國外微型燃料電池研發動態

本刊 劉春娜

近年來，隨著筆記本電腦、手機等便攜電子設備的迅猛發展，人們對便攜式電源的需求量快速增加。其中，微型燃料電池以其特有的優勢躋身于便攜設備電源的大軍。微型燃料電池是利用氧氣和氫等物質進行化學反應產生的電能來供電，具有如下優點：比功率高、輸出功率可按不同需求靈活設計、清潔無污染、環保易回收、無需充電、快速補給燃料等。從2003年東芝、NEC、日立等公司在日本納米展上展出新的微型燃料電池原型設計開始，人們已逐步意識到燃料電池微型化時代即將到來。

美國

在美國加州理工學院、南加州大學和美國西北大學研究者的共同努力下，制造出一種只有一平方厘米大小的微型燃料電池。這種新的電池以丙烷為動力，可以廣泛地應用于醫學設備、筆記本電腦和照相機上。使用丙烷作原料是因為其比能量很高，而且很容易被壓縮為液態，這樣就能把大量能量存儲在小型設備里面。這種燃料電池使用的是氧和燃料的混合物。氧和燃料共同使用一個進口就能簡單地把它們混合在一起，產生的廢氣也只有一個出口。氧和燃料的混合物有一部分發生氧化發出熱量，電池就被加熱到了500～600℃。這項新發明的重要突破之一就是能讓電池保持住自身的熱量，這是產生能量的先決條件。加州理工學院研究小組用新的催化劑來釋放能量以保持電池的溫度，并且減緩了添加燃料的速度。這樣，任一時間段內只有少量的燃料被消耗。這一舉措同時也消除了電池對體積較大保溫材料的需要，也減小了電池的體積。最后，熱交換器保證了排出的熱氣能把熱量傳遞給進入的冷氣。研究小組說，如果這種電池商業化以后，它能帶動一臺像MP3播放器這樣的小型設備，而使用時間會比現在最好的鋰電池的使用時間還要長許多。

美國薩瓦那河國家實驗室（SRNL）的科學家利用含三氫化鋁的輕型材料制成了小型儲氫容器，并證明它的氫釋放率適合為小型商用燃料電池提供動力。S R N L研究團隊展示了如何用三氫化鋁和類似高性能儲氫材料來制造便攜發電系統。三氫化鋁與其他金屬氫化物類似，也能為氫提供一種固態的儲存媒介。但三氫化鋁具有一大優勢：它具有極高的儲氫能力，能夠將兩倍多的氫氣儲存為液態氫。此外，它還具有較低的質量和有利的放電狀態。這些都使它成為理想的化學儲氫材料之一。但目前可商用的三氫化鋁十分有限，且生產成本很高，妨礙了它的廣泛應用。研究人員表示，他們的研究克服了三氫化鋁傳統生產方法中的多個障礙，新方法能最少程度地使用溶液，并制出純凈、不含鹵化物的三氫化鋁。同時，研究小組還能借助另一過程，使從三氫化鋁中提取的氫翻一番。這些進展也為開發成本低廉的新型三氫化鋁生產方式奠定了基礎。此次研究的另一重點就是評估三氫化鋁系統和小型燃料電池應用的兼容性。基于約含有22克三氫化鋁的測試容器的初步結果顯示，這一系統能夠很好地滿足100瓦燃料電池系統所需的氫釋放率。該系統能夠在燃料電池接近全功率的狀態下運轉3個多小時，并能在降低功率后再運行若干小時。SRNL的專家表示，他們的目標是為軍隊提供輕便且儲能能力出色的便攜系統，以及應用于其他對質量要求較高的領域。

美國凱斯-西里瑟夫大學的研究人員開發出了一種體積只有鉛筆上的橡皮大小的微型燃料電池。研究人員使用微組裝技術將多層燃料電池元件印刷到底版上，以類似于目前多種集成電路制造的方法生產燃料電池，該電池使用氫氣作為燃料，氫氣被安全地儲存在一種低壓氫化物中。這種新型燃料電池的研制成功使得將燃料電池與電子電路、微處理器、傳感器和發送器結合到一塊硅片上的微系統的研制條件開始成熟。

美國密蘇里大學的研究團隊發明了一種袖珍核燃料電池。該電池利用放射性同位元素的衰變產生能量。研究人員介紹，放射性物質衰變時，會釋放帶電粒子，如果能將這些粒子收集起來，便能產生電流。該大學之所以開發微型核燃料電池是為了縮小電子設備內電源的尺寸，讓它更適合小型設備（如微機電系統或納米機電系統），因為這些設備本身已經足夠小，一定要有更小的電源與之相匹配。因此，開發微型電源與開發微電機本身一樣重要。密蘇里大學的研究小組在研究過程中使用了一種液態半導體來捕捉并利用衰變產生的帶電顆粒。他們之所以使用液態半導體，是因為高能電荷通過液態半導體不會對它造成損害，因此能大大節省半導體所占空間。目前，研究人員正努力進一步將電池“迷你化”。為了打消人們對于核燃料安全的顧慮，研究人員解釋道，盡管整個電池的成功與否取決于放射性物質的使用，但在正常工作條件下使用是完全安全的。

美國斯坦福大學與本田公司合作，宣布已試制出了超小型燃料電池。此次試制的燃料電池是將電解質膜/電極接合部以燃氣擴散電極隔開，并夾在硅表面設計有細微的燃氣通道的底板間制成的。與通常的高分子固體電解質燃料電池層疊多個電池單元而形成疊層電池不同，該燃料電池的最大特點就是多個電池單元以串聯的方式位于一枚硅底板上。在此次試驗中，采用的是4個電池單元串聯的方式，輸出電壓為1.5V左右，每平方英寸的電流密度大約為10 0mA，發電效率約為40%。

在一項關于燃料電池的專利申請中，蘋果公司描述了一種在不增加太多質量的情況下優化燃料電池 (在電子設備如筆記本電腦中使用的)性能的方式。這項專利申請標題為“為便攜式計算設備供電的燃料電池系統”。公司表示，消費者開始越來越注重使用可再生能源。燃料電池在技術上具有競爭力，因為其比能量很高，相對于傳統電池可以在同樣的體積下提供更多能量。其專利申請顯示：“燃料電池以及附帶的燃料可以帶來極高的比能量，在不添加燃料的情況下能支持便攜式電子設備數天甚至數周時間。”蘋果同時表示，使用燃料電池面臨的挑戰在于便攜性和成本。通常情況下，針對電子設備的燃料電池支持便攜式充電，而用戶需要攜帶一個燃料棒。與此不同，蘋果設想了一種與電子設備緊密集成的燃料電池。而這一專利申請的大部分篇幅都在描述一種用于優化燃料電池堆疊能量流的控制系統。蘋果的另一項專利申請描述了燃料電池如何與可充電電池協同工作，并使燃料電池和可充電電池相互充電。該專利申請稱：“這將使燃料電池系統沒有必要集成龐大而很重的電池，從而明顯減小燃料電池系統的尺寸、質量和成本。”這并不是蘋果申請的第一項有關燃料電池的專利。Patently Apple網站指出，蘋果還在設計一種燃料電池板，可從便攜設備中產生更多的能量。關于燃料本身，蘋果的一項專利申請顯示，有多種燃料可以為電子設備供電，其中一種是硼氫化鈉與水的混合物。不過這些仍處于試驗階段，目前尚未商用。便攜式燃料電池充電器面臨的一個主要障礙在于，廠商需要建立相應渠道進行銷售并回收燃料棒。蘋果可能會利用蘋果零售店來完成這樣的工作。

POWERTREKK便攜式燃料電池充電器在經歷了漫長的制造過程之后，將于2012年在歐洲和美國市場上面世。為該產品設計制造氫盒的美國SiGNa Chemistry公司的專家說，燃料電池的成本比4節A A電池還要少(POWERTREKK的制造商和分銷商是一家叫做my FC的瑞典公司)。POWERTREKK是一個混合型的燃料電池系統，這意味著它能給科技產品的內置電池充電。它由5W的電池盒和可更換的3～5W的燃料包構成，每一個組件都應能產生足夠的能量，至少可以給iPhone充滿一次電。POWERTREKK還可以給其他手機、數碼相機、GPS設備和一些平板電腦充電。它通過USB或mini-USB連接器等與科技產品連接。POWERTREK本身的研發花了差不多兩年時間：自2010年初以來，SiGNa就一直與my FC合作開發這個產品。SiGNa的解決方案是使用鈉硅化物，它不儲存氫氣，但可以與任何一種水(鹽水、海水，甚至是廢水)進行反應生成氫氣。氫被注入一塊燃料電池，從而產生電力，可以通過電線傳輸給科技產品。SiGNa也克服了另一個燃料電池技術長期存在的障礙，其設置獲得了國際電工委員會(IEC)的認證，這將讓用戶能把POWE RTREKK帶上飛機。

日本

微型燃料電池的主要市場為移動通訊領域，目前，NEC、卡西歐計算器、三洋電機、索尼、東芝、日立制作所以及本田技術研究所都參加了該項工作。

東芝公司也開發成功了一種小型燃料電池，體積只有14 0cm3，質量為發成了g，平均功率為1W。該小型化燃料電池的設計成功得益于兩項技術：一是使用氫氣和氧氣反應發電時生成的水將甲醇稀釋到適當濃度的技術，可利用該技術在燃料盒中貯存高濃度甲醇，從而進一步減小燃料盒的體積；另一項技術是縮小了用泵向燃料電池單元提供燃料和空氣的結構，而且還對輸送燃料和空氣的路徑進行了改進，從而實現了整個供料系統的小型化設計。

日本國立高等工業科技研究院(AIST)的一個科研小組在一個1cm3的裝置內，利用氫和空氣混合產生電能，產生的電能功率可以達到2W。科學家稱，將這些單個的微型燃料電池裝置連接起來，其產生的電能將可以為不同的應用方案提供能源。

日本科學家開發出與打火機一般大小的燃料電池，它制作簡單，可應用在移動電話、筆記本電腦等許多領域。其原理是將硼化氫溶解于堿性溶液中，將溶解物與雙氧水同時提供給電池，讓氫和氧在液體中直接進行反應，從而產生電能。日本工學院大學工程部研究人員竟然提出以B H4為燃料，以吸附氫的合金作為電極，同時也作為氫的還原劑和催化劑。盡管以B H4作燃料價格昂貴，但是可循環再利用。

其他國家

著名的芯片制造商意法半導體(STMicroelectronics)也成功開發出了面向手機等便攜終端的燃料電池小型化技術。該技術在燃料電池的硅電極上形成數千個軸長約10μm的橢圓狀微孔。這些微孔是燃料的甲醇通道。這樣就可以進一步提高燃料、觸媒和電極的接觸面積，并且能夠進一步實現燃料電池的小型化設計。此外，研究團隊正在與那不勒斯大學合作，研制成本比今天商用薄膜材料更低廉的新型薄膜材料，先用粒子轟擊厚度僅2 5mm的塑料薄膜，并進行化學腐蝕以在薄膜上形成許多細孔，電解液流經這些細孔后被灌入，然后再利用成熟的芯片制造技術(如真空淀積)在塑料結構上淀積或刻蝕金屬電極、催化劑材料和連接各分離電池的導電柵網等。

西班牙和德國的研究人員設計了世界首部裝備集成微型燃料電池的微流體裝置，燃料電池一方面為裝置供電，另一方面將裝置周圍的待分析樣品泵入。微流體裝置被譽為將徹底改變醫學診斷、食品安全、藥物開發和基因排序等領域的技術。然而設備中所有必要部件的集成始終是一個限制因素，阻礙了微流體概念的實用化。微流體芯片體積小且易于加工，但是樣品分析所需的電源、泵和控制電路通常為外置的體積較大的部件，并不是微型結構。如今，巴塞羅那微電子研究所的研究團隊將微型直接甲醇燃料電池集成在微流體平臺中，該燃料電池可提供4mW的電力，足夠驅動裝置運行。燃料電池反應的副產物二氧化碳被用來推動液體流過微流道，從而不需要外部的泵驅動。該團隊已經證實，液體的流量可以通過燃料電池的工作條件控制，流量與裝置中產生的電流呈近似的線性關系。研究人員的下一步工作是展示該裝置確實可以獨立工作，證明可以通過小功率電子芯片模塊和電流傳感器的集成進行樣本的測量分析。此外，該研究團隊還在致力于研究更高程度的裝置集成，采取的方法是使用同一種聚合物制備組件而采用不同的燃料（如葡萄糖）進行試驗。

展望

隨著技術的不斷改進、公眾認知度的深入以及來自政府的支持加大，都會加速推進微型燃料電池的商業化進程。讓我們期待微型燃料電池早日實現破繭成蝶的夢想。