燃料電池供應公司在今年年末至明年年初還不會作出什么大動作，但這并不意味著設計者在買得起燃料電池以前就不去理會它，最終，燃料電池將出現在市場上，工程師應該了解它們將對便攜式和特種設備的設計產生的影響。

燃料電池最初于1839年問世，當時，William Grove對水進行電解試驗。Grove觀察到，當電極與分隔開來的氫氣和氧氣發生接觸時，他的試驗裝置發出了少量的電流。但是，把這種實驗室里的新奇現象轉化為一種實用的電源卻花去了相當長的時間和大量的努力。如今數十家公司研發燃料電池技術，但卻只有少數幾家能將產品推向市場。

雖然很多化學反應都可以用于燃料電池中的電能產生，但大多數開發都圍繞著氫和氧的復合。要對小型燃料電池中所使用的、經過壓縮或液化的氫氣進行運輸是不切實際的，而這種燃料電池將用于驅動消費類裝置。于是，對便攜式電子裝置的電源研究現在圍繞著氧氣和甲醇(亦稱為木精或木醇)的運用(圖1)。甲醇提供了氫，而空氣提供了氧，直接使用甲醇的燃料電池也因之得名直接甲醇燃料電池(DMFC)。

大多數開發公司預計，最早的DMFC應用將在小型化裝置中實現，如軍用品或必須長時間脫開電力線而工作的設備。軍品研究者力圖減少士兵所負荷的重量，燃料電池是一種有吸引力的電池替代品或補充物。DMFC能以比電池輕的重量發出大量的能量，但需要換氣，以收集氧氣和釋放水汽。很多DMFC設計需要小風扇和泵來移送氣體及液體，因此其運行經常發出噪聲，而且到目前為止，很難用于水下或隱蔽使用的場合。

由于第一代DMFC的市場將由軍工工程師、技術方面的狂熱愛好者和早期用戶來支撐，這些電源將變得更小、效率更高而且價格更低。DMFC最終將進入主流市場，不過就目前而言，它們的能量密度還不足以與標準的鋰離子電池相比。

消費類產品電源

消費類市場確實需要DMFC電源。接收電視廣播的流行款式手機，只能工作約一個小時，因此，如果廠商能提供實用的、廉價的DMFC，消費者就會購買。可重新添加燃料的DMFC能讓一個電視手機幾乎無限期的工作下去。MTI Micro Fuel Cells公司的董事長兼CEO Bill Acker估計，一加侖(3.8升)甲醇能驅動一個普通手機工作約10年。

大多數DMFC供應商計劃通過混合式電源來闖入市場，就是將燃料電池和儲能裝置(如超級電容或電池)組合，至少以之作為起步。DMFC在恒定負載條件下運行情況最好，因此在一個混合式電源中，燃料電池將提供恒定的功率，而靠電容或電池來滿足峰值功率方面的要求。“如果裝置消耗的平均功率為0.5W，但需要的峰值功率達到3W，就不要將燃料電池的額定功率規定為3W。”Bill Acker說。相反，應該去設計一個電源和能源組合，以滿足總的功率需求。

一個典型的“燃料電池”事實上是由一組單個的電池單元串連而成的。單個單元的供電電壓為0.7V~0.9V(開路時)，約為其理論輸出的1/3。帶負載后，輸出跌落至約0.3V~0.5V。一般來說，燃料電池需要外接一定的功率調節電路。

能源預算

首批由DMFC供電的商業化產品將比電池供電的產品貴10%~20%，但依然有良好的市場前景。Direct Methanol Fuel Cell公司的CEO  Dr. Carl Kukkonen對能源的成本進行了分析。“一臺3000美元的汽車引擎可產生約100kW的功率，因此每kW成本為30美元，”Kukkonen說。“一個筆記本電腦的電池可發出約12W的功率，成本是130美元，相應每kW功率成本為11,000美元。DMFC的價格要低得多—1000美元/kW~2000美元/kW。業界將為汽車應用而把燃料電池的成本降低到30美元/kW，但那將是一個重大的挑戰，我們很可能實現不了目標。”

下面從另一個角度看DMFC的“潛力”。“甲醇的總能量容量為5,000 Wh/l。但我們永遠不能汲取出全部能量，”DuPont公司的DMFC市場開發經理Dave Reichert說。“因為當談論能量‘密度’時，同時必須把物理設備考慮進去—電池單元、燃料盒和容器中的其它東西。”

2004年末或2005年初，有望出現能產生200Wh/l~350Wh/l能量的DMFC系統。“這一量值在目前鋰離子電池的輸出范圍中只居于較低的水平，”Reichert說。“但這個量值只代表了市場上最早出現產品的水平。我們將會制成1000~1200Wh/l的DMFC系統。鋰離子電池的理論極限約為600Wh/l，因此DMFC可以提供的功率密度將是其兩倍。”

“人們需要便攜式設備時，他們會為這種方便性而付出額外的費用，消費者不會因為筆記本電腦比臺式機便宜而購買它，他們之所以購買，是因為它方便攜帶。DMFC讓他們能擺脫電力網絡的束縛。”

燃料電池的發熱問題

“設計者也需要考慮發熱問題，”Motorola實驗室的能源技術主管Jerry Hallmark介紹。“如果燃料電池效率為25%，而需要20W的電能，那么在獲得這20W電能的同時卻要付出60W的熱量。這一發熱超過了電池的水平，因此需要把過多的熱散發掉。那20W電能最后也會在功率器件中變成熱量。”

要將筆記本電腦或者便攜式儀器內部發出的熱量散發掉是一件困難的事情。因此，設計者不能簡單的用DMFC或者混合式電源來替換電池。不過，他們可以用DMFC作為充電器或者獨立電源。

DMFC對燃料的處置本身亦是工程上的一項挑戰：將甲醇分發給用戶而且要確保用戶能安全的處理這些燃料。人們在更換噴墨或激光打印原料盒時，并不需要將墨水或顏料搖勻，甲醇的預包裝也應該具有同樣的優點。為了幫助DMFC進行市場開拓，并確保甲醇采用方便易用的包裝而實現有效的銷售，許多DMFC廠商與Gillette和BIC之類的公司建立了聯系。但是目前在便利商店的貨架上還是找不到甲醇燃料盒的。

甲醇必須能帶上飛機

甲醇的使用面臨另一個障礙：安全方面的法規。如今，消費者尚不能將甲醇帶上商業航班，因為沒有任何標準對消費者攜帶這種燃料進行管理。但在未來18~24個月中，這一情況將發生改變。(鋰離子電池在可以帶上商用飛機前，也不得不經歷了相似的認證流程。

國際電子技術委員會和Underwriters試驗室(UL)正在進行標準化方面的工作。美國交通部已經向聯合國提交了一份提案，以求將甲醇從“易燃液體”類(Class 3)轉移到“其他危險材料”類(Class 9)中。這項更改一旦完成，燃料電池制造商和甲醇盒供應商可以向民用航空團體申請批準攜帶，不過，不需帶上商業航班的設備和燃料盒則無需任何批準。

DuPont公司的Dave Reicher認為，即使在長途商業旅行中，大多數人還是會攜帶500ml~600ml的密封甲醇。Reichert指出供應商將能設計出足以通過國際組織制定的安全標準的包裝盒。包裝通過了跌落、壓力和其他測試后，它們盛裝的易燃性甲醇本身就是安全的了。在大多數情況下，消費者將使用一次性的、不可私自重新灌注的密封盒。一個自閉閥將能防止甲醇的潑灑。

嶄露頭角的革新

即便DMFC短期內還不能出現在市場上，人們的研究還是帶來了若干新的燃料電池設計。Motorola實驗室的研究者已經以陶瓷材料形成了微流體3D結構。陶瓷可以起到小型反應器的作用，在其中，甲醇將裂解而產生氫氣，該過程稱為重整。氫氣在陶瓷的另一部分消耗掉，從而形成一個燃料電池。Motorola公司并不制造燃料電池，相反，它將尋求合伙人，將其技術開發成為燃料電池產品。

STMicroelectronics公司沿著類似的路線發展，它對硅的微結構進行了探索。其電化學蝕刻工藝形成了一種海綿狀多孔硅3D結構，反應物可以擴散到其中。催化劑通過單獨的電化學工藝進行淀積，這大大增加了化學反應所依附的表面積。

STMicroelectronics 公司中央研發部的硅技術主管Dr. Salvo Coffa認為，“標準DMFC的能量密度約為50mW/cm2，但如果密度如此之低的話，就無法將燃料電池運用到移動電話中。在我們的3D結構中，我們讓氣體和膜緊密接觸，而且為電子提供了一個運輸結構。我們預計2004年底前能用海綿硅的燃料電池制成一個可以工作的樣機，其功率密度達到150mW/cm2，而到2005年DMFC的輸出將達到約500mW/cm2。”

Energy Related Devices公司(ERD)通過在襯底上鉆小孔的辦法制作出了用于DMFC化學反應的大表面積結構。該公司的創始人Robert Hockaday介紹，“我們沒有將多層板層疊起來構成一個電池單元陣列，這讓人擔心各單元間的密封性，我們是以制作印刷電路板的辦法來制作燃料電池。”ERD在一個襯底上印刷出多個小單元，并構成陣列，該工藝可以降低DMFC的制造難度(圖3)。“我們推出產品還要等上一年。我們的一臺樣機到目前為止在試驗室里已經連續工作了24個月。”

燃料電池的工作原理

在DMFC中，甲醇(CH3OH)和水(H2O)進入燃料電池的一端并移動到催化劑(一般是Pt)處(圖4)。催化劑促使甲醇和水變為二氧化碳、氫離子(H+)和電子(e-)。電子從陽極出發，流經一個電負載到達陰極。在陰極處，空氣中的氧氣、電子和陽極處產生的氫離子發生反應形成水。

2CH3OH＋3O2→2CO2＋4H2O＋能量

氫離子穿過將兩個電極分隔開的聚合物薄膜。大多數膜需要一定的水，但多余的水將穿過薄膜并“淹沒“陰極，阻礙氧氣與之接觸。過多的水也減少了電池的效率(約2%0~45%)。

薄膜也必須阻止甲醇從陽極一側擴散到陰極一側。這是一個很難解決的問題，因為甲醇和水有相似的特性，無人會認為世間存在一種完美的“無甲醇沾染”的膜，但幾家公司已經開發出了能減少甲醇和水互混的薄膜。

在某些設計中，輕微的甲醇混溶是有益的。甲醇在陰極發生氧化，并發出少量的熱，這可以提高整個燃料電池的反應速率。

電極也是工程開發方面的一個難題。它們不僅要為電子提供一條通路，而且必須能容納少量的催化劑，并容許甲醇、水和氧氣的擴散，提供到膜的有效界面，從而讓反應廢物排出。