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。

加油燃料电池

加油的燃料电池主要“油料”为甲醇，甲醇可如同氢气一样直接在电解质中与氧气反应，东芝、三星、索尼等都有开发类似的产品。东芝曾在2009年推出了一款名为Dynario的直接甲醇燃料电池，限量3000个。使用甲醇瓶往Dynario注入甲醇后，Dynario即刻开始生成电能并可通过USB线传入手机或数码播放器等移动终端。整个产品体积为150mm×74.5mm×21mm，重280g，燃料舱容量14mL，注满可在20秒内生成足够2部手机的电量。为便于向其他终端提供持续电力，Dynario还内置有可充电锂电池，可存储燃料电池产生的电量。不过售价也不菲，当初约合人民币2225元，补给甲醇瓶一组5个，售价也达到235元。索尼在2008年小型燃料电池展上也展示过类似的系统，且体积更小，长宽仅约为50mm×30mm，大功率可达3W，不过这之后并没有看到产品。基于甲醇的燃料电池虽然研究多，但限于其能量转换效率低、成本高，市场表现似乎并不出色。

前文提到的Lilliputian的Nectar采用了看似更难实现的丁烷燃料，不过它们没有使用常规的低温聚合物电解质技术，而是采用了MEMS技术。在电池单元的核心技术方面采用名为“Generator Chip”的硅基MEMS芯片，实现了多个小型化的高温电池单元，形成一个微型固体氧化物燃料电池。每个圆筒型燃料盒的发电容量为55Wh，核心电池单元反应温度达到600℃以上，利用微型固体氧化物燃料电池的高能量转换效率，获得实用化的量产电池。目前，Nectar已从国际民间航空组织（ICAO）及美国运输部获得了许可，可以在飞机上使用。

加水燃料电池

相比加“油”燃料电池，加“水”燃料电池的难点是如何找到一种储存氢气的材料。外接压缩气体钢瓶或者采用吸氢材料是电动汽车等大功率应用中的常规思路，但面对移动终端应用时，直接使用氢气会造成要么体积庞大、要么实现复杂的难题。因此在便携燃料电池中，普遍采用加水通过化学反应产生氢气的做法，罗姆产品应用的正是这一方法。

罗姆与Aquafairy公司(总部位于日本京都)和京都大学利用独创技术，成功地将氢化钙固化为片材。体积不满3cm3的氢化钙片材(38mm×38mm×2mm)遇水可生成约4.5L的氢、5Wh的电力。氢化钙是一种灰白色结晶体，遇水可剧烈反应产生氢气和氢氧化钙。氢氧化钙是一种碱性物质，俗称熟石灰，在空气中可与二氧化碳反应生成白色的碳酸钙，对人体和环境均无害，也没有其他有害气体排放。由于燃料电池工作中生成物也是水，因此产品仅需要加入少量水引发反应即可。

罗姆公司已经用这种材料制成了可供iPhone和智能手机使用的移动电源，体积和重量均是有史以来轻巧的，一次加水提供的电力大致相当于1350mAh的锂电池容量。利用这项储氢技术，罗姆还开发了面向地震等灾难环境下的备灾燃料电池。内置容量可高达400Wh，整体重量不到1kg，还有可提供200W输出的大功率家用产品，体重也只和一部iPad相当。罗姆正在与京都大学联合，研究对反应后的钙系废弃物的再生利用（利用激光工艺），以便在实用化中可提供廉价、高效的燃料。尽管技术参数上，加“水”的燃料电池结构更为简单，能量转换效率也更高。但从目前已经推出的产品看，只有加“油”的燃料电池更具实用性——可重复加注燃料，“加水”型燃料电池更多是一种一次性应急电源。移动终端内置燃料电池

罗姆氢燃料电池的原理，注入水后，水和氢化钙片材作用生成氢气，然后在电解质中生成氢离子，离子运动产生电能。后生成物是水，不会产生二氧化碳和其他VOC（挥发性有机化合物）等有害物质。

罗姆展示的氢化钙片材。

Lilliputian Nectar的反应原理。（1）燃料与少量空气混合，进入燃料处理室；（1b）燃料进行分解成氢气和一氧化碳，更容易为燃料电池所使用；（2）新鲜空气供应到燃料电池的另一端，（3）燃料和空气在燃料电池膜上反应，从而产生电能。（4）剩余的混合燃料和剩余的空气进行燃烧和催化转化。（5）清洁排放物从Generator Chip排出。

移动终端内置燃料电池可期

虽然燃料电池比传统锂电池更能提供稳定和持续的电力，且不用纠结于充电和电芯老化问题。但现实生活中，这种电池的应用还是基本以应急能源或者移动电源的形态出现，直接采用燃料电池的移动终端并不多见。东芝曾在MWC2008上展示过一部内置燃料电池的折叠手机，产品以KDDI W55T手机为原型，嵌入甲醇燃料电池。填充一次燃料，可获得两倍于内置锂电池的续航能力。但其体积较大，厚度达到17mm，填充完燃料后重量达到150g～160g，并且也没有很好解决燃料电池工作时的发热问题，从未正式上市过。

但作为一种新的清洁电池，直接内置燃料电池已成为必然。在不久前，就有两家知名消费电子制造商透露了直接使用燃料电池的消息。其一是苹果，苹果已向美国专利及商标局提交了两个与氢氧燃料电池相关的专利申请。其中提到了燃料电池将用作智能手机、笔记本电脑以及平板的能量来源。并可能采用氢化镁、氢化锂、硼氢化钠等与水反应产生的氢气作为燃料，机理类似罗姆公司的燃料电池产品。作为一项创新性的电池技术，苹果的加入很可能促成其在市场的流行。另一家表示会将燃料电池直接加入终端产品的是RIM，从去年早些时候一份泄露出的RIM燃料电池专利示意图中可以看到，燃料电池被设计在键盘与主板之间，但没有更多消息显示是何种类型的燃料电池以及燃料，也没有大致的实现方式。

写在后

今年CES展出的燃料电池成品价格还很贵，但总算是看到可以实用的产品了。或许要不了两年，我们就不用再为天天充电而烦恼了。手机、平板、笔记本电脑也可以抛开电源适配器，只要滴入几滴燃料就能开足马力玩上好几天甚至数周。不过，由于燃料电池所采用的燃料基本都是易燃易爆物品，虽然电池内部不会发生爆炸，但这些燃料都是航空安全所不允许携带的。所以，燃料电池的商业化还存在相当多的问题。未来，燃料电池正式上市的时候，记得一定要购买获得国际电工委员会（IEC）认证的产品，同时了解是否够能带上飞机，这样才能实现环保的同时，还有安全的保证！

Tips：燃料电池与普通电池的区别

1. 燃料电池是一种能量转换装置，类似于一台发电机，工作时必须输入燃料才能产生电
能。普通电池是一种电量存储装置，工作时是将存储的电能对外输出。

2. 燃料电池的技术性能确定后，电池容量只和燃料供应有关，没有容量限制；普通电池的
技术性能确定后，输出电量受设计容量限制，放完电后要么报废，要么需要重新充电。

3.燃料电池与普通电池均为化学电池，均是通过化学反应产生电能。但燃料电池的化学反
应是持续进行的，除非燃料耗尽，期间不可中断，输出的也是持续、稳定的电流；而普通电池只在电路接通时才发生反应输出电能，电量输出可间断，且只能在其额定范围内保持对外输出的稳定性。

4.燃料电池主反应为氢气与氧气的反应，产生的废弃物为水，无污染物产生。普通电池废
弃物会出现铅、镉、汞等重金属污染，还会产生腐蚀性的有毒物质和气体，对环境污染严重。