移动终端燃料电池技术解析

去年8月，使用核电池的美国“好奇号”火星探测器在火星登陆。好奇号火星车的动力是由一台多任务放射性同位素热电发生器(MMRTG)提供的，至少能够保证14年的供给。我和所有的技术宅一样，希望自己的手机、平板也能拥有长时间供电的核电池。事实上，由于安全方面的考虑，这个点子可能永远也无法实现。然而，我们将电源方面的突破寄希望于已经很久没有重大技术更新的锂电池似乎也是幻想。不过，天无绝人之路，燃料电池技术正在逐渐成熟起来。也许就在近两年，我们就可以像为汽车加油一样，为你的手机加几毫升水或者“油”，就能数周或者1个月不用担心电量，而且还安全、清洁，完全无污染。

燃料电池接近实用化

尽管燃料电池对大多数DIYer和移动终端玩家还比较生疏，但事实上在10多年前，该技术就已经出现。但是初期的燃料电池体积庞大，一般是用于应急供电、汽车等大型设备，想整合到笔记本电脑、手机这种移动终端里似乎是天方夜谭。早面向移动终端的燃料电池是2002年以色列特拉维夫大学开发的甲醇燃料电池，只要向这个电池加入10mL甲醇可以实现13.5小时的通话和642小时的待机——这已经差不多是智能手机待机王摩托罗拉RAZR MAXX的水平。当然，之所以该技术没有实现商业化生产，是因为电池体积和一些技术上的东西还没有很好地解决。不过，从刚刚结束不久的CES 2013上获得的消息是，类似的针对移动终端设备的燃料电池已经预计在今年上市了。

Lilliputian在CES上展示的Nectar移动电源就是这样一款产品。据介绍，这款产品重量只有200g，外形有点像打火机，使用丁烷作为燃料，可以为智能手机提供数周的电力。一次灌满燃料后（约150mL），可以为iPhone充电10次，峰值输出功率2.5W。它的售价约为300美元，但每次加注燃料需要10美元，作为应急电源相当不错。适应温度范围宽，可以长久存储，不像锂电池或蓄电池一样对温度敏感，且存在自放电现象。

另一代表产品则是日本知名半导体制造商罗姆展示的一系列基于固态氢燃料的燃料电池产品。该产品含外壳只有86mm×52mm×19mm大小，使用氢化钙固化片材燃料。燃料体积仅为38mm×38mm×2mm，与水可生成约4.5L氢气，能在2小时内充满一部配备5W h电池（约合1350mAh）的智能手机。罗姆官方称该产品今年4月份就将正式上市，但具体售价和燃料加注费用不详。Lilliputian与罗姆的产品其实代表了移动终端用燃料电池的两种主要技术发展方向：加“油”发电与加水发电。围绕这两项技术，电池行业的许多大佬都进行过积极的尝试和改进。

Lilliputian Nectar燃料电池，左上角圆形部分是燃料加注筒

示的固态氢燃料的燃料电池，体积非常小了。

燃料电池是什么？

我们先弄清楚什么是燃料电池。在说明其技术细节之前，先来回忆一下中学学过的电解水试验：在食盐水中插入两根电极，通入12V直流电。这时在连接电源正极的阳极位置会收集到氧气，在连接电源负极的阴极位置则可收集到氢气，食盐水是促成反应发生的电解质——人人都能重复这个实验。如果将这个试验反过来，即在食盐水环境中，阴极通入氧气、阳极通入氢气，在阴阳两极接入负载和电流表会出现什么情况呢？电路中真的会有电流产生！这就是燃料电池的原理，没有火焰的燃烧，但执行的是“燃烧”过程，化学能转化为了电能。

实际上，燃料电池相比刚刚所说的理论要复杂得多，而学科上对燃料电池的分类也更为复杂，有碱性燃料电池(AFC)、磷酸盐燃料电池(PAFC)、熔融磷酸盐燃料电(SOFC) 和聚合物电解质燃料电池(PEMFC)。由于前四类燃料电池工作温度相对较高，移动终端燃料电池大多属于PEMFC类别，但Lilliputian推出的Nectar则属于SOFC。

在电池内部，无论加注什么“ 燃料”，都要转化为氢气与氧气参与反应（甲醇燃料可直接与氧气反应），如果用化学反应来表示，可以写成：

2H2-4e→4H+

O2+4e→2O2-

4H++2O2-=2H2O

燃料电池的核心技术为电极与电解质，对电极的要求是表面积尽量大，更有利于将氢气（甲醇）与氧气催化为离子态的催化剂；而电解质则要求拥有更好的导电性，以促成反应不断进行，同时还能对生成的离子具备隔离能力，让离子在电极处捕获需要的电子，而不是电解质内部捕获，提升发电效率。

燃料电池原理示意图

“烧水”还是“烧油"？

从用户燃料加注层面来看，燃料电池还分为“加水（H2O）”与“加油（其它化学燃料）”两种。“烧水”还是“烧油”虽然在内部机理上并没有显著差别，但在实现难度和电池性能上却有明显差别。这也是长久以来，加油的燃料电池比加氢的燃料电池研究更多、报道更广的原因。

东芝在2009年推出的Dynario甲醇燃料电池。