燃料电池的根本作业原理
咱们在预备长途旅行之前，总是不会忘掉查看是否随身带着了信用卡或许钱包，当然还有手机或许笔记本电脑的备用电池和充电器，它们的重要性伴跟着人们对手机和笔记本电脑的依托日益显示。其症结所在便是电池的有限的作业时刻，现在便携式电子产品运用的锂离子电池现已无法敷衍长期操作的需求。一块手机一般的锂电池只能保持几天时刻，笔记本电脑的电池也就几个小时。而跟着无线技能和音视频功用越来越受欢迎，对电池的作业时刻的要求日积月累，传统二次电池(包含锂电池和镍电池)现已成为瓶颈，枷锁了便携式产品向更丰厚功用的方向开展。
与传统二次电池比较，燃料电池的能量至少要高10倍。一个锂离子电池能供给300 Whr/L的电量密度，而甲醇燃料电池的电量密度却高达4800 Whr/L，10ml的甲醇能够确保13.5小时的通话时刻或许642小时的待机时刻。因而，东芝、IBM、NEC等许多世界闻名的电子公司都倾泻精力和财力研讨燃料电池，现在世界前十大营收企业，除Walmart外，均有出资氢能或燃料电池工业。
专攻便携式运用的DMFC
理论上，燃料电池(Fuel Cell)并不是电池，仅仅把燃料(例如氢气)和氧化剂经过电极反响直接生成电流的设备，由于它的生成物是水，因而具有适当的环保优势。燃料电池的典型结构便是层迭电池单元的仓库(Stack)，一个仓库能够包含多个独自的燃料单元(图1)。而每个单元的根本结构与电解水设备相类似，包含2个正负电极(阳极和阴极)，电解质以及催化剂。阳极为氢电极，阴极为氧电极，阳极和阴极上都含有必定量的催化剂，意图是用来加快电极上发作的电化学反响。以氢氧反响为例，在阴极催化剂的效果下，一个氢分子分解成2个氢离子，一起释放出2个电子，由于阻隔阂对电子的过滤效果，电子无法经过电解质只能绕行，然后构成电流。而氢离子能够顺畅经过电解质到达阴极和空气中的氧原子反响生成水(图2)。
图1 燃料电池的根本结构
图2 燃料电池的根本作业原理
从作业原理不难看出，催化剂、电极、隔阂和电解质是燃料电池的首要资料。各种燃料电池作业原理根本类似，其分类是由电解质的资料决议的。现在广泛研制的燃料电池有质子交流膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸盐型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)等。别的，由于作业温度和发电功率的不同(表1)，燃料电池的运用范畴也能够分为四种：便携式电子产品，包含笔记型计算机、数字相机、手机、PDA等；住所发电，既是住所或备用电源；运送交通工具，轿车、巴士等；大型发电大楼发电、小型及大型发电厂。
其间，PEMFC因其不经过焚烧直接以电化学反响接连地把燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能，具有能量转化功率高(一般都在40%~60%，而内燃机仅为18%~24%)的长处，成为运用十分广泛的技能，尤其是在轿车用燃料方面，PEMFC的运用挨近该商场的100%。
别的颇受注重的是DMFC，它同归于PEMFC，都是选用聚合物阻隔阂，可是DMFC以液态甲醇为燃料，与氢燃料电池比较，DMFC在电池体系结构、燃料来历等诸多方面均有必定的优势。其阳极催化剂能够直接从液态甲醇中提取氢分子无需燃料重组器(Reformer)，所以高纯度甲醇能够直接用作电池的燃料。一起还能有用削减电池的尺度，简化体系结构，因而更适协作为便携式电源用于民用工业和军事工业中，如可用于电动轿车、电动自行车、移动电话、笔记本电脑中。
和现在的二次电池比较，DMFC具有燃料电池的一向优势。DMFC的理论功率密度是4780 Whr/L，远高于镍氢的200 Whr/L、锂离子的310 Whr/L ，因而能够支撑更长的作业时刻。别的有别于二次电池蓄电/放电的作业机制，燃料电池能够说是动力转化器，只要将燃料继续供给即可源源不绝的继续发作电力，不会有电力中止或替换电池的考虑。而且DMFC公司也在考虑经过混合电源的方法逐渐让人们承受燃料电池，这种方法混合动力轿车中现已得到活跃的验证。混合电源是将燃料电池和储能设备(如超级电容或电池)组合，燃料电池将供给稳定的功率，而靠电容或电池来满意峰值功率方面的要求。
燃料电池的工业链包含资料、组件、子体系和体系四部分，大都闻名的电子消费品公司都在从事DMFC燃料电池体系的研讨，以便确保自己的电子产品在未来的竞争力，例如日本的三洋、索尼、东芝和富士通韩国的三星和LG，我国的比亚迪。也有一些专门从事体系开发的公司，包含美国的MTI Micro Fuel Cells、Angstrom Power、我国台湾的AnTIg公司、摩托罗拉出资的加拿大Tekion Inc公司等等。这类公司大都经过和大型电子公司协作的方法共同开发，像MTI Micro就和韩国三星结成独家联盟，MTI Micro将运用名为“Mobion”的DMFC技能为三星的手机事务开发下一代燃料电池原型。
表1 各种燃料电池的功能比较
资料来历：Fuelcelltoday.com
在工业链的上流是专门从事电解质膜这类资料开发的公司，像闻名的杜邦公司和英特尔出资的PolyFuel公司等等。在整个工业链的尽力下，燃料电池正在从军用和航空等专业范畴箭步进入商业化规划运用的阶段。北美、日本、欧洲和我国台湾地区现已走在前列，我国在燃料电池范畴研讨和开发尽管取得了必定开展，可是与上述国家和地区比较，在研制投入力度、技能研讨深度等方面都存在着距离。这一问题现已引起了我国的注重，现在它已是动力、电力行业最为注重课题之一，一起也是国家方针扶持的新式动力行业。
DMFC亟需打破的妨碍
DMFC 的核心部件是由阴、阳电极和高分子电解质膜热压而成的层叠电池单元(Stack),其厚度不过1mm 。这样能够使电极中的催化剂尽可能跟质子交流膜有用地触摸，以进步转化功率和并减小电池的体积。质子交流膜在其间起着阻隔甲醇与氧气，避免它们直接发作反响以及交流质子和绝缘电子的效果，是一种挑选透过性的聚合物膜,于电池中强酸强氧化性等严苛环境下作业，所以需求极高的耐腐蚀性，别的，还要求具有电动性和热传导性等，资料特性要求很严厉。
高分子电解质膜多年来一直是困扰DMFC开展的一大难题。氢离子需求由水的带着穿过分隔阴阳极的高分子膜，可是进程中甲醇简单随同，由于甲醇和水有类似的特性。现在，研讨人员正在从2种不同的视点测验处理这一难题。一是操控甲醇浓度，或添加阻隔甲醇与高分子膜之触媒阻隔层。另一种方法，是依托能削减甲醇和水互混的电解质膜，有几家公司都已开宣布这类产品。没有人以为会存在一种能彻底阻隔甲醇的薄膜。而且在一些规划里，细微的甲醇混溶是有利的，甲醇在阴极发作氧化，并宣布少数的热，能够进步整个燃料电池的反响速率。2002年，以色列特拉维夫大学首要开发成功了甲醇直接方法的手机燃料电池。选用的电解质膜不同于的美国杜邦公司出产的“Nafion”，后者由碳氟化合物构成，前者首要是由聚偏二氟乙 (PVDF)和二氧化硅构成，把甲醇的穿透率降低到一位数。而美国的PolyFuel公司运用碳氢化合物制造的新一代的电解质膜，把甲醇穿透率操控在具有代表性的氟类电解质膜—杜邦公司 “Nafion 117”的1/2。而且PolyFuel最新推出的PolyFuel 20mm 把最大功率密度提升到190 Ma/cm2。PolyFuel的CEO Jim Balcom表明电解质膜功率密度的进步能够减小电池单元的体积。此外PolyFuel 20mm还经过进步空气极发作的水向燃料极的逆分散(Water Back Diffusion)减小体系的尺度和复杂度。
富士通选用DFMC作燃料电池的笔记本电脑
图片来历：Fuelcelltoday.com
别的从表1的比照能够看出，DMFC的功率密度是几中技能中最低的一种。这是由于内部甲醇重组产氢无可避免地使原有燃料电池电力因内部耗费(Over Potential)而衰减其输出功率，例如PEMFC的功率密度可达250~1000mW/cm2(因燃料成分与操作条件而异)，DMFC的功率密度却只有25~100mW/cm2左右，两者相差近达10倍，因而功耗越大的移动运用(例如：笔记本电脑)对DMFC越晦气。
日立的PDA和运用的燃料电池
图片来历：Fuelcelltoday.com
甲醇的运用面对另一个妨碍是安全方面的法规。现在，甲醇依然被制止带上商业航班，由于没有任何安排或许规范对对旅客带着甲醇进行办理。可是2005年世界民航安排现已提出撤销制止旅客带着甲醇登机的规则。最近，MTI Micro的CEO Peng Lim向记者泄漏世界民航安排现已赞同撤销这一规则，而且美国交通部计划在下一年1月开端履行。Peng Lim表明一旦解禁，燃料电池的优势将在长途旅行中得到彻底表现。一起，顾客也无需忧虑燃料盒(Cartridge)的安全，由于燃料盒的规划和制造需求经过世界安排的认证。
结语
和CDMA,GPS这些遭到欢迎的技能相同，燃料电池相同阅历了由军用或许航空转向民用的进程，而且燃料电池的开展进程现已超越100年，在技能和安全方面现已得到验证。现在研讨人员需求考虑的是，怎么让它顺畅地走进人们的日常日子中。大大都从事燃料电池研制的公司都以为便携式消费电子是一个绝佳的打破口。
参考文献：
1. http://www.fuelcelltoday.com/FuelCellToday/EducationCentre/EducationCentreExternal/EduCentreDisplay/0,3995,PressKitHome,00.html
2. 颜贻乙，微型燃料电池新挑选RMFC，台湾省“工研院”能环所 2006.8
3. http://www.antig.com/english/tech.html
