直接甲醇燃料電池

技術(shù)原理

DMFC以碳作為電池的陰極和陽極，而兩個電極間則為具有滲透性的薄膜所構(gòu)成。其電解質(zhì)為離子交換膜，薄膜的表面則塗有可以加速反應(yīng)之觸媒。甲醇溶液透過陽極進(jìn)入燃料電池，氧氣則由陰極進(jìn)入燃料電池。經(jīng)由觸媒的作用使得甲醇所含的氫原子裂解成質(zhì)子與電子，其中質(zhì)子被氧吸引到薄膜的另一邊，電子則經(jīng)由外電路形成電流後到達(dá)陰極，跟氧形成水。DMFC的化學(xué)反應(yīng)如下：

陽極反應(yīng)：CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e
陰極反應(yīng)：3/2O2 + 6H+ + 6e → 3H2O
全反應(yīng)：CH3OH + 3/2O2 → CO2 + 2H2O

一個DMFC目前可以產(chǎn)生300-500毫瓦特每平方釐米。增加電池的面積以及電池數(shù)量可以提供足夠的車輛以及固定應(yīng)用所需要的任何瓦特以至千瓦。DMFC的操作溫度範(fàn)圍則在合適的室溫到80℃左右。其效率大約是40%左右。DMFC儲運方便且成本低，啟動速度亦很快。DMFC缺點是當(dāng)甲醇低溫轉(zhuǎn)換為氫和二氧化碳時要比常規(guī)的質(zhì)子交換膜燃料電池需要更多的白金催化劑。

優(yōu)點

DMFC直接使用甲醇為燃料，不需燃料的前期處理程序，這使得DMFC很容易微小化。更重要的是DMFC通過特定的方法使甲醇和空氣化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱力學(xué)電勢。不用借助運動機(jī)件，DMFC通過點化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流，不用燃燒，無需將燃料儲存重新變?yōu)闅錃?或?qū)錃獗┞鹅顿|(zhì)子交換膜（PEM），除去了內(nèi)部加熱冷卻金屬板、水和熱力處理系統(tǒng)、壓強(qiáng)平衡、轉(zhuǎn)化器等設(shè)備。而且DMFC是用雙槽結(jié)構(gòu)，可以用非金屬、輕而易曲的材料製成，和金屬材料相比大大降低了成本。再加上DMFC的能量密度是鋰離子電池的10倍，能設(shè)計出更輕薄化的產(chǎn)品。各界均預(yù)期DMFC有望在不久將來成為電子產(chǎn)品的主要電源。

Hitachi開發(fā)使用燃料電池的流動電話

應(yīng)用

基於上述優(yōu)點，現(xiàn)時DMFC技術(shù)研究集中在流動電話、筆記簿電腦和其他便攜式產(chǎn)品的應(yīng)用，令這些裝置擁有更長壽的電池，令流動電話可以有連續(xù)一個月通話時間。其他DMFC的應(yīng)用焦點包括手提電力工具、低電能遠(yuǎn)程設(shè)備如助聽器、煙霧探測器、竊聽器警報、酒店鎖和儀表讀數(shù)器等。

目前不少人的眼光都集中在DMFC在便攜式產(chǎn)品的應(yīng)用情況，但事實上DMFC還可以應(yīng)用於不同的層面。在發(fā)展中國家，DMFC是理想的能源裝備，不但可以連接到高壓輸電網(wǎng)提供補(bǔ)充電力，也可作為高效率的後備電源。汽車製造商推測2010年DMFC推動車輛將被廣泛地商業(yè)化。廢水處理設(shè)備和垃圾掩埋使用DMFC將它們產(chǎn)生的甲醇?xì)怏w轉(zhuǎn)換為電能。

DMFC的普及情況

直接甲醇燃料電池運作概念

在近年在全球國際大廠積極投入研發(fā)推波助瀾下，DMFC的技術(shù)進(jìn)展迅速。ABI的分析師預(yù)計，全球小型燃料電池出貨量將會從2004年的5000單位增長到2011年的2億單位，銷售額也會由100萬美元上升至20億美元。最近不少研發(fā)成果顯示，DMFC開始接近商品化的需求。業(yè)界一般預(yù)測，由於流動電話漸漸往數(shù)據(jù)與影像服務(wù)邁進(jìn)所帶來可能對電力需求的渴望，小型燃料電池或於2007年在流動電話出現(xiàn)。

日本

在眾多國家之中，日本稱得上是最積極經(jīng)營小型燃料電池的國家。Toshiba、NEC、Casio、Panasonic、NTT DoCoMo等多間大型電子企業(yè)都使用DMFC，而且在多次展覽會展示成果。從2001年8月開始，Sony、NEC、Toshiba與Casio相繼宣稱未來積極往手提電話用小型燃料電池著手。因此小型燃料電池將被首先被應(yīng)用在手提電話上，接下來才會往筆記型電腦、筆記簿電腦、PDA等產(chǎn)品發(fā)展。

Toshiba使用燃料電池的流動電話

Toshiba使用燃料電池的音樂播放器

Toshiba去年接二連三在DMFC的應(yīng)用上有不少成績。其中有一種使用DMFC的手機(jī)，這款手機(jī)的尺寸是50 x 98 x 40毫米，而內(nèi)裡的DMFC只有姆指般大小而已（2.2 x 5.6 x 0.9毫米）。當(dāng)電池注滿甲醇時重量有8.5g，可提供20小時的100mW電力。另外還有一款可用於流動音樂播放器的DMFC，體積為22 × 56 × 4.5毫米，甲醇容量2毫升，溶液比例99.5%甲醇，可提供20小時的100mW電力。此外，今年三月Toshiba製造出燃料電池小型改質(zhì)器，可從二甲醚（DMA）及甲醇等碳素燃料中提取氫氣，有望實現(xiàn)小型高功率燃料電池。

NEC裝有燃料電池的筆記簿電腦

NEC已研製出一款裝有燃料電池的筆記簿電腦，該電池內(nèi)裝有300cm3甲醇，可供電腦連續(xù)運行5小時，NEC希望用2年左右的時間改善使該電池的壽命延長至40小時。

由於日本廠商在小型二次電池是龍頭廠商，為了保持其地位，開發(fā)腳步也最快?，F(xiàn)時日本業(yè)界打算制定共通規(guī)格，以統(tǒng)一DMFC為主的小型燃料電池市場，並逐步取代目前使用於3C電子產(chǎn)品的小型二次電池市場。

韓國

三星尖端技術(shù)研究所（SAIT）於2004年小型燃料電池研討會（SFC 2004）上宣佈成功研製了可支援筆記本電腦正常工作10小時的DMFC系統(tǒng)。其最大輸出功率20W。為了提高輸出密度，三星改進(jìn)了電極上催化劑的塗布方式。

去年七月，三星公佈了針對攜帶型終端的其他燃料電池開發(fā)計劃，包括在2006年左右開發(fā)針對第4代移動通信系統(tǒng)、功率2W至5W的小型燃料電池、在2006年前後將燃料電池的單位體積能量密度由目前的200Wh/l提高至500Wh/l，以追趕與現(xiàn)有鋰離子充電池相同的電量。

美國

Motorola於去年夏天宣佈，其針對便攜式產(chǎn)品的燃料電池暫停採用甲醇直接作為燃料，轉(zhuǎn)而致力開發(fā)從甲醇提取氫氣並供應(yīng)給燃料電池的「甲醇改質(zhì)型」產(chǎn)品，即普遍被稱為燃料電池處理器的裝置。Motorola在SFC 2004公佈其第3代燃料電池處理器的技術(shù)內(nèi)容，據(jù)稱當(dāng)中經(jīng)過結(jié)構(gòu)改進(jìn)，利用燃料電池反應(yīng)產(chǎn)生的溫度上升現(xiàn)象，加快甲醇的汽化反應(yīng)，提高了效率，使功率密度最高可達(dá)250mW/cm2，是DMFC的4至5倍。

美國UltraCell公司使用甲醇作燃料的電池

美國UltraCell公司在「2005年英特爾秋季開發(fā)商論壇」（IDF 2005）上展示了一款使用甲醇作燃料的電池，在內(nèi)部進(jìn)行改質(zhì)後再使用。在IDF會場上分別展出了25W和45W兩種型號。25W型號使用200ml甲醇溶液，可連續(xù)供電8至10小時。重量約為1.6kg，單位重量的能量密度約為340Wh/kg。至於45W型號是由美國軍部開發(fā)，據(jù)稱使用500ml甲醇溶液，可供電24小時。輸出電壓為12V，先使用升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器，升壓到19V，可用來驅(qū)動筆記簿電腦。

SFC A25燃料電池

德國

德國是歐洲多國之中最積極發(fā)展燃料電池的國家。德國企業(yè)SFC（Smart Fuel Cell）已向數(shù)百家客戶出售燃料電池產(chǎn)品，其便攜式燃料電池“SFC A25”平均輸出功率為25W，採用100%甲醇作燃料，直接以甲醇作燃料供應(yīng)方式。此外，SFC在2005年初推出可放入手提箱的小型燃料電池“SFC C25”，平均輸入功率亦為25W，不過採用125ml甲醇儲存盒。

另一家德國企業(yè)Institut Solare Energiesysteme公佈了使用印刷電路板的燃料電池技術(shù)。採用這種技術(shù)，燃料極和空氣極分別由印刷在電路板上的金屬線構(gòu)成，電解質(zhì)膜則採用薄膜，而甲醇溶液的供應(yīng)線路和空氣的供氣線路是由印刷電路板上設(shè)計的線路構(gòu)成。這使到燃料電池系統(tǒng)的厚度縮小到只有3.5mm。據(jù)悉只要在一塊印刷電路板上設(shè)計多個這樣的燃料電池單元，並將它們相互串聯(lián)在一起，就能以平面型的結(jié)構(gòu)提高輸出電壓?，F(xiàn)階段其最大輸出功率約為8W。

技術(shù)困難

首先在製作材料方面，現(xiàn)時的甲醇氧化劑反應(yīng)太慢，造成DMFC的發(fā)電功率過小，必須整合大量的燃料電池才能達(dá)到額定的功率需求。而且使用大量的貴重金屬催化劑，除了燃料電池的建構(gòu)成本無法有效降低外，相對會使得系統(tǒng)體積過大，降低實用化的可能性?，F(xiàn)時目標(biāo)以增加催化劑使用量，以及開發(fā)非貴重金屬催化劑兩方面著手。

在電池系統(tǒng)設(shè)計方面，目前各家以開發(fā)平面式燃料電池堆為重點。如何建構(gòu)一個可以量產(chǎn)的平面式燃料電池組，將會是小型燃料電池能否應(yīng)用的一個重要課題。此外甲醇濃度控制循環(huán)裝置，在陽極產(chǎn)生的二氧化碳如何排除、陰極端產(chǎn)生的水如何控制以免造成使用者的困擾，這些相關(guān)議題必須在系統(tǒng)設(shè)計或是與應(yīng)用端整合時一併考慮，且不可造成大量的電能損耗以及增加過多的系統(tǒng)體積。

在市場的競爭方面，面對鋰離子電池成本下降，以及納米材料有助提升鋰離子電池電容量，加上目前鋰離子電池能量管理系統(tǒng)進(jìn)一步改善，能有效提升鋰離子電池的使用時間，都會冷卻電子產(chǎn)品企業(yè)對燃料電池的期待，較為明顯的例子就是Intel對Centrino筆記簿電腦作出效能提升。

在安全問題上，甲醇作為易燃品，一直被禁止帶上飛機(jī)。Toshiba表示目前正在與聯(lián)合國、國際民航組織（ICAO）及國際航空運輸協(xié)會（IATA）等組織進(jìn)行協(xié)商，希望對現(xiàn)行規(guī)定作出少許讓步，在確保不會泄漏的前提下，允許使用某種容器攜帶少量的甲醇液體乘搭飛機(jī)。不少燃料電池企業(yè)都期望2007年可以放寬有關(guān)限制。

在專利權(quán)問題方面，因為DMFC的開發(fā)只是十多年的事，因此在原創(chuàng)相關(guān)專利均未過期的情況下，DMFC的應(yīng)用必須面對專利權(quán)的限制。最近美國的DMFCC聲稱擁有南加州大學(xué)DMFC的原始專利，已經(jīng)開始向全球開發(fā)小型燃料電池的公司發(fā)出警告訊息，這或多或少會對小型燃料電池的應(yīng)用造成一定打擊。

超級電容器

超級電容器（圖片來源：Maxwell Technologies）

超級電容器（Supercapacitor），又稱為電化學(xué)電容器（Electrochemical capacitor）或雙層電容器（Double Layer Capacitor）。此概念最早由日本學(xué)界在1980年代提出。基本上它只是一個電力儲存設(shè)備。筆者之所以在此作介紹，是因為超級電容器或能成為傳統(tǒng)電池的另一替代品。

技術(shù)原理

超級電容器是介乎於普通電容器和電池之間的電能儲存器件。其結(jié)構(gòu)如圖 所示，最外圍由兩塊電流收集器（Current collector）組成，中間以一塊很薄的介質(zhì)層隔開。在介質(zhì)層與電流收集器之間加插電解質(zhì)和電極。當(dāng)分別在兩塊電流收集器加上正負(fù)電壓以進(jìn)行充電時，正極會釋放出電子。失去電子的部分成為帶正電荷的「空穴」，因此可以吸引電解液中的陰離子。

電子通過外圍線路流向負(fù)極，與電解液中的陽離子互相吸引在一起。由於介質(zhì)層的存在，空穴與陰離子、電子與陽離子都持續(xù)保持著一非常狹窄的距離，形成雙電層，這樣電力便貯存起來。充電完成後電力仍儲存在電容器內(nèi)，不會發(fā)生變化。

當(dāng)電容器連接到電子設(shè)備上供電時，電子從負(fù)極返回正極，離子也離開電極，電子朝著與充電時完全相反的方向移動，形成電流，因此電力便釋放出來。

超級電容器的電極可以活性碳、導(dǎo)電高分子材料或金屬氧化物為材料。其中活性碳是利用電極表面電雙層物理吸附來儲存電能；金屬氧化物和導(dǎo)電高分子材料的儲存能量除了利用電極表面電雙層物理方式吸附儲存電荷外，也利用電極表面的電荷轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)來儲存電能，因此其電容量較單純利用電雙層儲電之電容器為高。超級電容器儲存能量大小主要關(guān)鍵為電極表面積與電極材料的化學(xué)活性。

優(yōu)點

超級電容器的電容值是普通電容器的1000倍，電容值往往可達(dá)數(shù)萬法拉（F），而且正負(fù)電極的位置更接近，尺寸更細(xì)小。作為一個快速的能量儲存器，由於沒有涉及任何化學(xué)反應(yīng)，所以超級電容器的充電及放電過程能在幾微秒至數(shù)秒內(nèi)完成。比蓄電池具有更高的功率密度（可達(dá)1,000W/kg數(shù)量級）、和更長的循環(huán)使用壽命（充放電次數(shù)可達(dá)10萬次）?？稍跇O低溫等極端惡劣的環(huán)境中使用，並無環(huán)境污染。（下期待續(xù)）