燃料電池的基本工作原理

我們在準備長途旅行之前，總是不會忘記檢查是否隨身攜帶了信用卡或者錢包，當然還有手機或者筆記本電腦的備用電池和充電器，它們的重要性伴隨著人們對手機和筆記本電腦的依賴日益彰顯。其癥結所在就是電池的有限的工作時間，目前便攜式電子產品使用的鋰離子電池已經無法應付長時間操作的需求。一塊手機普通的鋰電池只能維持幾天時間，筆記本電腦的電池也就幾個小時。而隨著無線技術和音視頻功能越來越受歡迎，對電池的工作時間的要求與日俱增，傳統(tǒng)二次電池(包括鋰電池和鎳電池)已經成為瓶頸，桎梏了便攜式產品向更豐富功能的方向發(fā)展。

與傳統(tǒng)二次電池相比，燃料電池的能量至少要高10倍。一個鋰離子電池能提供300Whr/L的電量密度，而甲醇燃料電池的電量密度卻高達4800Whr/L，10ml的甲醇可以保證13.5小時的通話時間或者642小時的待機時間。因此，東芝、IBM、NEC等許多國際著名的電子公司都傾注精力和財力研究燃料電池，目前世界前十大營收企業(yè)，除Walmart外，均有投資氫能或燃料電池產業(yè)。

專攻便攜式應用的DMFC

理論上，燃料電池(FuelCell)并不是電池，只是把燃料(例如氫氣)和氧化劑通過電極反應直接生成電流的裝置，由于它的生成物是水，因而具有相當的環(huán)保優(yōu)勢。燃料電池的典型結構就是層迭電池單元的堆棧(Stack)，一個堆棧可以包含多個單獨的燃料單元(圖1)。而每個單元的基本結構與電解水裝置相類似，包含2個正負電極(陽極和陰極)，電解質以及催化劑。陽極為氫電極，陰極為氧電極，陽極和陰極上都含有一定量的催化劑，目的是用來加速電極上發(fā)生的電化學反應。以氫氧反應為例，在陰極催化劑的作用下，一個氫分子分解成2個氫離子，同時釋放出2個電子，由于阻隔膜對電子的過濾作用，電子無法通過電解質只能繞行，從而形成電流。而氫離子可以順利通過電解質達到陰極和空氣中的氧原子反應生成水(圖2)。

圖1燃料電池的基本結構

圖2燃料電池的基本工作原理

從工作原理不難看出，催化劑、電極、隔膜和電解質是燃料電池的主要材料。各種燃料電池工作原理基本相似，其分類是由電解質的材料決定的。目前廣泛研發(fā)的燃料電池有質子交換膜燃料電池(pEMFC)、直接甲醇燃料電池(DMFC)、堿性燃料電池(AFC)、磷酸鹽型燃料電池(pAFC)、熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)等。另外，由于工作溫度和發(fā)電功率的不同(表1)，燃料電池的應用領域也可以分為四種：便攜式電子產品，包括筆記型計算機、數字相機、手機、pDA等；住宅發(fā)電，既是住宅或備用電源；運輸交通工具，汽車、巴士等；大型發(fā)電大樓發(fā)電、小型及大型發(fā)電廠。

其中，pEMFC因其不經過燃燒直接以電化學反應連續(xù)地把燃料和氧化劑中的化學能直接轉換成電能，具有能量轉換效率高(一般都在40%~60%，而內燃機僅為18%~24%)的優(yōu)點，成為應用非常廣泛的技術，尤其是在汽車用燃料方面，pEMFC的應用接近該市場的100%。

另外頗受關注的是DMFC，它同屬于pEMFC，都是采用聚合物阻隔膜，但是DMFC以液態(tài)甲醇為燃料，與氫燃料電池相比，DMFC在電池系統(tǒng)構造、燃料來源等諸多方面均有一定的優(yōu)勢。其陽極催化劑可以直接從液態(tài)甲醇中提取氫分子無需燃料重組器(Reformer)，所以高純度甲醇可以直接用作電池的燃料。同時還能有效減少電池的尺寸，簡化系統(tǒng)結構，因而更適合作為便攜式電源用于民用工業(yè)和特種工業(yè)中，如可用于電動汽車、電動自行車、移動電話、筆記本電腦中。

和目前的二次電池相比，DMFC具備燃料電池的一貫優(yōu)勢。DMFC的理論功率密度是4780Whr/L，遠高于鎳氫的200Whr/L、鋰離子的310Whr/L，因而可以支持更長的工作時間。另外有別于二次電池蓄電/放電的工作機制，燃料電池可以說是能源轉換器，只要將燃料持續(xù)供應即可源源不絕的持續(xù)產生電力，不會有電力中斷或更換電池的考慮。并且DMFC公司也在考慮通過混合電源的方式逐步讓人們接受燃料電池，這種方式混合動力汽車中已經得到積極的驗證。混合電源是將燃料電池和儲能裝置(如超級電容或電池)組合，燃料電池將提供恒定的功率，而靠電容或電池來滿足峰值功率方面的要求。

燃料電池的產業(yè)鏈包括材料、組件、子系統(tǒng)和系統(tǒng)四部分，多數著名的電子消費品公司都在從事DMFC燃料電池系統(tǒng)的研究，以便保證自己的電子產品在未來的競爭力，例如日本的三洋、索尼、東芝和富士通韓國的三星和LG，中國的比亞迪。也有一些專門從事系統(tǒng)開發(fā)的公司，包括美國的MTIMicroFuelCells、Angstrompower、我國臺灣的AnTIg公司、摩托羅拉投資的加拿大TekionInc公司等等。這類公司大都通過和大型電子公司合作的方式共同開發(fā)，像MTIMicro就和韓國三星結成獨家聯盟，MTIMicro將利用名為“Mobion”的DMFC技術為三星的手機業(yè)務開發(fā)下一代燃料電池原型。

表1各種燃料電池的性能比較

資料來源：Fuelcelltoday.com

在產業(yè)鏈的上流是專門從事電解質膜這類材料開發(fā)的公司，像著名的杜邦公司和英特爾投資的polyFuel公司等等。在整個產業(yè)鏈的努力下，燃料電池正在從特種和特種等專業(yè)領域快步進入商業(yè)化規(guī)模應用的階段。北美、日本、歐洲和我國臺灣地區(qū)已經走在前列，我國在燃料電池領域研究和開發(fā)雖然取得了一定進展，但是與上述國家和地區(qū)相比，在研發(fā)投入力度、技術研究深度等方面都存在著差距。這一問題已經引起了我國的重視，現在它已是能源、電力行業(yè)最為重視課題之一，同時也是國家政策扶持的新興能源行業(yè)。

DMFC亟需突破的障礙

DMFC的核心部件是由陰、陽電極和高分子電解質膜熱壓而成的層疊電池單元(Stack),其厚度不過1mm。這樣可以使電極中的催化劑盡可能跟質子交換膜有效地接觸，以提高轉換效率和并減小電池的體積。質子交換膜在其中起著隔離甲醇與氧氣，防止它們直接發(fā)生反應以及交換質子和絕緣電子的作用，是一種選擇透過性的聚合物膜,于電池中強酸強氧化性等苛刻環(huán)境下工作，所以需要極高的耐腐蝕性，另外，還要求具有電動性和熱傳導性等，材料特性要求很嚴格。

高分子電解質膜多年來一直是困擾DMFC發(fā)展的一大難題。氫離子需要由水的攜帶穿過分隔陰陽極的高分子膜，然而過程中甲醇容易伴隨，因為甲醇和水有相似的特性。目前，研究人員正在從2種不同的角度嘗試解決這一難題。一是控制甲醇濃度，或增加隔離甲醇與高分子膜之觸媒隔離層。另一種方法，是依靠能減少甲醇和水互混的電解質膜，有幾家公司都已開發(fā)出這類產品。沒有人認為會存在一種能完全隔離甲醇的薄膜。而且在一些設計里，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，可以提高整個燃料電池的反應速率。2002年，以色列特拉維夫大學首先開發(fā)成功了甲醇直接方式的手機燃料電池。采用的電解質膜不同于的美國杜邦公司生產的“Nafion”，后者由碳氟化合物構成，前者主要是由聚偏二氟乙(pVDF)和二氧化硅構成，把甲醇的穿透率降低到一位數。而美國的polyFuel公司利用碳氫化合物制作的新一代的電解質膜，把甲醇穿透率控制在具有代表性的氟類電解質膜—杜邦公司“Nafion117”的1/2。并且polyFuel最新推出的polyFuel20mm把最大功率密度提升到190Ma/cm2。polyFuel的CEOJimBalcom表示電解質膜功率密度的提高可以減小電池單元的體積。此外polyFuel20mm還通過提高空氣極產生的水向燃料極的逆擴散(WaterBackDiffusion)減小系統(tǒng)的尺寸和復雜度。

富士通采用DFMC作燃料電池的筆記本電腦

圖片來源：Fuelcelltoday.com

另外從表1的對比可以看出，DMFC的功率密度是幾中技術中最低的一種。這是因為內部甲醇重組產氫無可避免地使原有燃料電池電力因內部消耗(Overpotential)而衰減其輸出功率，例如pEMFC的功率密度可達250~1000mW/cm2(因燃料成分與操作條件而異)，DMFC的功率密度卻只有25~100mW/cm2左右，兩者相差近達10倍，因此功耗越大的移動應用(例如：筆記本電腦)對DMFC越不利。

日立的pDA和使用的燃料電池

圖片來源：Fuelcelltoday.com

甲醇的使用面臨另一個障礙是安全方面的法規(guī)。目前，甲醇仍然被禁止帶上商業(yè)航班，因為沒有任何組織或者標準對對旅客攜帶甲醇進行管理。但是2005年國際民航組織已經提出取消禁止旅客攜帶甲醇登機的規(guī)定。最近，MTIMicro的CEOpengLim向記者透露國際民航組織已經同意取消這一規(guī)定，并且美國交通部計劃在明年1月開始執(zhí)行。pengLim表示一旦解禁，燃料電池的優(yōu)勢將在長途旅行中得到完全體現。同時，消費者也無需擔心燃料盒(Cartridge)的安全，因為燃料盒的設計和制作需要通過國際組織的認證。

結語

和CDMA,GpS這些受到歡迎的技術一樣，燃料電池同樣經歷了由特種或者特種轉向民用的過程，并且燃料電池的發(fā)展歷程已經超過100年，在技術和安全方面已經得到驗證。現在研究人員需要考慮的是，如何讓它順利地走進人們的日常生活中。大多數從事燃料電池研發(fā)的公司都認為便攜式消費電子是一個絕佳的突破口。

參考文獻：

1.http://www.fuelcelltoday.com/FuelCellToday/EducationCentre/EducationCentreExternal/EduCentreDisplay/0,3995,pressKitHome,00.html

2.顏貽乙，微型燃料電池新選擇RMFC，臺灣省“工研院”能環(huán)所2006.8

3.http://www.antig.com/english/tech.html