【中心議題】

• ?????? * 燃料電池的概念
• ?????? * 甲醇燃料電池關(guān)鍵技術(shù)

【解決方案】

• ?????? * 通過(guò)催化劑加速電極與電解質(zhì)界面上的電化學(xué)反應(yīng)
• ?????? * 采用質(zhì)子交換膜

0引言

筆記本電腦以其便攜性和移動(dòng)性,受到越來(lái)越多人的關(guān)注,隨著價(jià)格的進(jìn)一步降低,筆記本電腦正有逐漸取代臺(tái)式機(jī)的趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2009年全世界筆記本電腦總產(chǎn)量約為1.5億臺(tái)，其中有超過(guò)90%來(lái)自中國(guó)。筆記本電腦電池作為動(dòng)力源泉，其性能的好壞決定著筆記本電腦的發(fā)展前景。筆記本電腦電池發(fā)展到如今，經(jīng)歷了鎳鎘時(shí)代、鎳氫時(shí)代、鋰離子時(shí)代，然而隨著現(xiàn)代社會(huì)工作生活節(jié)奏的加快，對(duì)移動(dòng)商務(wù)辦公需求的增加，筆記本電腦也向著輕型化、小型化、高性能、高數(shù)據(jù)傳輸、長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間的方向發(fā)展，目前普遍采用的鋰離子電池越來(lái)越不能滿(mǎn)足發(fā)展的需要，筆記本電腦市場(chǎng)急需要尋求一種新型的電池取代目前的現(xiàn)狀，直接甲醇燃料電池具有體積小、重量輕、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能密度高、燃料來(lái)源豐富、價(jià)格便宜、運(yùn)行便捷和噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有希望的化學(xué)電源。

1燃料電池與其他電池的區(qū)別

1.1燃料電池與一次性原電池的區(qū)別

燃料電池利用物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)釋出的能量，直接將其變換為電能。從這一點(diǎn)看，它和其他化學(xué)電池如堿性電池、碳性電池等是類(lèi)似的。但是普通原電池活性物質(zhì)都是直接存放在電池內(nèi)部的，限制了電池容量,而燃料電池正負(fù)極本身不包含任何活性物質(zhì)，它們只是個(gè)催化轉(zhuǎn)換元件,燃料和氧化劑均由外部供給,原則上只要不斷輸入反應(yīng)物，不斷排出反應(yīng)產(chǎn)物，燃料電池就能連續(xù)放電。

1.2燃料電池與可充電電池的區(qū)別

可充電電池通過(guò)外部充電儲(chǔ)存能量,通過(guò)內(nèi)部放電釋放能量，可以多次循環(huán)、反復(fù)使用。在可充電電池的陽(yáng)極和陰極之間，通過(guò)帶電離子的移動(dòng)產(chǎn)生電流。而燃料電池本身不能儲(chǔ)存能量，只是進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，提供電能的一種發(fā)電裝置。

2燃料電池的分類(lèi)

燃料電池的種類(lèi)按不同的方法可大致分類(lèi)如下。按燃料電池的運(yùn)行機(jī)理分：有酸性燃料電池和堿性燃料電池。按電解質(zhì)的種類(lèi)不同：有酸性、堿性、熔融鹽類(lèi)或固體電解質(zhì)。按燃料類(lèi)型分：有氫氣、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有機(jī)燃料，汽油、柴油和天然氣等氣體燃料。按燃料電池工作溫度分：有低溫型，溫度低于200℃；中溫型，溫度為200～750℃；高溫型，溫度高于750℃。

3燃料電池的工作原理

作為燃料電池研究的一個(gè)主要方向和熱點(diǎn)，微型直接甲醇燃料電池(ＤＭＦＣ)被認(rèn)為最有可能補(bǔ)充和替代目前廣泛使用的鋰離子電池而成為理想的動(dòng)力電源。直接甲醇燃料電池主要由陰、陽(yáng)極極板和膜電極構(gòu)成，其中膜電極包括質(zhì)子交換膜、催化劑層和氣體擴(kuò)散層。催

化劑層是電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所；質(zhì)子交換膜導(dǎo)質(zhì)子阻電子，起到隔離反應(yīng)物的作用；擴(kuò)散層起到支撐催化劑層、收集電流及傳導(dǎo)反應(yīng)物的作用；陰、陽(yáng)極板起到支撐、集流、分隔的作用。DMFC工作時(shí)，甲醇水溶液注入陽(yáng)極，通過(guò)擴(kuò)散層到達(dá)陽(yáng)極催化劑層，在催化劑的作用下發(fā)生氧化反應(yīng)生成CO2，釋放出電子和氫質(zhì)子；產(chǎn)生的氫質(zhì)子透過(guò)質(zhì)子交換膜至陰極與氧氣反應(yīng)生成水，產(chǎn)生的電子從陽(yáng)極經(jīng)外電路通過(guò)負(fù)載流向陰極形成電流。

4甲醇燃料電池發(fā)展存在的問(wèn)題

甲醇穿透現(xiàn)象：甲醇水溶液燃料電池的電解質(zhì)膜，大多使用酸性材料，這種材料會(huì)形成質(zhì)子水合物的通道使甲醇穿過(guò)薄膜而降低甲醇的利用率，甲醇穿透會(huì)在陰極觸媒與氧發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而造成電壓降低等問(wèn)題。由于氫離子需要由水?dāng)y帶穿過(guò)高分子薄膜，電解質(zhì)膜要求具有高質(zhì)子導(dǎo)電性，同時(shí)需要控制甲醇穿透問(wèn)題。

二氧化碳排出：二氧化碳在觸媒的堆積會(huì)導(dǎo)致觸媒利用率的降低，同時(shí)甲醇在陽(yáng)極催化劑表面緩慢氧化過(guò)程中，碳原子與氧原子結(jié)合時(shí)還會(huì)附帶產(chǎn)生一氧化碳，占據(jù)電極的活性中心，毒化電極，使電極活性降低。

在低溫條件下，甲醇燃料電池的陽(yáng)極催化劑活性對(duì)大幅降低，氧化還原過(guò)程緩慢，具有較高的過(guò)電位，影響了電池的輸出性能和使用效率。

微型化、集成化和高能化是甲醇燃料電池的發(fā)展趨勢(shì),其制造技術(shù)是一項(xiàng)復(fù)雜的高新技術(shù)，涉及眾多精密加工技術(shù)，需要采用先進(jìn)的加工制造技術(shù)才能滿(mǎn)足筆記本燃料電池的加工要求。

為此，需要研制精密的筆記本燃料電池精密加工系統(tǒng)。同時(shí),電池的微型化、集成化勢(shì)必引起比能量的下降,這與提高電池比功率密度相矛盾。

直接甲醇燃料電池的運(yùn)行條件諸如溫度、甲醇濃度、甲醇流量、電池放置方位對(duì)電池性能影響很大。此外，甲醇燃料電池的封裝，運(yùn)輸，存儲(chǔ)，安全及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的建立，燃料的提供等都是影響甲醇燃料電池商業(yè)化發(fā)展需要解決的問(wèn)題。

5甲醇燃料電池關(guān)鍵技術(shù)

（1）電催化劑

催化劑的功能是加速電極與電解質(zhì)界面上的電化學(xué)反應(yīng)。目前的研究中對(duì)電極催化劑要求如下：催化活性高，較好的抗中毒能力；導(dǎo)電性好；穩(wěn)定性好，具有較強(qiáng)抗腐蝕能力。

目前甲醇陽(yáng)極氧化電催化劑研究的多是以鉑為基礎(chǔ)的二元或多元催化劑，其中有以Pt-Ru為代表的二元催化劑、以Pt-Ru-W為代表的三元催化劑和以Pt-Ru-Os-Ir為代表的四元催化劑。陰極催化劑的研究主要集中在以下幾類(lèi)氧電極催化劑：Pt/C催化劑、Pt-M/C合金催化劑、非鉑催化劑。

（2）質(zhì)子交換膜（PEM）

ＰＥＭ為選擇透過(guò)性膜，它既是電解質(zhì)，又是隔離物，對(duì)質(zhì)子導(dǎo)通，對(duì)電子絕緣。PEM必須滿(mǎn)足下述條件：良好的質(zhì)子導(dǎo)電性；不論膜在干態(tài)或濕態(tài)，均應(yīng)保證氣體在膜內(nèi)的低滲透性；具有足夠高的機(jī)械強(qiáng)度，適于MEA的制備和電池的組裝；在玻璃化溫度時(shí)，膜表面具有一定的黏彈性，以利于制備MEA組件時(shí)催化劑層與膜的結(jié)合能力，減少接觸電阻；良好的化學(xué)與電化學(xué)穩(wěn)定性；膜本身不溶于水，但具有較好的水合能力；對(duì)甲醇和氧化劑有良好的隔離作用。

由于目前廣泛采用的全氟磺酸膜導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性不夠;機(jī)械強(qiáng)度較差;甲醇滲透率較高，研究員把主要工作集中在質(zhì)子交換膜的改性以及新材料的研制。

（3）膜電極（MEA）

膜電極是甲醇燃料電池的核心部件,通常由一對(duì)氣體擴(kuò)散電極和一張質(zhì)子交換膜通過(guò)熱壓在一起組成。高性能的膜電極應(yīng)具備下列特性：能夠最大限度減小氣體的傳輸阻力；形成良好的離子通道，降低離子傳輸?shù)淖枇?；形成良好的電子通道；氣體擴(kuò)散電極應(yīng)該保證良好的機(jī)械強(qiáng)度及導(dǎo)熱性；膜具有高的質(zhì)子傳導(dǎo)性和很好的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性及抗水解性。

研究表明低溫條件下運(yùn)行的燃料電池，電池MEA活化工藝對(duì)提高催化劑利用率和電池性能具有很大的影響。目前膜電極組件的技術(shù)難點(diǎn)集中在膜電極的密封性和甲醇滲透問(wèn)題。

6筆記本燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀

在燃料電池的研究方面日本處于領(lǐng)先地位。NEC、索尼、卡西歐、東芝、日立等廠家展開(kāi)了激烈競(jìng)爭(zhēng)。2008年日本松下電器產(chǎn)業(yè)公司20日宣布，該公司開(kāi)發(fā)出一款單位體積輸出功率是以往產(chǎn)品兩倍的直接甲醇燃料電池，適合筆記本電腦、手機(jī)等便攜設(shè)備使用。2009年十月東芝表示，正式推出首款直接甲醇燃料電池，該電池將首先用于便攜式電子產(chǎn)品。2009年麻省理工(MIT)的科學(xué)家最近開(kāi)發(fā)出一種新技術(shù),采用了一種全新的滲透性薄膜,可以避免甲醇泄漏的情況發(fā)生,大幅提高了DMFC的輸出功率,使其可以達(dá)到50%以上。

中國(guó)燃料電池的研究工作始于1958年，但是在甲醇燃料電池研究方面卻起步較晚。政府對(duì)燃料電池的研發(fā)高度重視，將其列為“國(guó)家科技中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃”中能源、交通、電子等領(lǐng)域的重要研究方向和急需開(kāi)拓的尖端高技術(shù)。清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院課題組承擔(dān)的國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）“智能化高效直接甲醇燃料電池電源系統(tǒng)的研制”，2009年11月24日在北京通過(guò)科技部驗(yàn)收。同時(shí)中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所、中科院大連化物所等單位為加速甲醇燃料電池技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)及產(chǎn)業(yè)化作出了很大努力。

7結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代社會(huì)信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，筆記本電腦以其便攜性和移動(dòng)性在日常使用中日益普及，同時(shí)人們對(duì)于筆記本電腦的電池持續(xù)供電時(shí)間提出了更高的要求。相比于傳統(tǒng)可充電電池，甲醇燃料電池具有體積小、重量輕、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能密度高、燃料來(lái)源豐富、價(jià)格便宜、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有希望取代目前鋰電池來(lái)為筆記本電腦供電的電源，其技術(shù)實(shí)用性和生產(chǎn)成本的研究是世界各國(guó)各實(shí)驗(yàn)室研究的熱點(diǎn)。相信隨著甲醇燃料電池技術(shù)的成熟，商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化的到來(lái)，筆記本電腦的發(fā)展必將邁上新的臺(tái)階。