筆記本電腦用戶都深有感受,僅是供電的鋰離子蓄電池（LIB）的重量就高達(dá)幾公斤之多。筆記本電腦等便攜式電子設(shè)備的設(shè)計(jì)者更是苦惱萬(wàn)分,微處理器的功耗每10年增長(zhǎng)100倍,而LIB的容量大約每10年僅提高2倍左右,如何解決？
 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(tái)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(duì)上述的事實(shí),很多技術(shù)人員認(rèn)為,對(duì)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,但是他們的發(fā)展?jié)摿τ邢�。于�?人們把目光集中到燃料電池,期望一種小巧的燃料電池問(wèn)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。
因?yàn)楝F(xiàn)行的LIB確實(shí)有很多弊端,電流容量不夠大,價(jià)格很高,而且需要具備過(guò)壓過(guò)流保護(hù)的充電設(shè)施。然而,燃料電池的能量密度比LIB蓄電池高出10倍,一旦商品化的價(jià)格將不超過(guò)現(xiàn)行蓄電池的價(jià)格,并且所用的燃料能隨處可以補(bǔ)給。于是,人們開(kāi)始關(guān)注燃料電池未來(lái)的技術(shù)和市場(chǎng)發(fā)展前景。本文僅就大家關(guān)注的問(wèn)題做簡(jiǎn)單介紹。 市場(chǎng)
隨著環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越受到重視,人類社會(huì)需要零排放汽車,剛好燃料電池的研究在固體高分子型燃料電池上露出曙光。于是,在1997年,汽車廠商們發(fā)表了燃料電池驅(qū)動(dòng)汽車的實(shí)用化宣言,直接促進(jìn)研究開(kāi)發(fā)活動(dòng)。許多廠家都宣稱：“2003～2005年時(shí),將實(shí)現(xiàn)燃料電池車輛實(shí)用化�！�
以前,燃料電池研究與開(kāi)發(fā)一直處于摸索階段,雖然燃料電池在個(gè)別工廠或旅館里應(yīng)用,可是進(jìn)展十分緩慢。正是由于汽車世界的舉動(dòng),點(diǎn)燃了研究與開(kāi)發(fā)燃料電池的烈火。隨后,住宅供電研究的廠家也看到希望,開(kāi)始緊張地投入燃料電池的研究與開(kāi)發(fā);開(kāi)發(fā)燃料電池的熱潮也波及到便攜電子設(shè)備開(kāi)發(fā)領(lǐng)域,把小巧燃料電池作為正式開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。然而,在汽車領(lǐng)域應(yīng)用的燃料電池開(kāi)發(fā),技術(shù)難度遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)想的程度,材料成本居高不下,燃料供應(yīng)整合等都是阻擋實(shí)用化的難關(guān)。
便攜式電子設(shè)備廠家多年來(lái)受LIB的困擾,苦于沒(méi)有出路,汽車領(lǐng)域里燃料電池的曙光激發(fā)出開(kāi)發(fā)小巧燃料電池的激情,一發(fā)不可收拾。最先投入研究與開(kāi)發(fā)的是歐美風(fēng)險(xiǎn)企業(yè),日本便攜式電子設(shè)備制造商跟隨其后,緊追不舍,這些廠家參與燃料電池開(kāi)發(fā),激情澎湃,各自大膽采用新材料,并且相繼獲得突破性進(jìn)展,于2001年里分別發(fā)表小巧燃料電池試制品。日本便攜式電子機(jī)器廠家普遍認(rèn)為,小巧燃料電池已經(jīng)達(dá)到可以取代LIB的水平。
在這樣的競(jìng)相開(kāi)發(fā)小巧燃料電池的態(tài)勢(shì)下,住宅供電系統(tǒng)開(kāi)發(fā)廠家和汽車動(dòng)力系統(tǒng)廠家已經(jīng)看到小巧燃料電池試制品的后來(lái)居上之勢(shì),也都加快研究與開(kāi)發(fā)的步伐。他們清楚地知道,新材料適用于便攜式電子機(jī)器的小巧燃料電池未必不適用于汽車和住宅供電系統(tǒng)的燃料電池;如若不迅速跟上去,便攜式電子機(jī)器廠家也很可能將要涉獵到汽車和住宅供電系統(tǒng)的巨大市場(chǎng)。也就是說(shuō),在開(kāi)拓當(dāng)今世界燃料電池潛在市場(chǎng)的競(jìng)賽中,已顯現(xiàn)出以小巧燃料電池帶動(dòng)大電力燃料電池市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)。 技術(shù)
現(xiàn)在燃料電池研究與開(kāi)發(fā)集中在四大技術(shù)方面：（1）電解質(zhì)膜;（2）電極;（3）燃料;（4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。日美歐各廠家開(kāi)發(fā)面向便攜電子設(shè)備的燃料電池,尤其重視（1）～（3）方面的材料研究與開(kāi)發(fā),圖2列出一些重要的燃料電池研究課題。
 電解質(zhì)膜之所以重要,因?yàn)樗辉试S質(zhì)子（H+）穿過(guò),而不應(yīng)該允許未分解的燃料滲透過(guò)去。一般高分子固體電解質(zhì)膜（Nafion）,當(dāng)燃料電極利用氫氣H2作為燃料時(shí),它只允許質(zhì)子H+穿過(guò);但是,若燃料電極上充滿甲醇水溶液時(shí),這種Nafion電解質(zhì)膜竟然允許甲醇滲透過(guò)去,不能發(fā)揮出燃料電池作用。日立公司針對(duì)這樣情況,現(xiàn)已研制出一種比Nafion能阻擋甲醇溶液滲透的電介質(zhì)膜;目前,這種電介質(zhì)膜的甲醇滲透率降低到Nafion的1/10,其研究目標(biāo)是要達(dá)到1/25～1/50 Nafion的滲透率。日本Sony公司使用C60作為電介質(zhì)膜,該膜不必加濕（在-20℃～+100℃）就能很好地傳送質(zhì)子H+,并且利用H2作為燃料已成功地試制出燃料電池。至于在燃料電極注入甲醇溶液（1克分子甲醇和1克分子水）后,立即反應(yīng)成CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-,由C60電介質(zhì)膜迅速把H+傳導(dǎo)到空氣電極與O2反應(yīng),而有效阻止甲醇溶液滲透等,都未正式公布。
燃料電池中僅次于電解質(zhì)膜的構(gòu)件材料便是電極材料,通過(guò)它可提取出由甲醇溶液經(jīng)過(guò)分解反應(yīng)生成的H+（質(zhì)子）和電子。在電極處的反應(yīng),Pt發(fā)揮催化作用。反應(yīng)速度是與Pt粒子的表面成正比,所以力求Pt的粒子直徑要小,爭(zhēng)取每單位重量有更大的表面積。實(shí)踐證明,Pt粒子的直徑一小下來(lái),會(huì)出現(xiàn)多個(gè)Pt顆粒凝聚而降低催化能力的問(wèn)題。NEC公司基礎(chǔ)研究所發(fā)現(xiàn)碳原子納米錐狀結(jié)構(gòu)（Carbon Nano-horn）上可附著2nm直徑的Pt顆粒（Pt原子直徑為0.3～0.4nm）,并且Pt不含凝聚。于是,NEC利用Carbon Nano-horn材料作為電極試制出以甲醇為燃料的燃料電池。
關(guān)于燃料電池的第三方面研究課題是燃料選擇。難道只能用H2和CH3OH做燃料嗎？日本工學(xué)院大學(xué)工程部研究人員竟然提出BH4燃料,以吸附氫的合金做為電極,同時(shí)也做為氫的還原劑和催化劑�，F(xiàn)在從理論上認(rèn)為,BH4+4OH→BO2+6H2O+8e-,燃料電池的輸出電壓可達(dá)1.64V。據(jù)說(shuō),盡管燃料昂貴,但是可循環(huán)再利用。從中可以看到,隨著介入研究與開(kāi)發(fā)燃料電池的單位和人數(shù)的增多,思路更開(kāi)闊,開(kāi)始向前人未曾進(jìn)入的領(lǐng)域進(jìn)行廣泛探索。
第四方面的研究課題是燃料電池的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),前三個(gè)方面是構(gòu)成燃料電池的必要準(zhǔn)備,而系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是燃料電池的最終結(jié)果。由于小巧燃料電池將是與半導(dǎo)體集成電路一起應(yīng)用,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受到特殊約束。因?yàn)橛糜谄嚨娜剂想姵厥菍盈B結(jié)構(gòu),體積和重量稍大些也是可行的;然而,在便攜式電子設(shè)備里應(yīng)用的燃料電池,必須是高密度裝配的。這時(shí)對(duì)于汽車和家庭住宅供電系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)商是嚴(yán)重挑戰(zhàn),可是對(duì)于便攜式電子設(shè)備制造商商剛好是一種機(jī)遇,可在高密裝配方面大顯身手。成功地試制品實(shí)例,不勝枚舉。最為突出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部件,堪稱是電解質(zhì)膜和電極一體化的MEA（Membrane and Electrode Assembly）結(jié)構(gòu)。它是先在活性碳電極表面上涂有高分子電解質(zhì)膜,然后浸入Pt離子溶液（使微量Pt滲入空隙,制成電解質(zhì)膜-電極一體化結(jié)構(gòu)。它的優(yōu)點(diǎn)是便于制造平板型燃料電池組,而且Pt用量由 0.1mg/cm2下降到0.01mg/cm2,堪稱經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的燃料電池結(jié)構(gòu)部件。 前景
汽車制造商開(kāi)發(fā)燃料電池的舉措引起住宅供電系統(tǒng)廠家和便攜式電子設(shè)備制造商開(kāi)發(fā)燃料電池的熱情。便攜式設(shè)備廠家介入燃料電池領(lǐng)域,直接促進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)與燃料電池技術(shù)的融合;新材料技術(shù)相繼獲得突破性進(jìn)展,半導(dǎo)體高密度組裝技術(shù)的應(yīng)用,使得形形色色的小巧燃料電池試制品層出不窮。2001年是小巧燃料電池試制品喜獲豐收,如德國(guó)Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems公司試制出9W的燃料電池,美國(guó)Lucent Technologies試制出0.5～20W的平板狀燃料電池,美國(guó)Mechanical Technology試制出1.2W（MEA結(jié)構(gòu)）燃料電池,德國(guó)Smart Fuel Cell公司試制出25W的燃料電池……
便攜式半導(dǎo)體廠家在小巧燃料電池領(lǐng)域取得節(jié)節(jié)勝利,對(duì)于汽車和住宅供電系統(tǒng)的燃料電池開(kāi)發(fā)商是極大鼓舞,可以供鑒新技術(shù),開(kāi)闊開(kāi)發(fā)思路。今后幾年的一段時(shí)間內(nèi),將掀起研究與開(kāi)發(fā)燃料高潮。據(jù)預(yù)測(cè),小巧燃料電池產(chǎn)品將于2005年在便攜式設(shè)備中開(kāi)始實(shí)用化,在汽車和住宅供電系統(tǒng)里,燃料電池產(chǎn)品也將相繼開(kāi)始實(shí)用化。預(yù)計(jì)在2005年以后的5年間,燃料電池產(chǎn)品技術(shù)將獲得充實(shí)提高,2010年將是燃料電池產(chǎn)品技術(shù)開(kāi)始廣泛普及應(yīng)用的一年。屆時(shí),人們將真正開(kāi)始跨入分散供電的新時(shí)代。確切地說(shuō),燃料電池的實(shí)用化將為因地制宜分散供電復(fù)合系統(tǒng)增添生力軍,因?yàn)榉稚⒐╇娤到y(tǒng)的大家族中已有很多成員（太陽(yáng)能電池、風(fēng)力發(fā)電……）。分散供電是人類的理想,燃料電池的出現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)這一理想跨進(jìn)一步。燃料電池技術(shù)也和其他任何一種技術(shù)一樣,都不是十全十美的。它的能量密度比較大是優(yōu)點(diǎn),然而功率密度不高,也限制它的廣泛應(yīng)用。因此,所謂燃料電池應(yīng)用具有廣闊的發(fā)展前景,應(yīng)該是燃料電池協(xié)同其他各種技術(shù)的綜合應(yīng)用的廣闊發(fā)展前景,它在向我們招手。
（賈明） |
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