英国科学家日前成功研制出新一代燃料电池，有望代替笔记本电脑上的充电电池。

 

不久的将来，也许笔记本电脑用户再也不用关掉电脑为电池充电了。新燃料电池的能源来自于一节小小的甲醇燃料电池，当电量用完时，用户只需要将另一块电池插入电池组的凹槽处即可，就像为笔更换笔芯一样简单。

 

据英国媒体报道，由位于英国剑桥的CMR燃料电池公司开发的高性能紧凑型燃料电池，将替代笔记本电脑上的充电电池。

 

燃料电池时代大约开始于1839年英国科学家William Grove发表的一篇介绍铂选择催化氢氧燃料电池的论文，但直到20世纪60年代，这一理念才被运用于实践。迄今为止，燃料电池所面临的主要挑战是成本 高、性能低。由于贵金属材料用做催化剂，燃料电池的费用比传统发动机的运行成本昂贵，并且产生的能力密度也相对较低。

 

如何开发出一种性能更高、体积更小的燃料电池，CMR技术总监Michael Priestnall设想，如果能找到一种替代传统铂催化剂的物质作用于燃料电池的两极，也就意味着空气和燃料混合的新型电池组有可能诞生。

 

与电池的相似之处是，燃料电池会产生恒定电流。不同之处在于，它们通过外部的燃料供应 （阳极）和氧化剂（阴极）来产生电流。这是一个在催化剂作用下产生电化学反应的过程。其工作原理是，通过反应物的导入和生成物的导出，直接将化学能源转化 成高效能的电流。燃料电池实际上就是将持续的化学能转变为持续的电流。高效能、无噪音、低排放是这一技术最为突出的几大优点。

 

目前，这种比传统燃料电池或现在的锂离子蓄电池体积更小、质量更轻的廉价且高效能的燃料电池即将走向应用，该技术有望应用于韩国和日本大型个人电脑和笔记本制造商的产品。

相关资料介绍

氢氧燃料电池 hydrogen oxygen fuel cell
 

 

　　以氢气作燃料，氧气作氧化剂，通过燃料的燃烧反应，将化学能转变为电能的电池。
　 　氢氧燃料电池工作时，向氢电极供应氢气，同时向氧电极供应氧气。氢、氧气在电极上的催化剂作用下，通过电解质生成水。这时在氢电极上有多余的电子而带负 电，在氧电极上由于缺少电子而带正电。接通电路后，这一类似于燃烧的反应过程就能连续进行。当使用氢化钾溶液作电解质时，在氢电极上的反应为


在氧电极上的反应为


若不考虑中性水中存在的低浓度的离子，那么总的反应就可以用燃烧反应来表示：

　 　氢氧燃料电池的关键是电极结构和排除反应过程中生成水的辅助设备。电极结构问题主要是选择一种合适的催化剂，以使氢成为水合质子和氧成为氢氧根离子的反 应能在尽可能低的过电位下有效地进行。已采用的电极材料可分为以金属为基底和以碳为基底两类。不论选择何种材料和结构形式，电极中细孔的大小及其分布是很 重要的。在这些细孔里，必须建立电极材料、气体、电解液三者之间的三相界面，既不允许这些细孔被气体“充斥”，也不允许被电解液“淹没”。
　　氢 氧燃料电池将化学能连续地转变为电能的效率比普通火电站经由一般的燃烧反应产生热能，再将生成的热能转变为电能的效率高得多。这是由于热机的效率在理论上 不能超过卡诺机的效率，式中T1为高温热源的温度，在普通火电厂，T1即为锅炉中蒸汽温度；T2为低温热源的温度，即为汽轮机排出的废汽的温度。由于摩擦 和热损失，热机的效率实际上远小于这一极限效率。氢氧燃料电池几乎是在等温条件下工作的，不存在化学能转变为热能的中间过程，因而它的效率不受卡诺机热效 率的限制，在理论上它可以达到100％的效率。
　　氢氧燃料电池结构简单、转换效率高、比能高、工作时无噪声、无污染、有很强的过载能力，特别是 其重量功率比随时间的增加比一般二次电池慢得多，故很适于作宇宙飞船的电源。但由于它的电极材料必须使用对氢和氧气具有很高的电催化活性的金属铂、钯、 镍、银，因此氢氧燃料电池的制造成本较高。

氫氧燃料電池基本原理, 組成材料, 應用領域

資料來源:

http://www.nsc.gov.tw/dept/acro/version01/battery/electric/types/fuel.htm

燃料電池的發電藉由外界輸入的燃料 ( Fuels ) 為能量源，使其能持續產生電力，不須二次電池所需的充放電程序。以往燃料電池的研究著重於大型的發電機組，少部份則是關於小型攜帶式電源，近期才開始用以替代電池的應用。

　　以往燃料電池的研發工作集中於磷酸型 ( PAFC，phosphate fuel cell )、熔融碳酸鹽型 ( MCFC，melt carbonate fuel cell ) 與固態氧化物型 ( SOFC，solid oxide fuel cell ) 等，但近來質子交換膜型 ( PEMFC，proton exchange membrane fuel cell ) 已廣被重視而成重點開發技術之一。由於 PEMFC 使用濕潤化 Nafion 型高分子膜作為電解質層，因此操作溫度必須控制在 100 ℃ 以下，此種低溫條件使電極中的白金觸媒對 CO 的抵抗力減弱，造成燃料氣體中的 CO 濃度需要嚴格的限制。然而 Nafion 膜的質子傳輸效率極佳，因而可提高反應使用的電流密度，再加上低溫與非腐蝕性的特性，使得此種電池具有重量輕、體積小、啟動快與機組材料選擇性大等各項優點。

也因為前述的各特性，PEMFC 目前正積極應用於車輛動力系統、現場型發電機組與小型攜帶式電力裝置上。前兩種應用，因需考慮燃料處理設備導致系統較為複雜，且須與造價較低的傳統技術競 爭，故短期內尚無法商業化。但在小型攜帶電力方面，如筆記型電腦、無線電話、攝錄影機等大多採用高價值的鎳氫或鋰電池的部分，PEMFC 則有機會與之競爭。

 

基本原理

燃料電池是藉由電池內發生燃料燃燒反應而將化學能轉換為電能的裝置，負極除作為燃料與電解質的共同介面，並對燃料的氧化反應作催化；而正極則為氧氣與電解質的共同介面，亦對氧的還原作催化。燃料電池因電解質不同而有不同的名稱，有磷酸型 ( PAFC，phosphate fuel cell )、熔融碳酸鹽型 ( MCFC，melt carbonate fuel cell ) 與固態氧化物型 ( SOFC，solid oxide fuel cell ) 與質子交換膜型 ( PEMFC，proton exchange membrane fuel cell )等。

　　對於以氫氧作燃料的燃料電池反應示意圖如〔圖一 〕所示，而其於鹼性溶液中的電極反應為：

正極 1/2O₂ + H₂O + e^- -------> 2OH^-

負極 H₂ + 2OH^- -------> 2H₂O + e^-

全反應 1/2O₂ + H₂ -------> H₂O

　　上述反應僅為氫氧燃料電池的反應式，對所採取的不同燃料反應亦將有所改變。而為加速電極反應，電極中通常會加入催化劑如鉑，但鉑在 150℃ 時會被 CO 所毒化而失去催化的效果，因此多加入銠或銥於鉑之中。一般而言，對氧氣最佳的催化劑為少量含金或銀的鉑鈀混合物。此外，燃料電池將化學能轉化為電能的效率相當高，約為60%~90%之間。

〔 圖一 〕以氫氧作燃料的燃料電池反應示意圖

 

組成材料

在燃料的部分，氫的儲存上通常是以壓縮氣體存於氫氣桶中，而氧則可取自大氣或一樣由鋼桶中的壓縮氧氣提供；但若所採取的是液態燃料，則另需以適當容器盛裝。

　　在電極與電池的組成部分，在此以質子交換膜型 ( PEMFC ) 氫氧燃料電池的結構來說明，如〔 圖二 〕。在上下兩壓板上分別有氧氣與氫氣的進出口，透過流場板的導引使之進行反應；圖中的 MEA ( Membrane Electrode Assembly ) 即為質子交換膜，並加入墊片以防止漏氣。

〔 圖二 〕質子交換膜型 ( PEMFC ) 氫氧燃料電池的結構

 

 

應用領域

燃料電池的應用目前受限於其體積，多用於發電機組上，或亦有用於太空船的部分，〔圖三 〕為燃料電池部分應用領域示意圖。

〔 圖三 〕燃料電池部分應用領域

　　目前的趨勢著重於電動車的應用上，並且已有採用燃料電池發電的電動車出現；以及透過小型化的技術將之運用於一般 消費型電子產品。可以預期的是，在技術的進步下，未來小型化的燃料電池將可用以取代現有的鋰電池或鎳氫電池等高價值產品，作為用於筆記型電腦、無線電電 話、錄影機、照相機等攜帶型資訊、通訊與電子產品的電源。

　　因為目前使用筆記型電腦的最大不便處多是所用電池的使用時間不足，及充電時間太長這兩點。而燃料電池因為不需充電 ( 僅需補充燃料 )，以及具有較長的使用時間的優勢下，若能再克服一些技術上的瓶頸則將可與現有的二次電池競爭市場。