不需要充电的实用化燃料电池揭秘

电池，成了制约移动设备发展的最大障碍，现有的锂电池容量提升极其困难，所以只能在电池的原料上寻求突破。燃料电池在炒作多年之后终于开始实用化，今年开始出现了多款新品，甚至连Lilliputian Nectar移动电源也烧上了“燃料”，燃料电池真的来了。

　　“燃”名不副实 　　燃料电池从原理上看是一种电化学装置，结构与一般电池相同。整个电池是由正负两个电极（负极即燃料电极和正极即氧化剂电极）以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。电池在工作的时候，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排出，燃料电池就能连续地发电。燃料电池并不是存储电量的装置，而是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换器。 　　电池的燃料可以使用氢气、天然气、甲醇等含氢的化石燃料，也可以使用富含氢气燃料，或由再生能源经转换成为氢气燃料使用。在电池内部，无论加注什么“燃料”，都要转化为氢气与氧气参与反应（甲醇燃料可直接与氧气反应）。燃料电池的核心技术为电极与电解质，对电极的要求是表面积尽量大，所以燃料电池普遍体积较大，更有利于将氢气（甲醇）与氧气催化为离子态的催化剂；而电解质则要求拥有更好的导电性，以促成反应不断进行，同时还能对生成的离子具备隔离能力，让离子在电极处捕获需要的电子，而不是电解质内部捕获，提升发电效率。 　　 　　突破小型化瓶颈的尝试 　　燃料电池也算不上什么新技术，早在1839年，英国人W.Grove就提出了氢和氧反应可以发电的原理，这就是最早的氢-氧燃料电池。现在已经被广泛地应用于应急供电、汽车等大型设备，但是想要把燃料电池整合到笔记本、手机这类移动终端中，在很长一段时间之内进展非常不顺，究其根源还是其庞大体积的提及在作祟。 　　不差电的移动电源 　　在2013年，Lilliputian公司和罗姆公司在今年推出的新产品，是如何解决燃料电池小型化瓶颈的呢？先来看 Lilliputian Nectar移动电源，其采用了不同一般的方法：这款移动电源的发电单元采用SOFC（固体氧化物），将装有丁烷燃料的圆筒型燃料盒插到移动电源上之后，形成一个微型固体氧化物燃料电池。每个圆筒型燃料盒的发电容量为55Wh，利用微型固体氧化物燃料电池的高能量转换效率，获得实用化的量产电池。最为关键的是，在电池单元的核心技术方面采用名为“Generator Chip”的微机电系统（MEMS）芯片，来提升转换的效率，从而实现了小型化。这种移动电源已经从国际民间航空组织（ICAO）及美国运输部获得了许可，可在飞机上携带。 　　这款移动电源即将在2013年夏季正式上市，售价为299.99美元（约人民币1870元）。而每盒甲烷燃料的价格为9.99美元（约人民币62元），能为智能手机充电10~14次，这就相当于每次充电要花人民币4.5元，这价格还是有点贵。 　　当然，燃料电池并不一定就需要加燃料，加水同样也可以发电。不过，相比加其他燃料，加水的燃料电池的技术难点是如何找到一种储存氢气的材料。外接压缩气体钢瓶或者采用吸氢材料是电动汽车等大功率应用中的常规思路，但面对移动终端应用时，直接使用氢气会造成要么体积庞大、要么实现复杂的难题。因此在便携燃料电池中，普遍采用加水通过化学反应产生氢气的做法，日本罗姆公司的燃料电池产品应用的正是这一方法。 　　氢化钙是一种灰白色结晶体，遇水可剧烈反应产生氢气和氢氧化钙。罗姆燃料电池的燃料来源就是氢化钙+水：将氢化钙固化为很小的薄膜，当注入水后，水和氢化钙片材作用生成氢气，然后在电解质中生成氢离子，离子运动产生电能。最后生成物是水，不会产生二氧化碳和其他VOC（挥发性有机化合物）等有害物质。由于燃料电池工作中生成物也是水，因此产品仅需要加入少量水引发反应即可。 　　一块体积为38mm×38mm×2mm大小的罗姆燃料电池，加水即可生成4.5L氢气，并产生5 Wh的电力。这种氢燃料电池体积小巧且可常温工作，不仅可用于智能手机的充电，而且还可作为平板电脑和PC等设备的电池。在环保方面，由于使用水与钙系燃料这类安全物质，完全不会排放二氧化碳和有害气体等，废弃时也可作为一般废弃物处理，与以往的各种电池相比，是一种极为环保的电池。 　　在2013年4月，这种燃料电池已经正式开始量产。罗姆的目标是在本年内，将燃料电池推广到智能手机上使用。 　　 　　成本问题待解决 　　燃料电池的成本仍居高不下，罪魁祸首就是其电极中的铂催化剂。铂是一种稀缺金属，目前仍加快氢燃料电池中化学反应的最佳材料。要降低燃料电池的成本，最简单的替代方法就是更换电极中的铂。目前已有了铁基催化剂、铂钯混合物以及具有聚合物涂层的多孔电极。但所有这些铂替代法都有缺陷，那就是其电流密度低或是使用数百小时后其性能就会下降。 　　此外，由于燃料电池所采用的燃料基本都是易燃易爆物品，虽然电池内部不会发生爆炸，但这些燃料都是为了航空安全所不允许携带的。包括如何封装、向燃料电池供给燃料和燃料运输与存放中的安全问题，以及运输、存储、安全及测试的标准也急需建立等等。不过，未来，燃料电池正式上市的时候，记得一定要购买获得国际电工委员会（IEC）认证的产品，同时了解是否够能带上飞机，这样才能实现环保的同时，还有安全的保证。