及功能的日渐复杂给电池带来了新的挑战，另外除了笔记本电脑、手机和数码相机以外，其它产品领域也存在类似的电源供应缺口。现有充电电池技术虽已成熟，但锂离子充电电池的容量没有太大的改进空间（每年小于5%），在满足日益增长的电能需求时将倍感吃力。但是预计在今后的几年里面，现有的电池技术将无法满足便携电子产品日渐增长的能耗需求，新型电源技术和产品将存在着巨大的市场空间和机会。

　　人们的移动性比以前更大，进而扩大了上述电源缺口。笔记本电脑是增长最快的电脑领域，预计2006年出货量将超过5000万个。广泛采用Wi-Fi技术实际上已经砍掉了以太网的束缚，而用户最后希望去掉的将是通向AC电源的连接线，这更加促进了新的电池技术的发展。

　　燃料电池的发展现状

　　由于具有能量转换效率高，洁净、无污染，模块结构性强等优势，燃料电池成为业界关注的对象，为适应紧接而来的电源需求革命，燃料电池成为实力强劲的预备选手。早在1839年，英国科学家W·Grove就提出了氢氧反应发电的原理，这也是最早的氢氧燃料电池（FC）的模型。到目前为止燃料电池主要分4种类型，他们分别如表1所示。

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表1 燃料电池的分类

width="550" style="text-align:center" bordercolorlight=#999999 border=1> 类型 磷酸盐型燃料电池（PAFC） 融碳酸盐型燃料电池（MCFC） 固体氧化物型燃料电池（SOFC） 聚合物离子膜燃料电池（PEMFC） 燃料 煤气、天然气、早醇等 煤气、天然气、早醇等 煤气、天然气、早醇等 纯H2 电解质 磷酸水溶液 KLiCO溶盐 ZrO 2 -Y 2 O 3 （8YSZ） 离子（Na离子） 阳极 多孔质石墨（Pt催化剂） 多孔质镍（不要Pt催化剂） Ni-ZrO2金属陶瓷（不要Pt催化剂） 多孔质石墨或Ni（Pt催化剂） 阴极 含Pt催化剂＋多孔质石墨＋Tefion 多孔NiO（掺锂） Laxsri-Mn（Co）O 3 多孔质石墨或Ni（Pt催化剂）

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　　以上4种燃料电池各有特点，也各自存在不同的技术障碍和发展方向，但是作为燃料电池的成员他们又有着相同的共性，为此，结合各类型电池特点，总结了燃料电池在研究和开发所应该集中的几个方面。

　　电解质膜：只允许H ＋ 通过，而不允许未分解的燃料渗透过去。因此，对电解质膜的研究就包括提高电解质膜的质子传导率，减小气体等其它燃料渗入量，增强氧化还原和水解的稳定性，提高机械强度和热稳定性，改善表面性质以适于与催化剂结合等。此外，还要降低成本，提高性价比。

　　电极：因燃料电池电极大多为气体电极过程，必须用特殊的电极结构-多孔的气体扩散电极，以提高电池的比功率。

　　燃料：对燃料的研究主要是燃料选择的问题。目前，在燃料电池应用中，主要使用H 2 和CH 3 OH。对替换燃料的研究，将可以使燃料电池的发展更加具有可持续性。

　　系统结构：系统结构是燃料电池的最终结果。由于小型燃料电池或微燃料电池将与集成电路一起使用，因此系统结构的发展受到限制。如何对燃料电池进行高密度装配，实现在便携式电子设备中应用燃料电池，成为研究方向之一。

　　电催化剂：一个燃料电池系统，必须获得高效率和高比能量。要获得高效率和高比能量，就必须提高气态燃料和氧化剂在电极过程中的反应活性，即研究和发展高效催化剂。目前，利用其它价格低廉的、有效的催化剂替换贵金属催化剂成为催化剂研究的方向之一。

　　燃料电池是否可行

　　虽然近年在燃料电池的研究上面取得了一些进展，不过燃料电池在商用化方面仍然存在着一些阻碍。首先，燃料电池工作时都产生水和CO 2 ，由于接近其它电子元器件水的存在容易造成短路，所以如何解决水这个副产物是一个非常麻烦的问题；其次虽然燃料电池“堆叠”中每个单元理论电压应该是1.24V，但是基于传统质子交换膜（PEM）的DMFC只能达到上述水平的30%左右，如何提高燃料电池的功率密度又是另外一个阻碍燃料电池商用化的一个难题；最后如果真正要进行商业化的话，由于牵涉化学试剂则燃料盒的包装是否安全、产品尺寸外型设计有何要求、燃料盒是否容易获得、成本是否足够合适、OEM厂商的产品对燃料电池系统的支持度如何等等这些问题都需要考虑，当然这其中牵涉了包括化工原料、系统设计、行销渠道等非常多行业的合作，但是作为电池生产厂家，前面提到的第一跟第二个因素仍是阻碍燃料电池商用的技术难题。

　　燃料电池的应用现状

　　市场总是推动产业发展的一个重要因素。一个聪明的市场定位将会有助于推动产业的发展并能给市场创造增长基础。

　　早期的产业样品演示也展出了一些外部燃料电池单元，可以用作充电器和为可充电手机、PDA及笔记本电脑的电池提供能量。这些已经在2004年面世。不过由于最初的时候尺寸庞大，而且能量密度有限，这些产品也只能算是概念型产品。真正的赢家将是成功地把燃料电池整合进产品内部进行商业化推广的厂商。

　　2001年日本NEC电器公司试制了一种新型高分子型燃料电池，看上去就像是一块饼干。它的原理是如同打火机装油一样，从注油口注入燃料补充电力，以供长期使用。手机有了它，便可以使用1个月以上，电脑则可连续使用几天也不在话下。

　　摩托罗拉及阿拉摩斯（Los Alamos）国家实验室联合开发了一种微型的燃料电池。预计这种电池终有一天可望取代目前使用的传统电池，用于各种各样的电子产品作电源、包括手机、笔记本电脑、手持式照相机、以及电子游戏机等，此种电池的底面尺寸约为1平方英寸、厚度小于0.90英寸。使用液体甲醇作燃料，可以十分方便地安装在各种电子产品内。电池的能量密度超过传统充电电池的10倍。

　　目前日本在微型燃料电池的开发方面处于领先地位，美国则主要在车用燃料电池的开发上面具有优势。今日，由日本经济产业省提议丰田汽车、松下电器、东京煤气、三洋电机等在燃料电池开发方面有实力的企业联合组建燃料电池开发公司；美国通用汽车公司和德国宝马汽车公司也结成了燃料电池汽车开发联盟；我国则由中科院大连物理研究所联合新大洲等几家企业组建新源动力燃料电池开发公司。据称，国际电工学会IEEC已经开始组织和实施燃料电池的国际化标准的建立，新源动力方面也派出了技术代表对标准的撰写和修订提出中国专家的意见。

　　我国早在50年代就开展燃料电池方面的研究。中国科学院长春应用化学研究所、大连化学物理所和天津电子部十八所是我国开展燃料电池研究最早的一批单位。70年代主要以航天用碱性电池为主要研究对象。90年代初的应用产品面比较广，长春应用化学研究所、清华大学、复旦大学等单位开展了PEMFC的研究，大连化物所、长春应化所、上海交大等开展了MCFC的研究，上海硅酸盐所、北京化工冶金所、中科大、清华大学等开展了SOFC研究，大连化物所还开展了生物电池的研究。

　　从中国燃料电池的发展历程来看，国内燃料电池项目主要还是由国家组织和投资，在高校和研究所进行开发，缺少强而有力的大公司推进，企业恨少投入资源。因此，虽然从开发日程来看，中国与国际上发达国家处于“同一起跑线上”，不过由于缺少大公司和整体产业水平偏低将决定了中国在燃料电池这个领域争夺标准制高点的竞争中的“体质赢弱”。所以，我国燃料电池研究与实际应用在与国际同行竞争的时候均有相当大的距离，必须加快追赶的步伐。
作者：杨 剑   来源：《电子与电脑》