國外微型燃料電池研發(fā)動(dòng)態(tài)

本刊 劉春娜

近年來，隨著筆記本電腦、手機(jī)等便攜電子設(shè)備的迅猛發(fā)展，人們對(duì)便攜式電源的需求量快速增加。其中，微型燃料電池以其特有的優(yōu)勢躋身于便攜設(shè)備電源的大軍。微型燃料電池是利用氧氣和氫等物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電能來供電，具有如下優(yōu)點(diǎn)：比功率高、輸出功率可按不同需求靈活設(shè)計(jì)、清潔無污染、環(huán)保易回收、無需充電、快速補(bǔ)給燃料等。從2003年東芝、NEC、日立等公司在日本納米展上展出新的微型燃料電池原型設(shè)計(jì)開始，人們已逐步意識(shí)到燃料電池微型化時(shí)代即將到來。

美國

在美國加州理工學(xué)院、南加州大學(xué)和美國西北大學(xué)研究者的共同努力下，制造出一種只有一平方厘米大小的微型燃料電池。這種新的電池以丙烷為動(dòng)力，可以廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)設(shè)備、筆記本電腦和照相機(jī)上。使用丙烷作原料是因?yàn)槠浔饶芰亢芨?，而且很容易被壓縮為液態(tài)，這樣就能把大量能量存儲(chǔ)在小型設(shè)備里面。這種燃料電池使用的是氧和燃料的混合物。氧和燃料共同使用一個(gè)進(jìn)口就能簡單地把它們混合在一起，產(chǎn)生的廢氣也只有一個(gè)出口。氧和燃料的混合物有一部分發(fā)生氧化發(fā)出熱量，電池就被加熱到了500～600℃。這項(xiàng)新發(fā)明的重要突破之一就是能讓電池保持住自身的熱量，這是產(chǎn)生能量的先決條件。加州理工學(xué)院研究小組用新的催化劑來釋放能量以保持電池的溫度，并且減緩了添加燃料的速度。這樣，任一時(shí)間段內(nèi)只有少量的燃料被消耗。這一舉措同時(shí)也消除了電池對(duì)體積較大保溫材料的需要，也減小了電池的體積。最后，熱交換器保證了排出的熱氣能把熱量傳遞給進(jìn)入的冷氣。研究小組說，如果這種電池商業(yè)化以后，它能帶動(dòng)一臺(tái)像MP3播放器這樣的小型設(shè)備，而使用時(shí)間會(huì)比現(xiàn)在最好的鋰電池的使用時(shí)間還要長許多。

美國薩瓦那河國家實(shí)驗(yàn)室（SRNL）的科學(xué)家利用含三氫化鋁的輕型材料制成了小型儲(chǔ)氫容器，并證明它的氫釋放率適合為小型商用燃料電池提供動(dòng)力。S R N L研究團(tuán)隊(duì)展示了如何用三氫化鋁和類似高性能儲(chǔ)氫材料來制造便攜發(fā)電系統(tǒng)。三氫化鋁與其他金屬氫化物類似，也能為氫提供一種固態(tài)的儲(chǔ)存媒介。但三氫化鋁具有一大優(yōu)勢：它具有極高的儲(chǔ)氫能力，能夠?qū)杀抖嗟臍錃鈨?chǔ)存為液態(tài)氫。此外，它還具有較低的質(zhì)量和有利的放電狀態(tài)。這些都使它成為理想的化學(xué)儲(chǔ)氫材料之一。但目前可商用的三氫化鋁十分有限，且生產(chǎn)成本很高，妨礙了它的廣泛應(yīng)用。研究人員表示，他們的研究克服了三氫化鋁傳統(tǒng)生產(chǎn)方法中的多個(gè)障礙，新方法能最少程度地使用溶液，并制出純凈、不含鹵化物的三氫化鋁。同時(shí)，研究小組還能借助另一過程，使從三氫化鋁中提取的氫翻一番。這些進(jìn)展也為開發(fā)成本低廉的新型三氫化鋁生產(chǎn)方式奠定了基礎(chǔ)。此次研究的另一重點(diǎn)就是評(píng)估三氫化鋁系統(tǒng)和小型燃料電池應(yīng)用的兼容性?；诩s含有22克三氫化鋁的測試容器的初步結(jié)果顯示，這一系統(tǒng)能夠很好地滿足100瓦燃料電池系統(tǒng)所需的氫釋放率。該系統(tǒng)能夠在燃料電池接近全功率的狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)3個(gè)多小時(shí)，并能在降低功率后再運(yùn)行若干小時(shí)。SRNL的專家表示，他們的目標(biāo)是為軍隊(duì)提供輕便且儲(chǔ)能能力出色的便攜系統(tǒng)，以及應(yīng)用于其他對(duì)質(zhì)量要求較高的領(lǐng)域。

美國凱斯-西里瑟夫大學(xué)的研究人員開發(fā)出了一種體積只有鉛筆上的橡皮大小的微型燃料電池。研究人員使用微組裝技術(shù)將多層燃料電池元件印刷到底版上，以類似于目前多種集成電路制造的方法生產(chǎn)燃料電池，該電池使用氫氣作為燃料，氫氣被安全地儲(chǔ)存在一種低壓氫化物中。這種新型燃料電池的研制成功使得將燃料電池與電子電路、微處理器、傳感器和發(fā)送器結(jié)合到一塊硅片上的微系統(tǒng)的研制條件開始成熟。

美國密蘇里大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種袖珍核燃料電池。該電池利用放射性同位元素的衰變產(chǎn)生能量。研究人員介紹，放射性物質(zhì)衰變時(shí)，會(huì)釋放帶電粒子，如果能將這些粒子收集起來，便能產(chǎn)生電流。該大學(xué)之所以開發(fā)微型核燃料電池是為了縮小電子設(shè)備內(nèi)電源的尺寸，讓它更適合小型設(shè)備（如微機(jī)電系統(tǒng)或納米機(jī)電系統(tǒng)），因?yàn)檫@些設(shè)備本身已經(jīng)足夠小，一定要有更小的電源與之相匹配。因此，開發(fā)微型電源與開發(fā)微電機(jī)本身一樣重要。密蘇里大學(xué)的研究小組在研究過程中使用了一種液態(tài)半導(dǎo)體來捕捉并利用衰變產(chǎn)生的帶電顆粒。他們之所以使用液態(tài)半導(dǎo)體，是因?yàn)楦吣茈姾赏ㄟ^液態(tài)半導(dǎo)體不會(huì)對(duì)它造成損害，因此能大大節(jié)省半導(dǎo)體所占空間。目前，研究人員正努力進(jìn)一步將電池“迷你化”。為了打消人們對(duì)于核燃料安全的顧慮，研究人員解釋道，盡管整個(gè)電池的成功與否取決于放射性物質(zhì)的使用，但在正常工作條件下使用是完全安全的。

美國斯坦福大學(xué)與本田公司合作，宣布已試制出了超小型燃料電池。此次試制的燃料電池是將電解質(zhì)膜/電極接合部以燃?xì)鈹U(kuò)散電極隔開，并夾在硅表面設(shè)計(jì)有細(xì)微的燃?xì)馔ǖ赖牡装彘g制成的。與通常的高分子固體電解質(zhì)燃料電池層疊多個(gè)電池單元而形成疊層電池不同，該燃料電池的最大特點(diǎn)就是多個(gè)電池單元以串聯(lián)的方式位于一枚硅底板上。在此次試驗(yàn)中，采用的是4個(gè)電池單元串聯(lián)的方式，輸出電壓為1.5V左右，每平方英寸的電流密度大約為10 0mA，發(fā)電效率約為40%。

在一項(xiàng)關(guān)于燃料電池的專利申請中，蘋果公司描述了一種在不增加太多質(zhì)量的情況下優(yōu)化燃料電池 (在電子設(shè)備如筆記本電腦中使用的)性能的方式。這項(xiàng)專利申請標(biāo)題為“為便攜式計(jì)算設(shè)備供電的燃料電池系統(tǒng)”。公司表示，消費(fèi)者開始越來越注重使用可再生能源。燃料電池在技術(shù)上具有競爭力，因?yàn)槠浔饶芰亢芨?，相?duì)于傳統(tǒng)電池可以在同樣的體積下提供更多能量。其專利申請顯示：“燃料電池以及附帶的燃料可以帶來極高的比能量，在不添加燃料的情況下能支持便攜式電子設(shè)備數(shù)天甚至數(shù)周時(shí)間?！碧O果同時(shí)表示，使用燃料電池面臨的挑戰(zhàn)在于便攜性和成本。通常情況下，針對(duì)電子設(shè)備的燃料電池支持便攜式充電，而用戶需要攜帶一個(gè)燃料棒。與此不同，蘋果設(shè)想了一種與電子設(shè)備緊密集成的燃料電池。而這一專利申請的大部分篇幅都在描述一種用于優(yōu)化燃料電池堆疊能量流的控制系統(tǒng)。蘋果的另一項(xiàng)專利申請描述了燃料電池如何與可充電電池協(xié)同工作，并使燃料電池和可充電電池相互充電。該專利申請稱：“這將使燃料電池系統(tǒng)沒有必要集成龐大而很重的電池，從而明顯減小燃料電池系統(tǒng)的尺寸、質(zhì)量和成本?！边@并不是蘋果申請的第一項(xiàng)有關(guān)燃料電池的專利。Patently Apple網(wǎng)站指出，蘋果還在設(shè)計(jì)一種燃料電池板，可從便攜設(shè)備中產(chǎn)生更多的能量。關(guān)于燃料本身，蘋果的一項(xiàng)專利申請顯示，有多種燃料可以為電子設(shè)備供電，其中一種是硼氫化鈉與水的混合物。不過這些仍處于試驗(yàn)階段，目前尚未商用。便攜式燃料電池充電器面臨的一個(gè)主要障礙在于，廠商需要建立相應(yīng)渠道進(jìn)行銷售并回收燃料棒。蘋果可能會(huì)利用蘋果零售店來完成這樣的工作。

POWERTREKK便攜式燃料電池充電器在經(jīng)歷了漫長的制造過程之后，將于2012年在歐洲和美國市場上面世。為該產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造氫盒的美國SiGNa Chemistry公司的專家說，燃料電池的成本比4節(jié)A A電池還要少(POWERTREKK的制造商和分銷商是一家叫做my FC的瑞典公司)。POWERTREKK是一個(gè)混合型的燃料電池系統(tǒng)，這意味著它能給科技產(chǎn)品的內(nèi)置電池充電。它由5W的電池盒和可更換的3～5W的燃料包構(gòu)成，每一個(gè)組件都應(yīng)能產(chǎn)生足夠的能量，至少可以給iPhone充滿一次電。POWERTREKK還可以給其他手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、GPS設(shè)備和一些平板電腦充電。它通過USB或mini-USB連接器等與科技產(chǎn)品連接。POWERTREK本身的研發(fā)花了差不多兩年時(shí)間：自2010年初以來，SiGNa就一直與my FC合作開發(fā)這個(gè)產(chǎn)品。SiGNa的解決方案是使用鈉硅化物，它不儲(chǔ)存氫氣，但可以與任何一種水(鹽水、海水，甚至是廢水)進(jìn)行反應(yīng)生成氫氣。氫被注入一塊燃料電池，從而產(chǎn)生電力，可以通過電線傳輸給科技產(chǎn)品。SiGNa也克服了另一個(gè)燃料電池技術(shù)長期存在的障礙，其設(shè)置獲得了國際電工委員會(huì)(IEC)的認(rèn)證，這將讓用戶能把POWE RTREKK帶上飛機(jī)。

日本

微型燃料電池的主要市場為移動(dòng)通訊領(lǐng)域，目前，NEC、卡西歐計(jì)算器、三洋電機(jī)、索尼、東芝、日立制作所以及本田技術(shù)研究所都參加了該項(xiàng)工作。

東芝公司也開發(fā)成功了一種小型燃料電池，體積只有14 0cm3，質(zhì)量為發(fā)成了g，平均功率為1W。該小型化燃料電池的設(shè)計(jì)成功得益于兩項(xiàng)技術(shù)：一是使用氫氣和氧氣反應(yīng)發(fā)電時(shí)生成的水將甲醇稀釋到適當(dāng)濃度的技術(shù)，可利用該技術(shù)在燃料盒中貯存高濃度甲醇，從而進(jìn)一步減小燃料盒的體積；另一項(xiàng)技術(shù)是縮小了用泵向燃料電池單元提供燃料和空氣的結(jié)構(gòu)，而且還對(duì)輸送燃料和空氣的路徑進(jìn)行了改進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)供料系統(tǒng)的小型化設(shè)計(jì)。

日本國立高等工業(yè)科技研究院(AIST)的一個(gè)科研小組在一個(gè)1cm3的裝置內(nèi)，利用氫和空氣混合產(chǎn)生電能，產(chǎn)生的電能功率可以達(dá)到2W?？茖W(xué)家稱，將這些單個(gè)的微型燃料電池裝置連接起來，其產(chǎn)生的電能將可以為不同的應(yīng)用方案提供能源。

日本科學(xué)家開發(fā)出與打火機(jī)一般大小的燃料電池，它制作簡單，可應(yīng)用在移動(dòng)電話、筆記本電腦等許多領(lǐng)域。其原理是將硼化氫溶解于堿性溶液中，將溶解物與雙氧水同時(shí)提供給電池，讓氫和氧在液體中直接進(jìn)行反應(yīng)，從而產(chǎn)生電能。日本工學(xué)院大學(xué)工程部研究人員竟然提出以B H4為燃料，以吸附氫的合金作為電極，同時(shí)也作為氫的還原劑和催化劑。盡管以B H4作燃料價(jià)格昂貴，但是可循環(huán)再利用。

其他國家

著名的芯片制造商意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)也成功開發(fā)出了面向手機(jī)等便攜終端的燃料電池小型化技術(shù)。該技術(shù)在燃料電池的硅電極上形成數(shù)千個(gè)軸長約10μm的橢圓狀微孔。這些微孔是燃料的甲醇通道。這樣就可以進(jìn)一步提高燃料、觸媒和電極的接觸面積，并且能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)燃料電池的小型化設(shè)計(jì)。此外，研究團(tuán)隊(duì)正在與那不勒斯大學(xué)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，先用粒子轟擊厚度僅2 5mm的塑料薄膜，并進(jìn)行化學(xué)腐蝕以在薄膜上形成許多細(xì)孔，電解液流經(jīng)這些細(xì)孔后被灌入，然后再利用成熟的芯片制造技術(shù)(如真空淀積)在塑料結(jié)構(gòu)上淀積或刻蝕金屬電極、催化劑材料和連接各分離電池的導(dǎo)電柵網(wǎng)等。

西班牙和德國的研究人員設(shè)計(jì)了世界首部裝備集成微型燃料電池的微流體裝置，燃料電池一方面為裝置供電，另一方面將裝置周圍的待分析樣品泵入。微流體裝置被譽(yù)為將徹底改變醫(yī)學(xué)診斷、食品安全、藥物開發(fā)和基因排序等領(lǐng)域的技術(shù)。然而設(shè)備中所有必要部件的集成始終是一個(gè)限制因素，阻礙了微流體概念的實(shí)用化。微流體芯片體積小且易于加工，但是樣品分析所需的電源、泵和控制電路通常為外置的體積較大的部件，并不是微型結(jié)構(gòu)。如今，巴塞羅那微電子研究所的研究團(tuán)隊(duì)將微型直接甲醇燃料電池集成在微流體平臺(tái)中，該燃料電池可提供4mW的電力，足夠驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)行。燃料電池反應(yīng)的副產(chǎn)物二氧化碳被用來推動(dòng)液體流過微流道，從而不需要外部的泵驅(qū)動(dòng)。該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證實(shí)，液體的流量可以通過燃料電池的工作條件控制，流量與裝置中產(chǎn)生的電流呈近似的線性關(guān)系。研究人員的下一步工作是展示該裝置確實(shí)可以獨(dú)立工作，證明可以通過小功率電子芯片模塊和電流傳感器的集成進(jìn)行樣本的測量分析。此外，該研究團(tuán)隊(duì)還在致力于研究更高程度的裝置集成，采取的方法是使用同一種聚合物制備組件而采用不同的燃料（如葡萄糖）進(jìn)行試驗(yàn)。

展望

隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)、公眾認(rèn)知度的深入以及來自政府的支持加大，都會(huì)加速推進(jìn)微型燃料電池的商業(yè)化進(jìn)程。讓我們期待微型燃料電池早日實(shí)現(xiàn)破繭成蝶的夢想。