不需要充電的秘密，實(shí)用化燃料電池揭秘

　　電池，成了制約移動設(shè)備發(fā)展的最大障礙，現(xiàn)有的鋰電池容量提升極其困難，所以只能在電池的原料上尋求突破。燃料電池在炒作多年之后終于開始實(shí)用化，今年開始出現(xiàn)了多款新品，甚至連Lilliputian Nectar移動電源也燒上了“燃料”，燃料電池真的來了。

　　“燃”名不副實(shí)

　　燃料電池從原理上看是一種電化學(xué)裝置，結(jié)構(gòu)與一般電池相同。整個電池是由正負(fù)兩個電極（負(fù)極即燃料電極和正極即氧化劑電極）以及電解質(zhì)組成。不同的是一般電池的活性物質(zhì)貯存在電池內(nèi)部，限制了電池容量。而燃料電池的正、負(fù)極本身不包含活性物質(zhì)，只是個催化轉(zhuǎn)換元件。電池在工作的時候，燃料和氧化劑由外部供給，進(jìn)行反應(yīng)。原則上只要反應(yīng)物不斷輸入，反應(yīng)產(chǎn)物不斷排出，燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電。燃料電池并不是存儲電量的裝置，而是名符其實(shí)的把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換器。

　　電池的燃料可以使用氫氣、天然氣、甲醇等含氫的化石燃料，也可以使用富含氫氣燃料，或由再生能源經(jīng)轉(zhuǎn)換成為氫氣燃料使用。在電池內(nèi)部，無論加注什么“燃料”，都要轉(zhuǎn)化為氫氣與氧氣參與反應(yīng)（甲醇燃料可直接與氧氣反應(yīng)）。燃料電池的核心技術(shù)為電極與電解質(zhì)，對電極的要求是表面積盡量大，所以燃料電池普遍體積較大，更有利于將氫氣（甲醇）與氧氣催化為離子態(tài)的催化劑；而電解質(zhì)則要求擁有更好的導(dǎo)電性，以促成反應(yīng)不斷進(jìn)行，同時還能對生成的離子具備隔離能力，讓離子在電極處捕獲需要的電子，而不是電解質(zhì)內(nèi)部捕獲，提升發(fā)電效率。

　　突破小型化瓶頸的嘗試

　　燃料電池也算不上什么新技術(shù)，早在1839年，英國人W.Grove就提出了氫和氧反應(yīng)可以發(fā)電的原理，這就是最早的氫-氧燃料電池。現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于應(yīng)急供電、汽車等大型設(shè)備，但是想要把燃料電池整合到筆記本、手機(jī)這類移動終端中，在很長一段時間之內(nèi)進(jìn)展非常不順，究其根源還是其龐大體積的提及在作祟。

　　不差電的移動電源

　　在2013年，Lilliputian公司和羅姆公司在今年推出的新產(chǎn)品，是如何解決燃料電池小型化瓶頸的呢？先來看 Lilliputian Nectar移動電源，其采用了不同一般的方法：這款移動電源的發(fā)電單元采用SOFC（固體氧化物），將裝有丁烷燃料的圓筒型燃料盒插到移動電源上之后，形成一個微型固體氧化物燃料電池。每個圓筒型燃料盒的發(fā)電容量為55Wh，利用微型固體氧化物燃料電池的高能量轉(zhuǎn)換效率，獲得實(shí)用化的量產(chǎn)電池。最為關(guān)鍵的是，在電池單元的核心技術(shù)方面采用名為“Generator Chip”的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）芯片，來提升轉(zhuǎn)換的效率，從而實(shí)現(xiàn)了小型化。這種移動電源已經(jīng)從國際民間航空組織（ICAO）及美國運(yùn)輸部獲得了許可，可在飛機(jī)上攜帶。

　　這款移動電源即將在2013年夏季正式上市，售價為299.99美元（約人民幣1870元）。而每盒甲烷燃料的價格為9.99美元（約人民幣62元），能為智能手機(jī)充電10~14次，這就相當(dāng)于每次充電要花人民幣4.5元，這價格還是有點(diǎn)貴。

　　Lilliputian Nectar移動電源，旁邊立著的就是燃料盒

　　加水發(fā)電的薄膜

　　當(dāng)然，燃料電池并不一定就需要加燃料，加水同樣也可以發(fā)電。不過，相比加其他燃料，加水的燃料電池的技術(shù)難點(diǎn)是如何找到一種儲存氫氣的材料。外接壓縮氣體鋼瓶或者采用吸氫材料是電動汽車等大功率應(yīng)用中的常規(guī)思路，但面對移動終端應(yīng)用時，直接使用氫氣會造成要么體積龐大、要么實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的難題。因此在便攜燃料電池中，普遍采用加水通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的做法，日本羅姆公司的燃料電池產(chǎn)品應(yīng)用的正是這一方法。

　　氫化鈣是一種灰白色結(jié)晶體，遇水可劇烈反應(yīng)產(chǎn)生氫氣和氫氧化鈣。羅姆燃料電池的燃料來源就是氫化鈣+水：將氫化鈣固化為很小的薄膜，當(dāng)注入水后，水和氫化鈣片材作用生成氫氣，然后在電解質(zhì)中生成氫離子，離子運(yùn)動產(chǎn)生電能。最后生成物是水，不會產(chǎn)生二氧化碳和其他VOC（揮發(fā)性有機(jī)化合物）等有害物質(zhì)。由于燃料電池工作中生成物也是水，因此產(chǎn)品僅需要加入少量水引發(fā)反應(yīng)即可。

　　一塊體積為38mm×38mm×2mm大小的羅姆燃料電池，加水即可生成4.5L氫氣，并產(chǎn)生5 Wh的電力。這種氫燃料電池體積小巧且可常溫工作，不僅可用于智能手機(jī)的充電，而且還可作為平板電腦和PC等設(shè)備的電池。在環(huán)保方面，由于使用水與鈣系燃料這類安全物質(zhì)，完全不會排放二氧化碳和有害氣體等，廢棄時也可作為一般廢棄物處理，與以往的各種電池相比，是一種極為環(huán)保的電池。

　　在2013年4月，這種燃料電池已經(jīng)正式開始量產(chǎn)。羅姆的目標(biāo)是在本年內(nèi)，將燃料電池推廣到智能手機(jī)上使用。

　　成本問題待解決

　　燃料電池的成本仍居高不下，罪魁禍?zhǔn)拙褪瞧潆姌O中的鉑催化劑。鉑是一種稀缺金屬，目前仍加快氫燃料電池中化學(xué)反應(yīng)的最佳材料。要降低燃料電池的成本，最簡單的替代方法就是更換電極中的鉑。目前已有了鐵基催化劑、鉑鈀混合物以及具有聚合物涂層的多孔電極。但所有這些鉑替代法都有缺陷，那就是其電流密度低或是使用數(shù)百小時后其性能就會下降。

　　此外，由于燃料電池所采用的燃料基本都是易燃易爆物品，雖然電池內(nèi)部不會發(fā)生爆炸，但這些燃料都是為了航空安全所不允許攜帶的。包括如何封裝、向燃料電池供給燃料和燃料運(yùn)輸與存放中的安全問題，以及運(yùn)輸、存儲、安全及測試的標(biāo)準(zhǔn)也急需建立等等。不過，未來，燃料電池正式上市的時候，記得一定要購買獲得國際電工委員會（IEC）認(rèn)證的產(chǎn)品，同時了解是否夠能帶上飛機(jī)，這樣才能實(shí)現(xiàn)環(huán)保的同時，還有安全的保證。