笔记本电脑燃料电池技术

【中心议题】

•        * 燃料电池的概念
•        * 甲醇燃料电池关键技术

【解决方案】

•        * 通过催化剂加速电极与电解质界面上的电化学反应
•        * 采用质子交换膜

0引言

笔记本电脑以其便携性和移动性,受到越来越多人的关注,随着价格的进一步降低,笔记本电脑正有逐渐取代台式机的趋势。据统计，2009年全世界笔记本电脑总产量约为1.5亿台，其中有超过90%来自中国。笔记本电脑电池作为动力源泉，其性能的好坏决定着笔记本电脑的发展前景。笔记本电脑电池发展到如今，经历了镍镉时代、镍氢时代、锂离子时代，然而随着现代社会工作生活节奏的加快，对移动商务办公需求的增加，笔记本电脑也向着轻型化、小型化、高性能、高数据传输、长待机时间的方向发展，目前普遍采用的锂离子电池越来越不能满足发展的需要，笔记本电脑市场急需要寻求一种新型的电池取代目前的现状，直接甲醇燃料电池具有体积小、重量轻、系统结构简单、能密度高、燃料来源丰富、价格便宜、运行便捷和噪声低等优点，被认为是最有希望的化学电源。

1燃料电池与其他电池的区别

1.1燃料电池与一次性原电池的区别

燃料电池利用物质发生化学反应时释出的能量，直接将其变换为电能。从这一点看，它和其他化学电池如碱性电池、碳性电池等是类似的。但是普通原电池活性物质都是直接存放在电池内部的，限制了电池容量,而燃料电池正负极本身不包含任何活性物质，它们只是个催化转换元件,燃料和氧化剂均由外部供给,原则上只要不断输入反应物，不断排出反应产物，燃料电池就能连续放电。

1.2燃料电池与可充电电池的区别

可充电电池通过外部充电储存能量,通过内部放电释放能量，可以多次循环、反复使用。在可充电电池的阳极和阴极之间，通过带电离子的移动产生电流。而燃料电池本身不能储存能量，只是进行化学反应，提供电能的一种发电装置。

2燃料电池的分类

燃料电池的种类按不同的方法可大致分类如下。按燃料电池的运行机理分：有酸性燃料电池和碱性燃料电池。按电解质的种类不同：有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质。按燃料类型分：有氢气、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有机燃料，汽油、柴油和天然气等气体燃料。按燃料电池工作温度分：有低温型，温度低于200℃；中温型，温度为200～750℃；高温型，温度高于750℃。

3燃料电池的工作原理

作为燃料电池研究的一个主要方向和热点，微型直接甲醇燃料电池(ＤＭＦＣ)被认为最有可能补充和替代目前广泛使用的锂离子电池而成为理想的动力电源。直接甲醇燃料电池主要由阴、阳极极板和膜电极构成，其中膜电极包括质子交换膜、催化剂层和气体扩散层。催

化剂层是电化学反应的场所；质子交换膜导质子阻电子，起到隔离反应物的作用；扩散层起到支撑催化剂层、收集电流及传导反应物的作用；阴、阳极板起到支撑、集流、分隔的作用。DMFC工作时，甲醇水溶液注入阳极，通过扩散层到达阳极催化剂层，在催化剂的作用下发生氧化反应生成CO2，释放出电子和氢质子；产生的氢质子透过质子交换膜至阴极与氧气反应生成水，产生的电子从阳极经外电路通过负载流向阴极形成电流。

4甲醇燃料电池发展存在的问题

甲醇穿透现象：甲醇水溶液燃料电池的电解质膜，大多使用酸性材料，这种材料会形成质子水合物的通道使甲醇穿过薄膜而降低甲醇的利用率，甲醇穿透会在阴极触媒与氧发生反应，进而造成电压降低等问题。由于氢离子需要由水携带穿过高分子薄膜，电解质膜要求具有高质子导电性，同时需要控制甲醇穿透问题。

二氧化碳排出：二氧化碳在触媒的堆积会导致触媒利用率的降低，同时甲醇在阳极催化剂表面缓慢氧化过程中，碳原子与氧原子结合时还会附带产生一氧化碳，占据电极的活性中心，毒化电极，使电极活性降低。

在低温条件下，甲醇燃料电池的阳极催化剂活性对大幅降低，氧化还原过程缓慢，具有较高的过电位，影响了电池的输出性能和使用效率。

微型化、集成化和高能化是甲醇燃料电池的发展趋势,其制造技术是一项复杂的高新技术，涉及众多精密加工技术，需要采用先进的加工制造技术才能满足笔记本燃料电池的加工要求。

为此，需要研制精密的笔记本燃料电池精密加工系统。同时,电池的微型化、集成化势必引起比能量的下降,这与提高电池比功率密度相矛盾。

直接甲醇燃料电池的运行条件诸如温度、甲醇浓度、甲醇流量、电池放置方位对电池性能影响很大。此外，甲醇燃料电池的封装，运输，存储，安全及测试标准的建立，燃料的提供等都是影响甲醇燃料电池商业化发展需要解决的问题。

5甲醇燃料电池关键技术

（1）电催化剂

催化剂的功能是加速电极与电解质界面上的电化学反应。目前的研究中对电极催化剂要求如下：催化活性高，较好的抗中毒能力；导电性好；稳定性好，具有较强抗腐蚀能力。

目前甲醇阳极氧化电催化剂研究的多是以铂为基础的二元或多元催化剂，其中有以Pt-Ru为代表的二元催化剂、以Pt-Ru-W为代表的三元催化剂和以Pt-Ru-Os-Ir为代表的四元催化剂。阴极催化剂的研究主要集中在以下几类氧电极催化剂：Pt/C催化剂、Pt-M/C合金催化剂、非铂催化剂。

（2）质子交换膜（PEM）

ＰＥＭ为选择透过性膜，它既是电解质，又是隔离物，对质子导通，对电子绝缘。PEM必须满足下述条件：良好的质子导电性；不论膜在干态或湿态，均应保证气体在膜内的低渗透性；具有足够高的机械强度，适于MEA的制备和电池的组装；在玻璃化温度时，膜表面具有一定的黏弹性，以利于制备MEA组件时催化剂层与膜的结合能力，减少接触电阻；良好的化学与电化学稳定性；膜本身不溶于水，但具有较好的水合能力；对甲醇和氧化剂有良好的隔离作用。

由于目前广泛采用的全氟磺酸膜导电性和热稳定性不够;机械强度较差;甲醇渗透率较高，研究员把主要工作集中在质子交换膜的改性以及新材料的研制。

（3）膜电极（MEA）

膜电极是甲醇燃料电池的核心部件,通常由一对气体扩散电极和一张质子交换膜通过热压在一起组成。高性能的膜电极应具备下列特性：能够最大限度减小气体的传输阻力；形成良好的离子通道，降低离子传输的阻力；形成良好的电子通道；气体扩散电极应该保证良好的机械强度及导热性；膜具有高的质子传导性和很好的化学稳定性、热稳定性及抗水解性。

研究表明低温条件下运行的燃料电池，电池MEA活化工艺对提高催化剂利用率和电池性能具有很大的影响。目前膜电极组件的技术难点集中在膜电极的密封性和甲醇渗透问题。

6笔记本燃料电池发展现状

在燃料电池的研究方面日本处于领先地位。NEC、索尼、卡西欧、东芝、日立等厂家展开了激烈竞争。2008年日本松下电器产业公司20日宣布，该公司开发出一款单位体积输出功率是以往产品两倍的直接甲醇燃料电池，适合笔记本电脑、手机等便携设备使用。2009年十月东芝表示，正式推出首款直接甲醇燃料电池，该电池将首先用于便携式电子产品。2009年麻省理工(MIT)的科学家最近开发出一种新技术,采用了一种全新的渗透性薄膜,可以避免甲醇泄漏的情况发生,大幅提高了DMFC的输出功率,使其可以达到50%以上。

中国燃料电池的研究工作始于1958年，但是在甲醇燃料电池研究方面却起步较晚。政府对燃料电池的研发高度重视，将其列为“国家科技中长期发展规划”中能源、交通、电子等领域的重要研究方向和急需开拓的尖端高技术。清华大学核能与新能源技术研究院课题组承担的国家高技术研究发展计划（863计划）“智能化高效直接甲醇燃料电池电源系统的研制”，2009年11月24日在北京通过科技部验收。同时中科院长春应化所、中科院大连化物所等单位为加速甲醇燃料电池技术的研究开发及产业化作出了很大努力。

7结语

随着现代社会信息技术和网络技术的发展，笔记本电脑以其便携性和移动性在日常使用中日益普及，同时人们对于笔记本电脑的电池持续供电时间提出了更高的要求。相比于传统可充电电池，甲醇燃料电池具有体积小、重量轻、系统结构简单、能密度高、燃料来源丰富、价格便宜、噪声低等优点，被认为是最有希望取代目前锂电池来为笔记本电脑供电的电源，其技术实用性和生产成本的研究是世界各国各实验室研究的热点。相信随着甲醇燃料电池技术的成熟，商业化和产业化的到来，笔记本电脑的发展必将迈上新的台阶。