燃料電池供應公司在今年年末至明年年初還不會作出什么大動作，但這并不意味著設(shè)計者在買得起燃料電池以前就不去理會它，最終，燃料電池將出現(xiàn)在市場上，工程師應該了解它們將對便攜式和特種設(shè)備的設(shè)計產(chǎn)生的影響。

燃料電池最初于1839年問世，當時，William Grove對水進行電解試驗。Grove觀察到，當電極與分隔開來的氫氣和氧氣發(fā)生接觸時，他的試驗裝置發(fā)出了少量的電流。但是，把這種實驗室里的新奇現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為一種實用的電源卻花去了相當長的時間和大量的努力。如今數(shù)十家公司研發(fā)燃料電池技術(shù)，但卻只有少數(shù)幾家能將產(chǎn)品推向市場。

雖然很多化學反應都可以用于燃料電池中的電能產(chǎn)生，但大多數(shù)開發(fā)都圍繞著氫和氧的復合。要對小型燃料電池中所使用的、經(jīng)過壓縮或液化的氫氣進行運輸是不切實際的，而這種燃料電池將用于驅(qū)動消費類裝置。于是，對便攜式電子裝置的電源研究現(xiàn)在圍繞著氧氣和甲醇(亦稱為木精或木醇)的運用(圖1)。甲醇提供了氫，而空氣提供了氧，直接使用甲醇的燃料電池也因之得名直接甲醇燃料電池(DMFC)。

大多數(shù)開發(fā)公司預計，最早的DMFC應用將在小型化裝置中實現(xiàn)，如軍用品或必須長時間脫開電力線而工作的設(shè)備。軍品研究者力圖減少士兵所負荷的重量，燃料電池是一種有吸引力的電池替代品或補充物。DMFC能以比電池輕的重量發(fā)出大量的能量，但需要換氣，以收集氧氣和釋放水汽。很多DMFC設(shè)計需要小風扇和泵來移送氣體及液體，因此其運行經(jīng)常發(fā)出噪聲，而且到目前為止，很難用于水下或隱蔽使用的場合。

由于第一代DMFC的市場將由軍工工程師、技術(shù)方面的狂熱愛好者和早期用戶來支撐，這些電源將變得更小、效率更高而且價格更低。DMFC最終將進入主流市場，不過就目前而言，它們的能量密度還不足以與標準的鋰離子電池相比。

消費類產(chǎn)品電源

消費類市場確實需要DMFC電源。接收電視廣播的流行款式手機，只能工作約一個小時，因此，如果廠商能提供實用的、廉價的DMFC，消費者就會購買。可重新添加燃料的DMFC能讓一個電視手機幾乎無限期的工作下去。MTI Micro Fuel Cells公司的董事長兼CEO Bill Acker估計，一加侖(3.8升)甲醇能驅(qū)動一個普通手機工作約10年。

大多數(shù)DMFC供應商計劃通過混合式電源來闖入市場，就是將燃料電池和儲能裝置(如超級電容或電池)組合，至少以之作為起步。DMFC在恒定負載條件下運行情況最好，因此在一個混合式電源中，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。“如果裝置消耗的平均功率為0.5W，但需要的峰值功率達到3W，就不要將燃料電池的額定功率規(guī)定為3W。”Bill Acker說。相反，應該去設(shè)計一個電源和能源組合，以滿足總的功率需求。

一個典型的“燃料電池”事實上是由一組單個的電池單元串連而成的。單個單元的供電電壓為0.7V~0.9V(開路時)，約為其理論輸出的1/3。帶負載后，輸出跌落至約0.3V~0.5V。一般來說，燃料電池需要外接一定的功率調(diào)節(jié)電路。

能源預算

首批由DMFC供電的商業(yè)化產(chǎn)品將比電池供電的產(chǎn)品貴10%~20%，但依然有良好的市場前景。Direct Methanol Fuel Cell公司的CEO  Dr. Carl Kukkonen對能源的成本進行了分析。“一臺3000美元的汽車引擎可產(chǎn)生約100kW的功率，因此每kW成本為30美元，”Kukkonen說。“一個筆記本電腦的電池可發(fā)出約12W的功率，成本是130美元，相應每kW功率成本為11,000美元。DMFC的價格要低得多—1000美元/kW~2000美元/kW。業(yè)界將為汽車應用而把燃料電池的成本降低到30美元/kW，但那將是一個重大的挑戰(zhàn)，我們很可能實現(xiàn)不了目標。”

下面從另一個角度看DMFC的“潛力”。“甲醇的總能量容量為5,000 Wh/l。但我們永遠不能汲取出全部能量，”DuPont公司的DMFC市場開發(fā)經(jīng)理Dave Reichert說。“因為當談論能量‘密度’時，同時必須把物理設(shè)備考慮進去—電池單元、燃料盒和容器中的其它東西。”

2004年末或2005年初，有望出現(xiàn)能產(chǎn)生200Wh/l~350Wh/l能量的DMFC系統(tǒng)。“這一量值在目前鋰離子電池的輸出范圍中只居于較低的水平，”Reichert說。“但這個量值只代表了市場上最早出現(xiàn)產(chǎn)品的水平。我們將會制成1000~1200Wh/l的DMFC系統(tǒng)。鋰離子電池的理論極限約為600Wh/l，因此DMFC可以提供的功率密度將是其兩倍。”

“人們需要便攜式設(shè)備時，他們會為這種方便性而付出額外的費用，消費者不會因為筆記本電腦比臺式機便宜而購買它，他們之所以購買，是因為它方便攜帶。DMFC讓他們能擺脫電力網(wǎng)絡的束縛。”

燃料電池的發(fā)熱問題

“設(shè)計者也需要考慮發(fā)熱問題，”Motorola實驗室的能源技術(shù)主管Jerry Hallmark介紹。“如果燃料電池效率為25%，而需要20W的電能，那么在獲得這20W電能的同時卻要付出60W的熱量。這一發(fā)熱超過了電池的水平，因此需要把過多的熱散發(fā)掉。那20W電能最后也會在功率器件中變成熱量。”

要將筆記本電腦或者便攜式儀器內(nèi)部發(fā)出的熱量散發(fā)掉是一件困難的事情。因此，設(shè)計者不能簡單的用DMFC或者混合式電源來替換電池。不過，他們可以用DMFC作為充電器或者獨立電源。

DMFC對燃料的處置本身亦是工程上的一項挑戰(zhàn)：將甲醇分發(fā)給用戶而且要確保用戶能安全的處理這些燃料。人們在更換噴墨或激光打印原料盒時，并不需要將墨水或顏料搖勻，甲醇的預包裝也應該具有同樣的優(yōu)點。為了幫助DMFC進行市場開拓，并確保甲醇采用方便易用的包裝而實現(xiàn)有效的銷售，許多DMFC廠商與Gillette和BIC之類的公司建立了聯(lián)系。但是目前在便利商店的貨架上還是找不到甲醇燃料盒的。

甲醇必須能帶上飛機

甲醇的使用面臨另一個障礙：安全方面的法規(guī)。如今，消費者尚不能將甲醇帶上商業(yè)航班，因為沒有任何標準對消費者攜帶這種燃料進行管理。但在未來18~24個月中，這一情況將發(fā)生改變。(鋰離子電池在可以帶上商用飛機前，也不得不經(jīng)歷了相似的認證流程。

國際電子技術(shù)委員會和Underwriters試驗室(UL)正在進行標準化方面的工作。美國交通部已經(jīng)向聯(lián)合國提交了一份提案，以求將甲醇從“易燃液體”類(Class 3)轉(zhuǎn)移到“其他危險材料”類(Class 9)中。這項更改一旦完成，燃料電池制造商和甲醇盒供應商可以向民用航空團體申請批準攜帶，不過，不需帶上商業(yè)航班的設(shè)備和燃料盒則無需任何批準。

DuPont公司的Dave Reicher認為，即使在長途商業(yè)旅行中，大多數(shù)人還是會攜帶500ml~600ml的密封甲醇。Reichert指出供應商將能設(shè)計出足以通過國際組織制定的安全標準的包裝盒。包裝通過了跌落、壓力和其他測試后，它們盛裝的易燃性甲醇本身就是安全的了。在大多數(shù)情況下，消費者將使用一次性的、不可私自重新灌注的密封盒。一個自閉閥將能防止甲醇的潑灑。

嶄露頭角的革新

即便DMFC短期內(nèi)還不能出現(xiàn)在市場上，人們的研究還是帶來了若干新的燃料電池設(shè)計。Motorola實驗室的研究者已經(jīng)以陶瓷材料形成了微流體3D結(jié)構(gòu)。陶瓷可以起到小型反應器的作用，在其中，甲醇將裂解而產(chǎn)生氫氣，該過程稱為重整。氫氣在陶瓷的另一部分消耗掉，從而形成一個燃料電池。Motorola公司并不制造燃料電池，相反，它將尋求合伙人，將其技術(shù)開發(fā)成為燃料電池產(chǎn)品。

STMicroelectronics公司沿著類似的路線發(fā)展，它對硅的微結(jié)構(gòu)進行了探索。其電化學蝕刻工藝形成了一種海綿狀多孔硅3D結(jié)構(gòu)，反應物可以擴散到其中。催化劑通過單獨的電化學工藝進行淀積，這大大增加了化學反應所依附的表面積。

STMicroelectronics 公司中央研發(fā)部的硅技術(shù)主管Dr. Salvo Coffa認為，“標準DMFC的能量密度約為50mW/cm2，但如果密度如此之低的話，就無法將燃料電池運用到移動電話中。在我們的3D結(jié)構(gòu)中，我們讓氣體和膜緊密接觸，而且為電子提供了一個運輸結(jié)構(gòu)。我們預計2004年底前能用海綿硅的燃料電池制成一個可以工作的樣機，其功率密度達到150mW/cm2，而到2005年DMFC的輸出將達到約500mW/cm2。”

Energy Related Devices公司(ERD)通過在襯底上鉆小孔的辦法制作出了用于DMFC化學反應的大表面積結(jié)構(gòu)。該公司的創(chuàng)始人Robert Hockaday介紹，“我們沒有將多層板層疊起來構(gòu)成一個電池單元陣列，這讓人擔心各單元間的密封性，我們是以制作印刷電路板的辦法來制作燃料電池。”ERD在一個襯底上印刷出多個小單元，并構(gòu)成陣列，該工藝可以降低DMFC的制造難度(圖3)。“我們推出產(chǎn)品還要等上一年。我們的一臺樣機到目前為止在試驗室里已經(jīng)連續(xù)工作了24個月。”

燃料電池的工作原理

在DMFC中，甲醇(CH3OH)和水(H2O)進入燃料電池的一端并移動到催化劑(一般是Pt)處(圖4)。催化劑促使甲醇和水變?yōu)槎趸肌潆x子(H+)和電子(e-)。電子從陽極出發(fā)，流經(jīng)一個電負載到達陰極。在陰極處，空氣中的氧氣、電子和陽極處產(chǎn)生的氫離子發(fā)生反應形成水。

2CH3OH＋3O2→2CO2＋4H2O＋能量

氫離子穿過將兩個電極分隔開的聚合物薄膜。大多數(shù)膜需要一定的水，但多余的水將穿過薄膜并“淹沒“陰極，阻礙氧氣與之接觸。過多的水也減少了電池的效率(約2%0~45%)。

薄膜也必須阻止甲醇從陽極一側(cè)擴散到陰極一側(cè)。這是一個很難解決的問題，因為甲醇和水有相似的特性，無人會認為世間存在一種完美的“無甲醇沾染”的膜，但幾家公司已經(jīng)開發(fā)出了能減少甲醇和水互混的薄膜。

在某些設(shè)計中，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，這可以提高整個燃料電池的反應速率。

電極也是工程開發(fā)方面的一個難題。它們不僅要為電子提供一條通路，而且必須能容納少量的催化劑，并容許甲醇、水和氧氣的擴散，提供到膜的有效界面，從而讓反應廢物排出。