国外微型燃料电池研发动态

本刊 刘春娜

近年来，随着笔记本电脑、手机等便携电子设备的迅猛发展，人们对便携式电源的需求量快速增加。其中，微型燃料电池以其特有的优势跻身于便携设备电源的大军。微型燃料电池是利用氧气和氢等物质进行化学反应产生的电能来供电，具有如下优点：比功率高、输出功率可按不同需求灵活设计、清洁无污染、环保易回收、无需充电、快速补给燃料等。从2003年东芝、NEC、日立等公司在日本纳米展上展出新的微型燃料电池原型设计开始，人们已逐步意识到燃料电池微型化时代即将到来。

美国

在美国加州理工学院、南加州大学和美国西北大学研究者的共同努力下，制造出一种只有一平方厘米大小的微型燃料电池。这种新的电池以丙烷为动力，可以广泛地应用于医学设备、笔记本电脑和照相机上。使用丙烷作原料是因为其比能量很高，而且很容易被压缩为液态，这样就能把大量能量存储在小型设备里面。这种燃料电池使用的是氧和燃料的混合物。氧和燃料共同使用一个进口就能简单地把它们混合在一起，产生的废气也只有一个出口。氧和燃料的混合物有一部分发生氧化发出热量，电池就被加热到了500～600℃。这项新发明的重要突破之一就是能让电池保持住自身的热量，这是产生能量的先决条件。加州理工学院研究小组用新的催化剂来释放能量以保持电池的温度，并且减缓了添加燃料的速度。这样，任一时间段内只有少量的燃料被消耗。这一举措同时也消除了电池对体积较大保温材料的需要，也减小了电池的体积。最后，热交换器保证了排出的热气能把热量传递给进入的冷气。研究小组说，如果这种电池商业化以后，它能带动一台像MP3播放器这样的小型设备，而使用时间会比现在最好的锂电池的使用时间还要长许多。

美国萨瓦那河国家实验室（SRNL）的科学家利用含三氢化铝的轻型材料制成了小型储氢容器，并证明它的氢释放率适合为小型商用燃料电池提供动力。S R N L研究团队展示了如何用三氢化铝和类似高性能储氢材料来制造便携发电系统。三氢化铝与其他金属氢化物类似，也能为氢提供一种固态的储存媒介。但三氢化铝具有一大优势：它具有极高的储氢能力，能够将两倍多的氢气储存为液态氢。此外，它还具有较低的质量和有利的放电状态。这些都使它成为理想的化学储氢材料之一。但目前可商用的三氢化铝十分有限，且生产成本很高，妨碍了它的广泛应用。研究人员表示，他们的研究克服了三氢化铝传统生产方法中的多个障碍，新方法能最少程度地使用溶液，并制出纯净、不含卤化物的三氢化铝。同时，研究小组还能借助另一过程，使从三氢化铝中提取的氢翻一番。这些进展也为开发成本低廉的新型三氢化铝生产方式奠定了基础。此次研究的另一重点就是评估三氢化铝系统和小型燃料电池应用的兼容性。基于约含有22克三氢化铝的测试容器的初步结果显示，这一系统能够很好地满足100瓦燃料电池系统所需的氢释放率。该系统能够在燃料电池接近全功率的状态下运转3个多小时，并能在降低功率后再运行若干小时。SRNL的专家表示，他们的目标是为军队提供轻便且储能能力出色的便携系统，以及应用于其他对质量要求较高的领域。

美国凯斯-西里瑟夫大学的研究人员开发出了一种体积只有铅笔上的橡皮大小的微型燃料电池。研究人员使用微组装技术将多层燃料电池元件印刷到底版上，以类似于目前多种集成电路制造的方法生产燃料电池，该电池使用氢气作为燃料，氢气被安全地储存在一种低压氢化物中。这种新型燃料电池的研制成功使得将燃料电池与电子电路、微处理器、传感器和发送器结合到一块硅片上的微系统的研制条件开始成熟。

美国密苏里大学的研究团队发明了一种袖珍核燃料电池。该电池利用放射性同位元素的衰变产生能量。研究人员介绍，放射性物质衰变时，会释放带电粒子，如果能将这些粒子收集起来，便能产生电流。该大学之所以开发微型核燃料电池是为了缩小电子设备内电源的尺寸，让它更适合小型设备（如微机电系统或纳米机电系统），因为这些设备本身已经足够小，一定要有更小的电源与之相匹配。因此，开发微型电源与开发微电机本身一样重要。密苏里大学的研究小组在研究过程中使用了一种液态半导体来捕捉并利用衰变产生的带电颗粒。他们之所以使用液态半导体，是因为高能电荷通过液态半导体不会对它造成损害，因此能大大节省半导体所占空间。目前，研究人员正努力进一步将电池“迷你化”。为了打消人们对于核燃料安全的顾虑，研究人员解释道，尽管整个电池的成功与否取决于放射性物质的使用，但在正常工作条件下使用是完全安全的。

美国斯坦福大学与本田公司合作，宣布已试制出了超小型燃料电池。此次试制的燃料电池是将电解质膜/电极接合部以燃气扩散电极隔开，并夹在硅表面设计有细微的燃气通道的底板间制成的。与通常的高分子固体电解质燃料电池层叠多个电池单元而形成叠层电池不同，该燃料电池的最大特点就是多个电池单元以串联的方式位于一枚硅底板上。在此次试验中，采用的是4个电池单元串联的方式，输出电压为1.5V左右，每平方英寸的电流密度大约为10 0mA，发电效率约为40%。

在一项关于燃料电池的专利申请中，苹果公司描述了一种在不增加太多质量的情况下优化燃料电池 (在电子设备如笔记本电脑中使用的)性能的方式。这项专利申请标题为“为便携式计算设备供电的燃料电池系统”。公司表示，消费者开始越来越注重使用可再生能源。燃料电池在技术上具有竞争力，因为其比能量很高，相对于传统电池可以在同样的体积下提供更多能量。其专利申请显示：“燃料电池以及附带的燃料可以带来极高的比能量，在不添加燃料的情况下能支持便携式电子设备数天甚至数周时间。”苹果同时表示，使用燃料电池面临的挑战在于便携性和成本。通常情况下，针对电子设备的燃料电池支持便携式充电，而用户需要携带一个燃料棒。与此不同，苹果设想了一种与电子设备紧密集成的燃料电池。而这一专利申请的大部分篇幅都在描述一种用于优化燃料电池堆叠能量流的控制系统。苹果的另一项专利申请描述了燃料电池如何与可充电电池协同工作，并使燃料电池和可充电电池相互充电。该专利申请称：“这将使燃料电池系统没有必要集成庞大而很重的电池，从而明显减小燃料电池系统的尺寸、质量和成本。”这并不是苹果申请的第一项有关燃料电池的专利。Patently Apple网站指出，苹果还在设计一种燃料电池板，可从便携设备中产生更多的能量。关于燃料本身，苹果的一项专利申请显示，有多种燃料可以为电子设备供电，其中一种是硼氢化钠与水的混合物。不过这些仍处于试验阶段，目前尚未商用。便携式燃料电池充电器面临的一个主要障碍在于，厂商需要建立相应渠道进行销售并回收燃料棒。苹果可能会利用苹果零售店来完成这样的工作。

POWERTREKK便携式燃料电池充电器在经历了漫长的制造过程之后，将于2012年在欧洲和美国市场上面世。为该产品设计制造氢盒的美国SiGNa Chemistry公司的专家说，燃料电池的成本比4节A A电池还要少(POWERTREKK的制造商和分销商是一家叫做my FC的瑞典公司)。POWERTREKK是一个混合型的燃料电池系统，这意味着它能给科技产品的内置电池充电。它由5W的电池盒和可更换的3～5W的燃料包构成，每一个组件都应能产生足够的能量，至少可以给iPhone充满一次电。POWERTREKK还可以给其他手机、数码相机、GPS设备和一些平板电脑充电。它通过USB或mini-USB连接器等与科技产品连接。POWERTREK本身的研发花了差不多两年时间：自2010年初以来，SiGNa就一直与my FC合作开发这个产品。SiGNa的解决方案是使用钠硅化物，它不储存氢气，但可以与任何一种水(盐水、海水，甚至是废水)进行反应生成氢气。氢被注入一块燃料电池，从而产生电力，可以通过电线传输给科技产品。SiGNa也克服了另一个燃料电池技术长期存在的障碍，其设置获得了国际电工委员会(IEC)的认证，这将让用户能把POWE RTREKK带上飞机。

日本

微型燃料电池的主要市场为移动通讯领域，目前，NEC、卡西欧计算器、三洋电机、索尼、东芝、日立制作所以及本田技术研究所都参加了该项工作。

东芝公司也开发成功了一种小型燃料电池，体积只有14 0cm3，质量为发成了g，平均功率为1W。该小型化燃料电池的设计成功得益于两项技术：一是使用氢气和氧气反应发电时生成的水将甲醇稀释到适当浓度的技术，可利用该技术在燃料盒中贮存高浓度甲醇，从而进一步减小燃料盒的体积；另一项技术是缩小了用泵向燃料电池单元提供燃料和空气的结构，而且还对输送燃料和空气的路径进行了改进，从而实现了整个供料系统的小型化设计。

日本国立高等工业科技研究院(AIST)的一个科研小组在一个1cm3的装置内，利用氢和空气混合产生电能，产生的电能功率可以达到2W。科学家称，将这些单个的微型燃料电池装置连接起来，其产生的电能将可以为不同的应用方案提供能源。

日本科学家开发出与打火机一般大小的燃料电池，它制作简单，可应用在移动电话、笔记本电脑等许多领域。其原理是将硼化氢溶解于碱性溶液中，将溶解物与双氧水同时提供给电池，让氢和氧在液体中直接进行反应，从而产生电能。日本工学院大学工程部研究人员竟然提出以B H4为燃料，以吸附氢的合金作为电极，同时也作为氢的还原剂和催化剂。尽管以B H4作燃料价格昂贵，但是可循环再利用。

其他国家

著名的芯片制造商意法半导体(STMicroelectronics)也成功开发出了面向手机等便携终端的燃料电池小型化技术。该技术在燃料电池的硅电极上形成数千个轴长约10μm的椭圆状微孔。这些微孔是燃料的甲醇通道。这样就可以进一步提高燃料、触媒和电极的接触面积，并且能够进一步实现燃料电池的小型化设计。此外，研究团队正在与那不勒斯大学合作，研制成本比今天商用薄膜材料更低廉的新型薄膜材料，先用粒子轰击厚度仅2 5mm的塑料薄膜，并进行化学腐蚀以在薄膜上形成许多细孔，电解液流经这些细孔后被灌入，然后再利用成熟的芯片制造技术(如真空淀积)在塑料结构上淀积或刻蚀金属电极、催化剂材料和连接各分离电池的导电栅网等。

西班牙和德国的研究人员设计了世界首部装备集成微型燃料电池的微流体装置，燃料电池一方面为装置供电，另一方面将装置周围的待分析样品泵入。微流体装置被誉为将彻底改变医学诊断、食品安全、药物开发和基因排序等领域的技术。然而设备中所有必要部件的集成始终是一个限制因素，阻碍了微流体概念的实用化。微流体芯片体积小且易于加工，但是样品分析所需的电源、泵和控制电路通常为外置的体积较大的部件，并不是微型结构。如今，巴塞罗那微电子研究所的研究团队将微型直接甲醇燃料电池集成在微流体平台中，该燃料电池可提供4mW的电力，足够驱动装置运行。燃料电池反应的副产物二氧化碳被用来推动液体流过微流道，从而不需要外部的泵驱动。该团队已经证实，液体的流量可以通过燃料电池的工作条件控制，流量与装置中产生的电流呈近似的线性关系。研究人员的下一步工作是展示该装置确实可以独立工作，证明可以通过小功率电子芯片模块和电流传感器的集成进行样本的测量分析。此外，该研究团队还在致力于研究更高程度的装置集成，采取的方法是使用同一种聚合物制备组件而采用不同的燃料（如葡萄糖）进行试验。

展望

随着技术的不断改进、公众认知度的深入以及来自政府的支持加大，都会加速推进微型燃料电池的商业化进程。让我们期待微型燃料电池早日实现破茧成蝶的梦想。