微型燃料电池充电器

欧腾蛟，唐有根，梁叔全，钟发平

(1. 湖南科力远新能源股份有限公司，湖南 长沙 410205； 2. 中南大学化学化工学院，湖南 长沙 410083；3. 中南大学材料科学与工程学院，湖南 长沙 410083)

·综 述·

微型燃料电池充电器

欧腾蛟1，2，唐有根2，梁叔全3，钟发平1

(1. 湖南科力远新能源股份有限公司，湖南 长沙 410205； 2. 中南大学化学化工学院，湖南 长沙 410083；3. 中南大学材料科学与工程学院，湖南 长沙 410083)

燃料电池技术在20世纪90年代开始进入实用开发阶段，最早推出产品的是微型燃料电池充电器。在5 a时间内，先后有若干款微型燃料电池充电器产品进入市场，虽然销量不如锂离子电池产品，但有更高的能量密度及更长的使用寿命。

燃料电池； 充电器； 消费电子产品

在燃料电池各种应用中，微型燃料电池充电器早在十年前就有产品推出，当时产品的定位是移动、便携式消费电子产品市场。由于近几年锂离子电池相关产品的快速发展，微型燃料电池充电器在市场上表现不如人意，甚至很多企业放弃了针对该类产品的研发。少数企业将此类产品进行重新定位，作为针对小众市场的户外野营、登山等使用的应急电源。

本文作者对已上市的几款微型燃料电池充电器进行概述，包括产品的设计原理、性能特点及市场情况。

1 微型燃料电池充电器

微型燃料电池充电器的输出功率较小，发电过程产生的热量少，使用空冷的方式即可[1]。微型燃料电池充电器的结构组成主要包括燃料存储单元、电路控制单元(DC/DC转换)、气压控制单元(背压)、电源启停和电量储存单元(二次电源)。燃料如果是甲醇，可简单地储存在普通容器中，但是氢气就要通过特殊介质储存。有的充电器产品使用储氢合金粉[2]，有的使用能在常温常压下快速与水化学反应产生氢气的固体粉末，如硼氢化钠或铝粉等。这种固液反应体系需要一定量的催化剂来控制反应速率，进而控制氢气释放速率[3]。有的充电器在系统中配置了1只二次电池，既可存储燃料电池发出的多余的电量，也可单独给电子负载供电，增加充电器的电量输出。燃料电池和二次电池输出的能量，通过电子元器件稳压后，以5.0 V的标准电压输出。

微型燃料电池充电器里的很多部件是简化的，加湿器就是其中之一。在kW级别以上的燃料电池系统中，燃料需要进行先加湿再进入电池发电；而在微型燃料电池充电器中，燃料的加湿是由阴极反应生成的水通过质子交换膜反扩散到阳极实现的[4]。微型燃料电池充电器一般没有空气压缩输送单元，空气通过自由扩散到阴极，与从质子交换膜扩散过来的质子反应生成水；水也是自由扩散排出的[5]。

2 产品现状

2009年10月，东芝公司推出世界上首款商用燃料电池充电器Dynario[6]。该产品每次使用14 ml甲醇作为燃料，可为电子负载提供11 Wh的电量。产品中使用了大量的微型泵、阀门和微控制器等部件，设计比较成熟，但售价较高，约折合人民币2 200多元，当时限量发行3 000部。

2010年6月，新加坡Horizon公司推出名为MiniPak的袖珍式燃料电池充电器，利用USB接口为电子器件连续提供约2 W的功率输出[7]。充电器只有手掌大小，氢气储存在一个叫hydrostik的罐子里。储氢罐里装有以LaNi5为主要成分的储氢合金粉，氢气在2 MPa压力下压进储氢罐，储存在储氢合金粉中。储氢罐的设计承压是3 MPa，最多能储存氢气2.3 g，储存的氢气量可产生12 Wh的能量。这一产品的售价在1 000元人民币以内，提高了同类产品的竞争力。

2011年，日本Aquafairy公司开发了像片状口香糖一样的燃料电池充电器Mobile Aqua[8]。这款产品利用基于塑料的成形技术，对电极和电解质膜等进行一体化组装，未使用容积大且重的陶瓷零部件及金属螺栓和螺母类。与之前燃料电池产品不同的是，Mobile Aqua使用的燃料是固体“氢化钙”。当燃料电池充电器发电时，只需要往固体燃料中加入水就可以产生氢气。

2012年，瑞典myFC公司推出的PowerTrekk 1.0燃料电池充电器采用了类似的固体氢源，储氢材料为硅化钠(Na2Si)。此物质本身不含氢，但可与水反应，释放氢气。myFC的燃料电池分为3个部分：制氢、发电和储电[9]。电池可分开使用，制氢为一体，发电/储电为一体。这款电池刚开始的售价约折合1 400元人民币，到2014年降至800多元。Power Trekk是迄今为止出货量最多的微型燃料电池充电器产品。

2012年，江苏中靖新能源科技推出了JS-Power多功能氢能发电器[10]。这款充电器的额定功率为4～8 W，结构上也分为制氢、发电和储电等3个部分。该产品的氢气发生器设计在正中央，铝粉(或铝片)加上氢氧化钠及催化剂，与水反应后释放氢气。铝粉(或铝片)最大的优势是价格便宜，每加一次燃料只需要4元人民币，经济性优势明显。

2013年，英国Intelligent Energy公司推出一款体积极小且造价低廉的“Upp”燃料电池充电器[11]。这款产品附带一个支持iOS和Android设备的应用程序，可控制移动设备的充电程度。与MiniPak一样，采用固体储氢合金作为氢源，每个燃料盒充满氢气后，可产生25 Wh的电量。Upp甚至被苹果公司看上，专门开发了App，可在英国各大专卖店销售。由于加氢机没有配套销售，消费者需要去Intelligent Energy公司提供的加氢店去补充氢气，限制了Upp的应用。

2013年，美国Lilliputian Systems公司打造了一款燃料电池充电器Nectar，产品外形与移动硬盘接近[12]。与其他产品不同的是：Nectar选用固体氧化物燃料电池(SOFC)的发电模式，以丁烷为燃料。SOFC的工作温度在500 ℃以上，高温工作的电池大大增加了小型燃料电池的设计难度。这款设备在美国开售时的价格折合2 000元人民币，需要定期更换的丁烷售价也比甲醇等燃料贵。

2014年，myFC公司将PowerTrekk升级到PowerTrekk 2.0，额定功率由原来的2.5 W升级到6.5 W，内置的锂离子电池的容量提高到3 800 mAh，尺寸不变，质量增加30 g，价格不到1 300元人民币[13]。2015年，myFC公司推出纯燃料电池模块JAQ产品，燃料盒可提供1 800 mAh的电量，能将一部iPhone 6手机充满电。此产品在体积和质量方面都有改善，主机约200 g、燃料盒约40 g，便携性较好[14]。

燃料电池是发电设备，本身没有储存功能，因此燃料电池做成产品的时候通常还需要搭载电池。从实际配置来看，燃料电池充电器一般搭载锂离子电池，也有搭载电容的。为了达到结构紧凑的目的，Powertrekk和Upp搭载的是软包装方形锂离子电池；而JS-Power配置的是18650型锂离子电池，可达到较大容量的效果。

近几年微型燃料电池充电器产品的详细信息见表1。

表1 微型燃料电池充电器的主要参数对比 Table 1 Comparison of key parameters of micro fuel cell chargers

从表1可知，微型燃料电池充电器的设计尺寸通常以手掌大小作为参考，质量集中在100～700 g。这样的尺寸和质量，可满足便携的要求。甲醇和固体储氢是燃料的主流方向。甲醇易储存和携带，发电量大，且价格不贵；但使用甲醇发电，一定时间后催化剂会中毒丧失活性[15]，缩短电池的寿命。采用氢气发电，气体或以压缩的方式储存，或储存在固体化合物中。以气体形式储存，可控制气体释放速度，但体积较大；储存在固体化合物中，虽然具有较高的能量密度和比能量[16]，但如何控制氢气释放速率是个难点。

3 性能分析

微型燃料电池充电器的电堆一般由2～10片单体电池串联，以提高输出电压和功率。为了增强产品的便携性，单体电池串联组堆的方式都是经过特别设计。图1描绘了燃料电池充电器常见的3种串联方式。

图1 微型燃料电池充电器电堆的3种串联方式

串联方式1采用共用氢气流场板，两片单体电池安放在流场板的两端。氢气从流场板中间进出，在流场板两侧扩散至阳极。这样的设计可以节省部件，而且流场结构简单[17]，容易制造，流场板还通过使用塑料材料来减轻产品的质量。串联方式2中，燃料电池不是上下叠加，而是平铺在一块共同的氢气流畅板上，通过导线串联。所有单体电池的阳极朝下，阴极朝上，生成的水可通过吸收热量向上蒸发。这样的设计减小了产品的厚度，方便携带。串联方式3与常规氢空燃料电池组堆方式一样，阴极通道设计成像隧道一样的通孔。前两种设计方式可获得较大的阴极活性面积，空气在自由扩散状态下也可接触到所有的活性面积；串联方式3由于设计成隧道一样的通孔，空气在通孔内扩散的阻力较大，不能使用自呼吸方式，需要外加载风扇加快空气的流动。

本文作者分析了4款充电器产品的结构和性能，分别是JS-Power、Powertrekk 1.0、Upp和MiniPak。测试设备为PEM质子交换膜100 W测试系统(宁波产)，环境温度为25 ℃，进气未加热加湿，氢气进气速率不低于100 ml/min，空气根据工作方式采用自呼吸或风扇模式。在恒功率模式条件下稳定输出30 s后测试的实验结果见表2、图2。

表2 微型燃料电池充电器产品的实测性能

Table 2 Actual performance measurements of micro fuel cell chargers

产品名称电堆组成串联方式膜电极活性面积/cm2空气输送方式实测最大功率/W最大功率密度/mW·cm-2JS⁃Power2串方式122 9自呼吸3 0131Powertrekk1 04串方式28 9自呼吸2 5281Upp5串方式39 5风扇5 9624MiniPak2串方式115 0自呼吸2 1141

图2 Upp燃料电池充电器自呼吸模式与风扇模式实测性能

Fig.2 Performance of Upp fuel cell charger operated under self-breathing mode and fan mode

从产品的结构分析可知：JS-Power和MiniPak均采用串联方式1，实际测得的最大功率密度为130～140 mW/cm2。Powertrekk 1.0采用串联方式2，单体串联数增加，因此也提高了氢气在燃料电池阳极的停留时间和转化率，实测的最大功率密度要高于JS-Power和MiniPak。Upp采用经典的氢空电堆模式，如果采用自呼吸模式，电堆产生的最大功率密度(见图4)约200 mW/cm2；如果采用风扇模式，由于加强了空气的扩散速率，最大功率密度提高至600 mW/cm2以上，接近氢空电池的极限功率密度[18]。

虽然串联方式2比串联方式1更合理，理论上可串联较多的单体电池，但自呼吸模式的性能有较大的瓶颈，主要受制于空气扩散速率。采用串联方式3可提高产品的功率密度，但会增加部件(风扇)及带来的噪音，降低产品的体验感。

4 市场预测

根据市场调研，多数买家只能接受700元人民币以内的燃料电池充电器，只有不到5%的买家会考虑2 000元人民币以上的。燃料电池充电器生产商的首要任务，是把产品的售价降至700元人民币以内。现在市面上的微型燃料电池充电器中，最便宜的要数2016年刚上市的JAQ产品，售价不到500元人民币。此外，更换的燃料价格也不能太贵，否则二次使用成本过高。myFC公司的JAQ产品更换燃料需要7元人民币，可发出1 800 mAh的电量，比普通锂离子电池充电宝的充电成本高太多。在目前阶段，燃料电池充电器只能定位于特殊场合需要的备用电源或应急电源。

已上市的微型燃料电池充电器，额定输出功率集中在2～6 W，将一部智能手机(如iPhone 6的电池容量为6.7 Wh)充满电需要1～3 h；而消费级电子产品，如iPad的功率为12 W，笔记本电脑的功率一般在40～60 W，因此，燃料电池充电器的输出功率需要向更大级别发展。采用自呼吸模式的串联方式不能满足要求，只能采用风扇模式。虽然固体合金粉储氢能保证安全性，但是加氢过程麻烦。英国Intelligent Energy公司是让消费者将使用完的储氢罐寄回，由生产商重新加满氢气，这种方式降低了产品的便捷性。

微型燃料电池充电器在特殊领域与场合的应用前景依旧被看好，随着技术进步与规模经济效益，生产成本与使用成本逐渐下降，市场可能会逐步发展起来。

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Micro fuel cell charger

OU Teng-jiao1，2，TANG You-gen2，LIANG Shu-quan3，ZHONG Fa-ping1

(1.HunanCorunNewEnergyCo.，Ltd.，Changsha，Hunan410205，China；2.ChemistryandChemicalEngineeringInstituteofCentralSouthUniversity，Changsha，Hunan410083，China；3.MaterialsScienceandEngineeringInstituteofCentralSouthUniversity，Changsha，Hunan410083，China)

Fuel cell(FC)technology was obtained development in the 1990s. The first FC product entered the market was the micro FC charger. Within the next 5 a，the market appeared several micro FC chargers. Although the sale volumes of those products were less than Li-ion battery，possessed higher energy density and longer service life.

fuel cell； charger； consumer electronic product

欧腾蛟(1981-)，男，湖南人，湖南科力远新能源股份有限公司研发主管，博士后，研究方向：燃料电池技术；

TM911.4

A

1001-1579(2016)06-0339-04

2016-06-14

唐有根(1962-)，男，湖南人，中南大学化学化工学院教授，化学电源与材料研究所所长，研究方向：化学电源与材料；

梁叔全(1962-)，男，湖南人，中南大学材料科学与工程学院院长，教授，研究方向：复合无机材料化学；

钟发平(1965-)，男，湖南人，湖南科力远新能源股份有限公司董事长，研究员，研究方向：混合动力、储能，本文联系人。