释迦牟尼说活着就是灾难，耶稣说活着就是犯罪，安拉说活着就是抗争，我说活着就活着吧
横刀跃马,踏破关山,笑看大漠飞砂、长河落日。 有感于人生多变,困顿于人生何为,执着于技术浩渺,哀叹于美女无缘,羞涩于兜囊空阔,我已经成熟了、困惑了。（一名博学、敬业、正直、稳重、经验丰富的机械工程师。主攻方向：工程机械液压件、通用机械设计） 我的英文博客： http://www.myspace.com/china_hydraulic_valve
2009-12-02 14:12:23| 分类： 知识学习 | 标签： |举报 |字号大中小 订阅
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薛康琳前言在1980年以前，可以随身携带的电池只有干电池。干电池所储存的电量不大，能够用的电子产品只有随身收音机、手电筒、与体积庞大的携带型通讯设备。随着镍氢电池、锂电池等这些具有较高能量电池的问世，配合半导体微米与奈米科技的发展，携带型电子产品趋向多元化。在1990年前后，各种携带型3C电子产品相继发展出来，例如，手机、DVD光碟播放机、笔记型电脑等等。这些产品的使用功能也随着科技的发展与日俱增。初期笔记型电脑的功能仅能做基本文字的编排与图形简单的电玩。现在笔记型电脑成为行动办公室与娱乐用品，它不但能做复杂的文字与图形处理、还可以同时进行无线网路收寻、邮电、影音即时通、工程专业的电脑辅助设计等等。现在有许多随身携带电子产品的电力已经不敷使用。他们需要比镍氢电池、锂电池具有更高电力的电池来延长这些随身携带电子产品的操作时间。直接甲醇电池(DMFC，Direct Methanol Fuel Cell)便是因为这些需要而开始蓬勃的发展。电池操作原理直接甲醇燃料电池使用液态的甲醇(methanol，CH3OH)作燃料。它的发电核心是所谓的膜电极组(MEA，Membrane Electrode Assembly)。如图1所示，MEA包括阳极、阴极与隔离阴阳两极的高分子薄膜。方程式(1)～(3)是在阴、阳两个电极的电化学反应。甲醇在阳极因电化学反应，氧化产生氢离子与电子如(1)式。所产生的锂离子透过具离子传导功能的高分子薄膜，传递到阴极。所产生的电子流经外部电路传到阴极。在阴极，空气中的氧气便与传递到阴极的氢离子与电子反应，还原成水如(2)式。总反应便是甲醇与氧反应生成水与二氧化碳如(3)式。使用甲醇为燃料的主要原因是：(1)高能量密度，它的重量能量密度是6.1kWh／kg，它的体积能量密度是4.8kWh/L；(2)便利性，甲醇是液态燃料，可以像打火机燃料一般，便于携带与装填，并可设计成卡匣式替换燃料；(3)电化学活性比其他醇类或有机物(乙醇、丙醇、液态烷类等等)要高。电池的结构与组成图2是典型的直接甲醇燃料的单电池结构。他的阳极或是阴极包括：(a)扩散层(DL，DiffusionLayer)，(b)微孔层(MPL，Micro Porous Layer)，(c)触媒层。扩散层主要的功能是让反应物(阳极的甲醇、阴极的氧气)由扩散层能够均匀地扩散到触媒层，同时能将触媒层的电流导出或导入。它是由孔隙度很大，导电度高的碳纸所组成。为了防止水在碳纸里面累积，碳纸内的碳纤维表层涂有疏水性很高的铁弗龙(Teflon)。微孔层的功能是防止扩散层淹水，并将让触媒层的电流导出或导入。它是由孔隙度小、导电度高的碳粉所组成。这碳粉层内有含量很高的疏水性铁弗龙。触媒层是由表面含有铂金属(Pt，platinum)的碳粉和具有质子传导功能的高分子(Nafion)所组成。铂金属的平均颗粒约在2～5nm，铂金属因奈米化而提高它的反应表面积。高分子除了传导质子之外，它并作为黏结剂将触媒固定在电极上。隔离阴、阳两极的是质子交换膜，这层交换膜目前是由Nafion所组成。电池组与系统直接甲醇燃料电池的理论输出电压，在标准状态(25℃、1大气压下)是1.21V，目前实际能输出的电压约在0.3～0.4V。然而各种电子产品的电压远大于单一电池的输出电压，如手机需3.5V，电脑需10～20V。电池必须串联成电池组(cellstack)才能达到电子产品所需的电压。图3是各种电池串联增压的方式。(a)是单一电池；(b)是传统叠堆式电池组，这种电池组合的优点是电池内阻(R)小，因电池内阻所造成的电压损失(内阻电压损失=电流I×内阻R)很小，适合大电流的电池；(c)是单电池配合增压器(DC／DConverter)，电压增压器可以将单电池的低电压倍增到所需要的电压，若所需要增压的幅度太大，它的能量转换效率将因而减低；(d)平面式串连电池组，这种平面的组合适合许多外型扁平的电子产品，但是它的内阻较叠堆式电池组要大很多，适合小电流的电池；(e)叠堆／平面混合式电池组，择中(b)与(d)的优缺点。直接甲醇燃料电池的燃料与空气进料系统可以分成被动式与主动式。被动式的进料(如图4a)在阳极是利用毛细现象将甲醇吸引到阳极，在阴极是利用自然对流的方式将空气引进到阴极。它不用泵浦或风扇等其他耗电的周边组件，这种进料方式使用平面式的电池串联方式将系统扁平化、简单化，适合用于小功率(数瓦级)的电子产品。主动式的进料(如图4b)使用泵浦将甲醇送到阳极，并且循环甲醇溶液，使用风扇将空气引进到阴极。这种进料方式使用叠堆式的电池串联方式，可以输出较大的功率，适合用于大功率(数+瓦级)的电子产品。燃料电池系统须要搭配可以充放电的二次锂电池(如图4c)组成混合(hybrid)发电系统。因为系统的启动须要电力，并且电子产品的耗电量随着开机、待机、关机、读写资料有大幅度的变化。燃料电池仅作基载，输出稳定的电力。尖峰用电时，由二次电池供给额外的电力，平时由燃料电池供给电子产品所须的电力，或有额外的电力可以对二次电池充电。应用范围国际间正在研发或展示中的燃料电池有许多种，包括：直接甲醇燃料电池、质子交换膜燃料电池(PEMFC，Proton Exchange Membrane Fuel Cel1)、碱性燃料电池(AFC，Alkaline Fuel Cell)、磷酸燃料电池(PAFC，Phosphoric AcidFuel Cel1)、熔融碳酸碱燃料电池(MCFC，MoltenCarbonate Fuel Cell)、固态氧化物燃料电池(SOFC，Solid Oxide Fuel Cell)以及生化燃料电池(MFC，Microbial Fuel Gell)。图5是各种燃料电池大致发展的功率范围与电池操作的温度范围。生化燃料电池使用微生物或酵素作为电极，目前处于初期纯研发阶段，尚未达电子产品所须的发电功率。目前较为接近商业化的燃料电池系统是直接甲醇燃料电池与质子交换膜燃料电池。熔融碳酸碱燃料电池与固态氧化物燃料电池已有分散式发电机的示范展示。图6是燃料电池各种可能应用的范围与所需的发电功率。直接甲醇燃料电池使用液态的甲醇，因此燃料的储存、携带方便。但是它的输出功率不高，因此主要是发展作为3C小型电子产品，如手机、数位相机、光碟放映机、笔记型电脑、小型可携式发电机的携带电源。输出功率约在数瓦至数十瓦之间。目前直接甲醇燃料电池在3C小型电子产品的开发中，仍以日本公司最为积极。如图7a，笔记型电脑用的直接甲醇燃料电池可以粗分成两个发展方向，一是叠堆电池组采用主动式进料(如INEC、Sanyo、Toshiba、Samsung)，另一是平面电池组采用被动式进料(如Fujitsu、Hitachi)。这些燃料电池的功率约在20W上下，燃料电池均搭配电脑内的二次锂电池混合供电。目前的发展均采用外挂型，也就是在功能上，燃料电池仅取代笔记型电脑的直流电源供应器，笔记型电脑依然配备二次锂电池，所以在本身的设计并没有作任何变更。未来的发展势必会将电池整合到电脑内。Motorola、MTI与其他公司自1990年代即开始发展手机用直接甲醇燃料电池。在这方面的发展因微小化的技术瓶颈，并不易突破。手机均为扁薄造型，待机时所需的消耗功率在数瓦以下，因此燃料电池组采用平面式串联，被动式进料。Toshiba在2008年发表使用燃料电池的手机(图7b)。该手机外型几乎与现有手机完全相同。德国SmartFuelCell(EFOY，EnergyforYou，图7c)开始推出600、900、1，200、1，600Wh充电能量的携带型电源供应器。这些电源供应器的功率分别是25、38、50、65W。美国MTIMicroFuelCell发展出所谓的mobion技术，该技术在电极结构与材料上作了特殊的设计，使得电池可以直接使用高纯度的甲醇进料。图7d是该公司发展出用于数位相机的直接甲醇燃料电池。技术瓶颈与未来发展随着3C电子产品的发展，对于具有高能量携带电源的需求与日俱增。直接甲醇燃料电池作为携带电源的发展历史相较于其它燃料电池的发展为短。在技术上仍有一些瓶颈需要突破。它发展的初期，电池直接使用以氢气作为燃料的质子交换膜燃料电池的材料与结构(电极触媒、质子交换膜等)。然而液态甲醇的电化学活性、物性、化性、操作环境和氢气大不相同，因此直接甲醇燃料电池的科技演进主要是在材料上的开发。早期各型燃料电池的发展焦点是千瓦级以上的分散式发电或各型电动车的供电系统。直接甲醇燃料电池是由于3c电子产品的兴起而开始蓬勃的发展。这些3C电子产品轻、薄、短、小的特质使得直接甲醇燃料电池面临到微小化、大众消费习惯、安全、携带的问题。因此直接甲醇燃料电池在技术上的另一发展焦点是发展系统的微型化、耐久性。甲醇在阳极氧化会产生中间产物CO，造成电极中毒的现象。在电池内电极材料的发展上，阳极现使用铂钉(PtRu)触媒，加速CO氧化成CO2的速率，解除阳极中毒的现象。即使如此，甲醇在阳极氧化速率仍然偏低，需要改良电极的结构与制程，提高电极的活性。此外，电极内使用具质子传导且具黏结功能的Nafion高分子。含Nafion的电极浸渍在甲醇溶液中，Nafion分子膨润会造成电极触媒的松脱，减短电极的操作寿命。技术上需要开发尺寸安定(dimensionstable)、具质子传导功能、与电极制程相容的高分子。薄膜现在使用具质子传递功能的Nation高分子薄膜。在甲醇溶液的环境下，甲醇与水会伴随着氢离子的迁移由阳极渗透到阴极。甲醇在阴极会降低电池输出的电压。渗透到阴极过多的水会造成阴极淹水现象，也会降低电池的输出电压。各研究机构正致力发展能降低甲醇与水渗透的质子交换膜。主动式进料系统中周边设备的微小化是系统需要克服的技术瓶颈。这些周边设备包括：风扇、泵浦、阀件、感测元件、电源管理、控制电路等等。微小化除了体积需要缩小之外，消耗功率也要降低，提高系统整体的输出功率。微小化以现有微机电技术应该可以克服这些技术瓶颈。结语随着3C电子产品的发展，对于具有高能量携带电源的需求与日俱增。直接甲醇燃料电池在理论上具有相当高的能量密度，使用携带便利的液态燃料，正符合各种携带电子产品所需。日、韩、美、德许多电子公司对于电池在笔记型电脑、手机等携带式电子产品上均有应用产品的展示。这些展出显示直接甲醇燃料电池在这方面应用的可行性。然而在微小化、材料寿命与功能上仍有技术瓶颈需要克服。
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