筆記本電腦燃資電池技術(shù)

陳 波

（吳江出入境檢驗檢疫局，江蘇 吳江 215200）

0 引言

筆記本電腦以其便攜性和移動性,受到越來越多人的關(guān)注,隨著價格的進(jìn)一步降低,筆記本電腦正有逐漸取代臺式機(jī)的趨勢。據(jù)統(tǒng)計，2009年全世界筆記本電腦總產(chǎn)量約為1.5億臺，其中有超過90%來自中國。筆記本電腦電池作為動力源泉，其性能的好壞決定著筆記本電腦的發(fā)展前景。筆記本電腦電池發(fā)展到如今，經(jīng)歷了鎳鎘時代、鎳氫時代、鋰離子時代，然而隨著現(xiàn)代社會工作生活節(jié)奏的加快，對移動商務(wù)辦公需求的增加，筆記本電腦也向著輕型化、小型化、高性能、高數(shù)據(jù)傳輸、長待機(jī)時間的方向發(fā)展，目前普遍采用的鋰離子電池越來越不能滿足發(fā)展的需要，筆記本電腦市場急需要尋求一種新型的電池取代目前的現(xiàn)狀，直接甲醇燃資電池具有 體積小、重量輕、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、能密度高、燃資來源豐富、 價格便宜、運行便捷和噪聲低等優(yōu)點，被認(rèn)為是最有希望的化學(xué)電源[1]。

1 燃料電池與其他電池的區(qū)別

1.1 燃資電池與一次性原電池的區(qū)別

燃資電池利用物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時釋出的能量，直接將其變換為電能。從這一點看，它和其他化學(xué)電池如堿性電池、碳性電池等是類似的。但是普通原電池活性物質(zhì)都是直接存放在電池內(nèi)部的，限制了電池容量,而燃資電池正負(fù)極本身不包含任何活性物質(zhì)，它們只是個催化轉(zhuǎn)換元件,燃資和氧化劑均由外部供給,原則上只要不斷輸入反應(yīng)物，不斷排出反應(yīng)產(chǎn)物，燃資電池就能連續(xù)放電。

1.2 燃資電池與可充電電池的區(qū)別

可充電電池通過外部充電儲存能量,通過內(nèi)部放電釋放能量，可以多次循環(huán)、反復(fù)使用。在可充電電池的陽極和陰極之間，通過帶電離子的移動產(chǎn)生電流。而燃資電池本身不能儲存能量，只是進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，提供電能的一種發(fā)電裝置。

2 燃料電池的分類

燃資電池的種類按不同的方法可大致分類如下。

按燃資電池的運行機(jī)理分：有酸性燃資電池和堿性燃資電池。

按電解質(zhì)的種類不同：有酸性、堿性、熔融鹽類或固體電解質(zhì)。

按燃資類型分：有氫氣、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有機(jī)燃資，汽油、柴油和天然氣等氣體燃資。

按燃資電池工作溫度分：有低溫型，溫度低于 200℃；中溫型，溫度為200～750℃；高溫型，溫度高于750℃。

3 燃料電池的工作原理

作為燃資電池研究的一個主要方向和熱點，微型直接甲醇燃資電池(DMFC)被認(rèn)為最有可能補(bǔ)充和替代目前廣泛使用的鋰離子電池而成為理想的動力電源[2]。

直接甲醇燃資電池主要由陰、 陽極極板和膜電 極構(gòu)成，其中膜電極包括質(zhì)子交換膜、催化劑層和氣 體擴(kuò)散層。 催化劑層是電化學(xué)反應(yīng)的場所；質(zhì)子交換膜導(dǎo)質(zhì)子阻電子，起到隔離反應(yīng)物的作用；擴(kuò)散層起 到支撐催化劑層、 收集電流及傳導(dǎo)反應(yīng)物的作用； 陰、陽極板起到支撐、集流、分隔的作用。 DMFC 工作 時，甲醇水溶液注入陽極，通過擴(kuò)散層到達(dá)陽極催化 劑層， 在催化劑的作用下發(fā)生氧化反應(yīng)生成 CO2，釋 放出電子和氫質(zhì)子； 產(chǎn)生的氫質(zhì)子透過質(zhì)子交換膜 至陰極與氧氣反應(yīng)生成水， 產(chǎn)生的電子從陽極經(jīng)外電路通過負(fù)載流向陰極形成電流。

直接甲醇燃資電池結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 直接甲醇燃料電池結(jié)構(gòu)示意

其電極反應(yīng)如下：

4 甲醇燃料電池發(fā)展存在的問題

甲醇穿透現(xiàn)象：甲醇水溶液燃資電池的電解質(zhì)膜，大多使用酸性材資，這種材資會形成質(zhì)子水合物的通道使甲醇穿過薄膜而降低甲醇的利用率，甲醇穿透會在陰極觸媒與氧發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而造成電壓降低等問題。由于氫離子需要由水?dāng)y帶穿過高分子薄膜，電解質(zhì)膜要求具有高質(zhì)子導(dǎo)電性，同時需要控制甲醇穿透問題。

二氧化碳排出：二氧化碳在觸媒的堆積會導(dǎo)致觸媒利用率的降低，同時甲醇 在陽極催化劑表面緩慢氧化過程中，碳原子與氧原子結(jié)合時還會附帶產(chǎn)生一氧化碳，占據(jù)電 極的活性中心，毒化電極，使電極活性降低。[3]

在低溫條件下，甲醇燃資電池的陽極催化劑活性對大幅降低，氧化還原過程緩慢，具有較高的過電位，影響了電池的輸出性能和使用效率。

微型化、集成化和高能化是甲醇燃資電池的發(fā)展趨勢,其制造技術(shù)是一項復(fù)雜的高新技術(shù)，涉及眾多精密加工技術(shù)，需要采用先進(jìn)的加工制造技術(shù)才能滿足筆記本燃資電池的加工要求[4-5]。為此，需要研制精密的筆記本燃資電池精密加工系統(tǒng)。同時,電池的微型化、集成化勢必引起比能量的下降,這與提高電池比功率密度相矛盾。

直接甲醇燃資電池的運行條件諸如溫度、甲醇濃度、甲醇 流量、電池放置方位對電池性能影響很大[2]。此外，甲醇燃資電池的封裝，運輸，存儲，安全及測試標(biāo)準(zhǔn)的建立，燃資的提供等都是影響甲醇燃資電池商業(yè)化發(fā)展需要解決的問題。

5 甲醇燃料電池關(guān)鍵技術(shù)

（1）電催化劑

催化劑的功能是加速電極與電解質(zhì)界面上的電 化學(xué)反應(yīng)。目前的研究中對電極催化劑要求如下：催化活性高，較好的抗中毒能力；導(dǎo)電性好；穩(wěn)定性好，具有較強(qiáng)抗腐蝕能力。

目前甲 醇陽極氧化電催化劑研究的多是以鉑為基礎(chǔ)的二元 或多元催化劑，其中有以 Pt-Ru 為代表的二元催化劑、 以 Pt-Ru-W 為代表的三元催化劑和以 Pt-Ru-Os-Ir 為代表的四元催化劑。陰極催化劑 的研究主要集中在以下幾類氧電極催化劑： Pt/ C 催化劑、 Pt-M/C 合金催化 劑、 非鉑催化劑。

（2）質(zhì)子交換膜（PEM）

PEM為選擇透過性膜，它既是電解質(zhì)，又是隔 離物， 對質(zhì)子導(dǎo)通， 對電子絕緣。 PEM 必須滿足下述條件：良好的質(zhì)子導(dǎo)電性；不論膜在干態(tài)或濕態(tài)， 均應(yīng)保證氣體在膜內(nèi)的低滲 透性；具有足夠高的機(jī)械強(qiáng)度， 適于 MEA 的制備 和電池的組裝；在玻璃化溫度時，膜表面具有一定 的黏彈性，以利于制備 MEA 組件時催化劑層與膜的 結(jié)合能力，減少接觸電阻；良好的化學(xué)與電化學(xué)穩(wěn) 定性；膜本身不溶于水，但具有較好的水合能力；對甲醇和氧化劑有良好的隔離作用。

由于目前廣泛采用的全氟磺酸膜導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性不夠;機(jī)械強(qiáng)度較差;甲醇滲透率較高，研究員把主要工作集中在質(zhì)子交換膜的改性以及新 材資的研制。

（3）膜電極（MEA）

膜電極是甲醇燃資電池的核心部件,通常由一對氣體擴(kuò)散電極和一張質(zhì)子交換膜通過熱壓在一起組成。高性能的膜電極應(yīng)具備下列特性：能夠最大限度減小氣體的傳輸阻力；形成良好的離子通道，降低離子傳輸?shù)淖枇?；形成良好的電子?道；氣體擴(kuò)散電極應(yīng)該保證良好的機(jī)械強(qiáng)度及導(dǎo)熱 性；膜具有高的質(zhì)子傳導(dǎo)性和很好的化學(xué)穩(wěn)定 性、熱穩(wěn)定性及抗水解性。

研究表明低溫條件下運行的燃資電池，電池MEA活化工藝對提 高催化劑利用率和電池性能具有很大的影響[6-7]。目前膜電極組件的技術(shù)難點集中在膜電極的密封性和甲醇滲透問題。

6 筆記本燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀

在燃資電池的研究方面日本處于領(lǐng)先地位。NEC、索尼、 卡西歐、東芝、日立等廠家展開了激烈競爭。2008年日本松下電器產(chǎn)業(yè)公司20日宣布，該公司開發(fā)出一款單位體積輸出功率是以往產(chǎn)品兩倍的直接甲醇燃資電池，適合筆記本電腦、手機(jī)等便攜設(shè)備使用。2009年十月東芝表示，正式推出首款直接甲醇燃資電池，該電池將首先用于便攜式電子產(chǎn)品。2009年麻省理工(MIT)的科學(xué)家最近開發(fā)出一種新技術(shù),采用了一種全新的滲透性薄膜, 可以避 免甲醇泄漏的情況發(fā)生,大幅提高了DMFC的輸出功率,使其可以達(dá)到50%以上。

中國燃資電池的研究工作始于 1958 年，但是在 甲醇燃資電池 研究方面卻起步較晚。政府對燃資電池的研發(fā)高度重視，將其列為“國家科技中長期發(fā)展規(guī)劃”中能源、交通、電子等領(lǐng)域的重要研究方向和急需開拓的尖端高技術(shù)。清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院課題組承擔(dān)的國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）“智能化高效直接甲醇燃資電池電源系統(tǒng)的研制”，2009年11月24日在北京通過科技部驗收。同時中科院長春應(yīng)化所、中科院大連化物所等單位為加速甲醇燃資電池技術(shù)的研究開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化作出了很大努力。

7 結(jié)語

隨著現(xiàn)代社會信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，筆記本電腦以其便攜性和移動性在日常使用中日益普及，同時人們對于筆記本電腦的電池持續(xù)供電時間提出了更高的要求。相比于傳統(tǒng)可充電電池，甲醇燃資電池具有體積小、重量輕、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、能密度高、燃資來源豐富、 價格便宜、噪聲低等優(yōu)點，被認(rèn)為是最有希望取代目前鋰電池來為筆記本電腦供電的電源，其技術(shù)實用性和生產(chǎn)成本的研究是世界各國各實驗室研究的熱點。相信隨著甲醇燃資電池技術(shù)的成熟，商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化的到來，筆記本電腦的發(fā)展必將邁上新的臺階。

[1] YANG L X,ALLEN R G,SCOTT K,et al.A Study of PtRuO2 Catalysts Thermally Formed on Titanium Mesh for Methanol Oxidation[J]. Electrochimica Acta 2005, 50(05)： 1217-1223.

[2] 衣寶廉. 燃資電池：原理·技術(shù)·應(yīng)用[M]. 北京：北京化學(xué)工業(yè)出版社, 2003：336-340;361-382.

[3] KAMARUDIN S K,DAUD W R W,HO S L,et al.Overview on the Challenges and Developments of Micro directme-thanol Fuel Cells (DMFC)[J]. J.Power Sources,2007,163 (02)：743-754.

[4] LU G Q,WANG C Y. Development of High Performance Micro DMFCS and a DMFC Stack[J].Journal of Fuel Cell Science and Technology, 2006,3(02)：131-136.

[5] ANDERS O, CHRISTIAN H. Characterization of a Portable DMFC Stack and a Methanol-feeding Concept[J]. Journal of Power Sources, 2006(158)：177-187.

[6] 朱科,陳延禧,韓佐青,等. 質(zhì)子交換膜燃資電池膜電極活化工藝及機(jī)理[J].電源技術(shù),2002,26 (04)：267-268.

[7] 林才順,王新東,張紅飛,等.直接甲醇燃資電池膜電極的活化工藝[J].電源技術(shù),2007,131 (07)：554-555.

Web安全問答(10)

問：網(wǎng)站會面臨什么樣的安全問題

答：網(wǎng)站面臨的安全問題是方方面面的，主要可概括為以下四個方面：

（1）操作系統(tǒng)、后臺數(shù)據(jù)庫的安全問題

這里指操作系統(tǒng)和后臺數(shù)據(jù)庫的漏洞，配置不當(dāng)，如弱口令等等，導(dǎo)致黑客、病毒可以利用這些缺陷對網(wǎng)站進(jìn)行攻擊。

（2）Web發(fā)布系統(tǒng)的漏洞

Web業(yè)務(wù)常用的發(fā)布系統(tǒng)，如IIS、Apache等，這些系統(tǒng)存在的安全漏洞，給入侵者可乘之機(jī)。

（3）Web應(yīng)用程序的漏洞

主要指Web應(yīng)用程序的編寫人員，在編程的過程中沒有考慮到安全的問題，使得黑客能夠利用這些漏洞發(fā)起對網(wǎng)站的攻擊，比如SQL注入、跨站腳本攻擊等等。

（4）自身網(wǎng)絡(luò)的安全狀況

網(wǎng)站服務(wù)器所處的網(wǎng)絡(luò)安全狀況也影響著網(wǎng)站的安全，比如網(wǎng)絡(luò)中存在的DoS攻擊等，也會影響到網(wǎng)站的正常運營。