笔记本电脑用户都深有感受,仅是供电的锂离子蓄电池（LIB）的重量就高达几公斤之多。笔记本电脑等便携式电子设备的设计者更是苦恼万分,微处理器的功耗每10年增长100倍,而LIB的容量大约每10年仅提高2倍左右,如何解决？
 Intel公司的1GHz时钟频率的PentiumIII微处理器的功耗已高达36W,而现代18650型（直径18mm、高65mm、重量为45g）的LIB,仅有7.4Wh的容量。富士通公司的实验数据表明,一台普通的笔记本电脑平均功耗为50W;若让它工作10小时,需要500Wh的电力;以上述的LIB供电,不得不用68块LIB的电池组供电,其重量将达3kg。
面对上述的事实,很多技术人员认为,对LIB不能再抱有幻想。因为现在常用的蓄电池（NiCd、NiMH、LIB）的能量密度虽然每年都有所提高,但是他们的发展潜力有限。于是,人们把目光集中到燃料电池,期望一种小巧的燃料电池问世,摆脱LIB的束缚,取得便携式电子机器设计上的更大自由度。
因为现行的LIB确实有很多弊端,电流容量不够大,价格很高,而且需要具备过压过流保护的充电设施。然而,燃料电池的能量密度比LIB蓄电池高出10倍,一旦商品化的价格将不超过现行蓄电池的价格,并且所用的燃料能随处可以补给。于是,人们开始关注燃料电池未来的技术和市场发展前景。本文仅就大家关注的问题做简单介绍。 市场
随着环境问题越来越受到重视,人类社会需要零排放汽车,刚好燃料电池的研究在固体高分子型燃料电池上露出曙光。于是,在1997年,汽车厂商们发表了燃料电池驱动汽车的实用化宣言,直接促进研究开发活动。许多厂家都宣称：“2003～2005年时,将实现燃料电池车辆实用化。”
以前,燃料电池研究与开发一直处于摸索阶段,虽然燃料电池在个别工厂或旅馆里应用,可是进展十分缓慢。正是由于汽车世界的举动,点燃了研究与开发燃料电池的烈火。随后,住宅供电研究的厂家也看到希望,开始紧张地投入燃料电池的研究与开发;开发燃料电池的热潮也波及到便携电子设备开发领域,把小巧燃料电池作为正式开发项目。然而,在汽车领域应用的燃料电池开发,技术难度远超过设想的程度,材料成本居高不下,燃料供应整合等都是阻挡实用化的难关。
便携式电子设备厂家多年来受LIB的困扰,苦于没有出路,汽车领域里燃料电池的曙光激发出开发小巧燃料电池的激情,一发不可收拾。最先投入研究与开发的是欧美风险企业,日本便携式电子设备制造商跟随其后,紧追不舍,这些厂家参与燃料电池开发,激情澎湃,各自大胆采用新材料,并且相继获得突破性进展,于2001年里分别发表小巧燃料电池试制品。日本便携式电子机器厂家普遍认为,小巧燃料电池已经达到可以取代LIB的水平。
在这样的竞相开发小巧燃料电池的态势下,住宅供电系统开发厂家和汽车动力系统厂家已经看到小巧燃料电池试制品的后来居上之势,也都加快研究与开发的步伐。他们清楚地知道,新材料适用于便携式电子机器的小巧燃料电池未必不适用于汽车和住宅供电系统的燃料电池;如若不迅速跟上去,便携式电子机器厂家也很可能将要涉猎到汽车和住宅供电系统的巨大市场。也就是说,在开拓当今世界燃料电池潜在市场的竞赛中,已显现出以小巧燃料电池带动大电力燃料电池市场的竞争态势。 技术
现在燃料电池研究与开发集中在四大技术方面：（1）电解质膜;（2）电极;（3）燃料;（4）系统结构。日美欧各厂家开发面向便携电子设备的燃料电池,尤其重视（1）～（3）方面的材料研究与开发,图2列出一些重要的燃料电池研究课题。
 电解质膜之所以重要,因为它只允许质子（H+）穿过,而不应该允许未分解的燃料渗透过去。一般高分子固体电解质膜（Nafion）,当燃料电极利用氢气H2作为燃料时,它只允许质子H+穿过;但是,若燃料电极上充满甲醇水溶液时,这种Nafion电解质膜竟然允许甲醇渗透过去,不能发挥出燃料电池作用。日立公司针对这样情况,现已研制出一种比Nafion能阻挡甲醇溶液渗透的电介质膜;目前,这种电介质膜的甲醇渗透率降低到Nafion的1/10,其研究目标是要达到1/25～1/50 Nafion的渗透率。日本Sony公司使用C60作为电介质膜,该膜不必加湿（在-20℃～+100℃）就能很好地传送质子H+,并且利用H2作为燃料已成功地试制出燃料电池。至于在燃料电极注入甲醇溶液（1克分子甲醇和1克分子水）后,立即反应成CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-,由C60电介质膜迅速把H+传导到空气电极与O2反应,而有效阻止甲醇溶液渗透等,都未正式公布。
燃料电池中仅次于电解质膜的构件材料便是电极材料,通过它可提取出由甲醇溶液经过分解反应生成的H+（质子）和电子。在电极处的反应,Pt发挥催化作用。反应速度是与Pt粒子的表面成正比,所以力求Pt的粒子直径要小,争取每单位重量有更大的表面积。实践证明,Pt粒子的直径一小下来,会出现多个Pt颗粒凝聚而降低催化能力的问题。NEC公司基础研究所发现碳原子纳米锥状结构（Carbon Nano-horn）上可附着2nm直径的Pt颗粒（Pt原子直径为0.3～0.4nm）,并且Pt不含凝聚。于是,NEC利用Carbon Nano-horn材料作为电极试制出以甲醇为燃料的燃料电池。
关于燃料电池的第三方面研究课题是燃料选择。难道只能用H2和CH3OH做燃料吗？日本工学院大学工程部研究人员竟然提出BH4燃料,以吸附氢的合金做为电极,同时也做为氢的还原剂和催化剂。现在从理论上认为,BH4+4OH→BO2+6H2O+8e-,燃料电池的输出电压可达1.64V。据说,尽管燃料昂贵,但是可循环再利用。从中可以看到,随着介入研究与开发燃料电池的单位和人数的增多,思路更开阔,开始向前人未曾进入的领域进行广泛探索。
第四方面的研究课题是燃料电池的系统结构,前三个方面是构成燃料电池的必要准备,而系统结构是燃料电池的最终结果。由于小巧燃料电池将是与半导体集成电路一起应用,系统结构受到特殊约束。因为用于汽车的燃料电池是层叠结构,体积和重量稍大些也是可行的;然而,在便携式电子设备里应用的燃料电池,必须是高密度装配的。这时对于汽车和家庭住宅供电系统的开发商是严重挑战,可是对于便携式电子设备制造商商刚好是一种机遇,可在高密装配方面大显身手。成功地试制品实例,不胜枚举。最为突出的系统结构部件,堪称是电解质膜和电极一体化的MEA（Membrane and Electrode Assembly）结构。它是先在活性碳电极表面上涂有高分子电解质膜,然后浸入Pt离子溶液（使微量Pt渗入空隙,制成电解质膜-电极一体化结构。它的优点是便于制造平板型燃料电池组,而且Pt用量由 0.1mg/cm2下降到0.01mg/cm2,堪称经济、实用的燃料电池结构部件。 前景
汽车制造商开发燃料电池的举措引起住宅供电系统厂家和便携式电子设备制造商开发燃料电池的热情。便携式设备厂家介入燃料电池领域,直接促进半导体技术与燃料电池技术的融合;新材料技术相继获得突破性进展,半导体高密度组装技术的应用,使得形形色色的小巧燃料电池试制品层出不穷。2001年是小巧燃料电池试制品喜获丰收,如德国Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems公司试制出9W的燃料电池,美国Lucent Technologies试制出0.5～20W的平板状燃料电池,美国Mechanical Technology试制出1.2W（MEA结构）燃料电池,德国Smart Fuel Cell公司试制出25W的燃料电池……
便携式半导体厂家在小巧燃料电池领域取得节节胜利,对于汽车和住宅供电系统的燃料电池开发商是极大鼓舞,可以供鉴新技术,开阔开发思路。今后几年的一段时间内,将掀起研究与开发燃料高潮。据预测,小巧燃料电池产品将于2005年在便携式设备中开始实用化,在汽车和住宅供电系统里,燃料电池产品也将相继开始实用化。预计在2005年以后的5年间,燃料电池产品技术将获得充实提高,2010年将是燃料电池产品技术开始广泛普及应用的一年。届时,人们将真正开始跨入分散供电的新时代。确切地说,燃料电池的实用化将为因地制宜分散供电复合系统增添生力军,因为分散供电系统的大家族中已有很多成员（太阳能电池、风力发电……）。分散供电是人类的理想,燃料电池的出现为实现这一理想跨进一步。燃料电池技术也和其他任何一种技术一样,都不是十全十美的。它的能量密度比较大是优点,然而功率密度不高,也限制它的广泛应用。因此,所谓燃料电池应用具有广阔的发展前景,应该是燃料电池协同其他各种技术的综合应用的广阔发展前景,它在向我们招手。
（贾明）
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