微型燃料電池充電器

歐騰蛟，唐有根，梁叔全，鐘發(fā)平

(1. 湖南科力遠(yuǎn)新能源股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410205； 2. 中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；3. 中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

·綜 述·

微型燃料電池充電器

歐騰蛟1，2，唐有根2，梁叔全3，鐘發(fā)平1

(1. 湖南科力遠(yuǎn)新能源股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410205； 2. 中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；3. 中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

燃料電池技術(shù)在20世紀(jì)90年代開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用開(kāi)發(fā)階段，最早推出產(chǎn)品的是微型燃料電池充電器。在5 a時(shí)間內(nèi)，先后有若干款微型燃料電池充電器產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，雖然銷量不如鋰離子電池產(chǎn)品，但有更高的能量密度及更長(zhǎng)的使用壽命。

燃料電池； 充電器； 消費(fèi)電子產(chǎn)品

在燃料電池各種應(yīng)用中，微型燃料電池充電器早在十年前就有產(chǎn)品推出，當(dāng)時(shí)產(chǎn)品的定位是移動(dòng)、便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品市場(chǎng)。由于近幾年鋰離子電池相關(guān)產(chǎn)品的快速發(fā)展，微型燃料電池充電器在市場(chǎng)上表現(xiàn)不如人意，甚至很多企業(yè)放棄了針對(duì)該類產(chǎn)品的研發(fā)。少數(shù)企業(yè)將此類產(chǎn)品進(jìn)行重新定位，作為針對(duì)小眾市場(chǎng)的戶外野營(yíng)、登山等使用的應(yīng)急電源。

本文作者對(duì)已上市的幾款微型燃料電池充電器進(jìn)行概述，包括產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原理、性能特點(diǎn)及市場(chǎng)情況。

1 微型燃料電池充電器

微型燃料電池充電器的輸出功率較小，發(fā)電過(guò)程產(chǎn)生的熱量少，使用空冷的方式即可[1]。微型燃料電池充電器的結(jié)構(gòu)組成主要包括燃料存儲(chǔ)單元、電路控制單元(DC/DC轉(zhuǎn)換)、氣壓控制單元(背壓)、電源啟停和電量?jī)?chǔ)存單元(二次電源)。燃料如果是甲醇，可簡(jiǎn)單地儲(chǔ)存在普通容器中，但是氫氣就要通過(guò)特殊介質(zhì)儲(chǔ)存。有的充電器產(chǎn)品使用儲(chǔ)氫合金粉[2]，有的使用能在常溫常壓下快速與水化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的固體粉末，如硼氫化鈉或鋁粉等。這種固液反應(yīng)體系需要一定量的催化劑來(lái)控制反應(yīng)速率，進(jìn)而控制氫氣釋放速率[3]。有的充電器在系統(tǒng)中配置了1只二次電池，既可存儲(chǔ)燃料電池發(fā)出的多余的電量，也可單獨(dú)給電子負(fù)載供電，增加充電器的電量輸出。燃料電池和二次電池輸出的能量，通過(guò)電子元器件穩(wěn)壓后，以5.0 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓輸出。

微型燃料電池充電器里的很多部件是簡(jiǎn)化的，加濕器就是其中之一。在kW級(jí)別以上的燃料電池系統(tǒng)中，燃料需要進(jìn)行先加濕再進(jìn)入電池發(fā)電；而在微型燃料電池充電器中，燃料的加濕是由陰極反應(yīng)生成的水通過(guò)質(zhì)子交換膜反擴(kuò)散到陽(yáng)極實(shí)現(xiàn)的[4]。微型燃料電池充電器一般沒(méi)有空氣壓縮輸送單元，空氣通過(guò)自由擴(kuò)散到陰極，與從質(zhì)子交換膜擴(kuò)散過(guò)來(lái)的質(zhì)子反應(yīng)生成水；水也是自由擴(kuò)散排出的[5]。

2 產(chǎn)品現(xiàn)狀

2009年10月，東芝公司推出世界上首款商用燃料電池充電器Dynario[6]。該產(chǎn)品每次使用14 ml甲醇作為燃料，可為電子負(fù)載提供11 Wh的電量。產(chǎn)品中使用了大量的微型泵、閥門和微控制器等部件，設(shè)計(jì)比較成熟，但售價(jià)較高，約折合人民幣2 200多元，當(dāng)時(shí)限量發(fā)行3 000部。

2010年6月，新加坡Horizon公司推出名為MiniPak的袖珍式燃料電池充電器，利用USB接口為電子器件連續(xù)提供約2 W的功率輸出[7]。充電器只有手掌大小，氫氣儲(chǔ)存在一個(gè)叫hydrostik的罐子里。儲(chǔ)氫罐里裝有以LaNi5為主要成分的儲(chǔ)氫合金粉，氫氣在2 MPa壓力下壓進(jìn)儲(chǔ)氫罐，儲(chǔ)存在儲(chǔ)氫合金粉中。儲(chǔ)氫罐的設(shè)計(jì)承壓是3 MPa，最多能儲(chǔ)存氫氣2.3 g，儲(chǔ)存的氫氣量可產(chǎn)生12 Wh的能量。這一產(chǎn)品的售價(jià)在1 000元人民幣以內(nèi)，提高了同類產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

2011年，日本Aquafairy公司開(kāi)發(fā)了像片狀口香糖一樣的燃料電池充電器Mobile Aqua[8]。這款產(chǎn)品利用基于塑料的成形技術(shù)，對(duì)電極和電解質(zhì)膜等進(jìn)行一體化組裝，未使用容積大且重的陶瓷零部件及金屬螺栓和螺母類。與之前燃料電池產(chǎn)品不同的是，Mobile Aqua使用的燃料是固體“氫化鈣”。當(dāng)燃料電池充電器發(fā)電時(shí)，只需要往固體燃料中加入水就可以產(chǎn)生氫氣。

2012年，瑞典myFC公司推出的PowerTrekk 1.0燃料電池充電器采用了類似的固體氫源，儲(chǔ)氫材料為硅化鈉(Na2Si)。此物質(zhì)本身不含氫，但可與水反應(yīng)，釋放氫氣。myFC的燃料電池分為3個(gè)部分：制氫、發(fā)電和儲(chǔ)電[9]。電池可分開(kāi)使用，制氫為一體，發(fā)電/儲(chǔ)電為一體。這款電池剛開(kāi)始的售價(jià)約折合1 400元人民幣，到2014年降至800多元。Power Trekk是迄今為止出貨量最多的微型燃料電池充電器產(chǎn)品。

2012年，江蘇中靖新能源科技推出了JS-Power多功能氫能發(fā)電器[10]。這款充電器的額定功率為4～8 W，結(jié)構(gòu)上也分為制氫、發(fā)電和儲(chǔ)電等3個(gè)部分。該產(chǎn)品的氫氣發(fā)生器設(shè)計(jì)在正中央，鋁粉(或鋁片)加上氫氧化鈉及催化劑，與水反應(yīng)后釋放氫氣。鋁粉(或鋁片)最大的優(yōu)勢(shì)是價(jià)格便宜，每加一次燃料只需要4元人民幣，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)明顯。

2013年，英國(guó)Intelligent Energy公司推出一款體積極小且造價(jià)低廉的“Upp”燃料電池充電器[11]。這款產(chǎn)品附帶一個(gè)支持iOS和Android設(shè)備的應(yīng)用程序，可控制移動(dòng)設(shè)備的充電程度。與MiniPak一樣，采用固體儲(chǔ)氫合金作為氫源，每個(gè)燃料盒充滿氫氣后，可產(chǎn)生25 Wh的電量。Upp甚至被蘋果公司看上，專門開(kāi)發(fā)了App，可在英國(guó)各大專賣店銷售。由于加氫機(jī)沒(méi)有配套銷售，消費(fèi)者需要去Intelligent Energy公司提供的加氫店去補(bǔ)充氫氣，限制了Upp的應(yīng)用。

2013年，美國(guó)Lilliputian Systems公司打造了一款燃料電池充電器Nectar，產(chǎn)品外形與移動(dòng)硬盤接近[12]。與其他產(chǎn)品不同的是：Nectar選用固體氧化物燃料電池(SOFC)的發(fā)電模式，以丁烷為燃料。SOFC的工作溫度在500 ℃以上，高溫工作的電池大大增加了小型燃料電池的設(shè)計(jì)難度。這款設(shè)備在美國(guó)開(kāi)售時(shí)的價(jià)格折合2 000元人民幣，需要定期更換的丁烷售價(jià)也比甲醇等燃料貴。

2014年，myFC公司將PowerTrekk升級(jí)到PowerTrekk 2.0，額定功率由原來(lái)的2.5 W升級(jí)到6.5 W，內(nèi)置的鋰離子電池的容量提高到3 800 mAh，尺寸不變，質(zhì)量增加30 g，價(jià)格不到1 300元人民幣[13]。2015年，myFC公司推出純?nèi)剂想姵啬KJAQ產(chǎn)品，燃料盒可提供1 800 mAh的電量，能將一部iPhone 6手機(jī)充滿電。此產(chǎn)品在體積和質(zhì)量方面都有改善，主機(jī)約200 g、燃料盒約40 g，便攜性較好[14]。

燃料電池是發(fā)電設(shè)備，本身沒(méi)有儲(chǔ)存功能，因此燃料電池做成產(chǎn)品的時(shí)候通常還需要搭載電池。從實(shí)際配置來(lái)看，燃料電池充電器一般搭載鋰離子電池，也有搭載電容的。為了達(dá)到結(jié)構(gòu)緊湊的目的，Powertrekk和Upp搭載的是軟包裝方形鋰離子電池；而JS-Power配置的是18650型鋰離子電池，可達(dá)到較大容量的效果。

近幾年微型燃料電池充電器產(chǎn)品的詳細(xì)信息見(jiàn)表1。

表1 微型燃料電池充電器的主要參數(shù)對(duì)比 Table 1 Comparison of key parameters of micro fuel cell chargers

從表1可知，微型燃料電池充電器的設(shè)計(jì)尺寸通常以手掌大小作為參考，質(zhì)量集中在100～700 g。這樣的尺寸和質(zhì)量，可滿足便攜的要求。甲醇和固體儲(chǔ)氫是燃料的主流方向。甲醇易儲(chǔ)存和攜帶，發(fā)電量大，且價(jià)格不貴；但使用甲醇發(fā)電，一定時(shí)間后催化劑會(huì)中毒喪失活性[15]，縮短電池的壽命。采用氫氣發(fā)電，氣體或以壓縮的方式儲(chǔ)存，或儲(chǔ)存在固體化合物中。以氣體形式儲(chǔ)存，可控制氣體釋放速度，但體積較大；儲(chǔ)存在固體化合物中，雖然具有較高的能量密度和比能量[16]，但如何控制氫氣釋放速率是個(gè)難點(diǎn)。

3 性能分析

微型燃料電池充電器的電堆一般由2～10片單體電池串聯(lián)，以提高輸出電壓和功率。為了增強(qiáng)產(chǎn)品的便攜性，單體電池串聯(lián)組堆的方式都是經(jīng)過(guò)特別設(shè)計(jì)。圖1描繪了燃料電池充電器常見(jiàn)的3種串聯(lián)方式。

圖1 微型燃料電池充電器電堆的3種串聯(lián)方式

串聯(lián)方式1采用共用氫氣流場(chǎng)板，兩片單體電池安放在流場(chǎng)板的兩端。氫氣從流場(chǎng)板中間進(jìn)出，在流場(chǎng)板兩側(cè)擴(kuò)散至陽(yáng)極。這樣的設(shè)計(jì)可以節(jié)省部件，而且流場(chǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[17]，容易制造，流場(chǎng)板還通過(guò)使用塑料材料來(lái)減輕產(chǎn)品的質(zhì)量。串聯(lián)方式2中，燃料電池不是上下疊加，而是平鋪在一塊共同的氫氣流暢板上，通過(guò)導(dǎo)線串聯(lián)。所有單體電池的陽(yáng)極朝下，陰極朝上，生成的水可通過(guò)吸收熱量向上蒸發(fā)。這樣的設(shè)計(jì)減小了產(chǎn)品的厚度，方便攜帶。串聯(lián)方式3與常規(guī)氫空燃料電池組堆方式一樣，陰極通道設(shè)計(jì)成像隧道一樣的通孔。前兩種設(shè)計(jì)方式可獲得較大的陰極活性面積，空氣在自由擴(kuò)散狀態(tài)下也可接觸到所有的活性面積；串聯(lián)方式3由于設(shè)計(jì)成隧道一樣的通孔，空氣在通孔內(nèi)擴(kuò)散的阻力較大，不能使用自呼吸方式，需要外加載風(fēng)扇加快空氣的流動(dòng)。

本文作者分析了4款充電器產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能，分別是JS-Power、Powertrekk 1.0、Upp和MiniPak。測(cè)試設(shè)備為PEM質(zhì)子交換膜100 W測(cè)試系統(tǒng)(寧波產(chǎn))，環(huán)境溫度為25 ℃，進(jìn)氣未加熱加濕，氫氣進(jìn)氣速率不低于100 ml/min，空氣根據(jù)工作方式采用自呼吸或風(fēng)扇模式。在恒功率模式條件下穩(wěn)定輸出30 s后測(cè)試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2、圖2。

表2 微型燃料電池充電器產(chǎn)品的實(shí)測(cè)性能

Table 2 Actual performance measurements of micro fuel cell chargers

產(chǎn)品名稱電堆組成串聯(lián)方式膜電極活性面積/cm2空氣輸送方式實(shí)測(cè)最大功率/W最大功率密度/mW·cm-2JS?Power2串方式122 9自呼吸3 0131Powertrekk1 04串方式28 9自呼吸2 5281Upp5串方式39 5風(fēng)扇5 9624MiniPak2串方式115 0自呼吸2 1141

圖2 Upp燃料電池充電器自呼吸模式與風(fēng)扇模式實(shí)測(cè)性能

Fig.2 Performance of Upp fuel cell charger operated under self-breathing mode and fan mode

從產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分析可知：JS-Power和MiniPak均采用串聯(lián)方式1，實(shí)際測(cè)得的最大功率密度為130～140 mW/cm2。Powertrekk 1.0采用串聯(lián)方式2，單體串聯(lián)數(shù)增加，因此也提高了氫氣在燃料電池陽(yáng)極的停留時(shí)間和轉(zhuǎn)化率，實(shí)測(cè)的最大功率密度要高于JS-Power和MiniPak。Upp采用經(jīng)典的氫空電堆模式，如果采用自呼吸模式，電堆產(chǎn)生的最大功率密度(見(jiàn)圖4)約200 mW/cm2；如果采用風(fēng)扇模式，由于加強(qiáng)了空氣的擴(kuò)散速率，最大功率密度提高至600 mW/cm2以上，接近氫空電池的極限功率密度[18]。

雖然串聯(lián)方式2比串聯(lián)方式1更合理，理論上可串聯(lián)較多的單體電池，但自呼吸模式的性能有較大的瓶頸，主要受制于空氣擴(kuò)散速率。采用串聯(lián)方式3可提高產(chǎn)品的功率密度，但會(huì)增加部件(風(fēng)扇)及帶來(lái)的噪音，降低產(chǎn)品的體驗(yàn)感。

4 市場(chǎng)預(yù)測(cè)

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，多數(shù)買家只能接受700元人民幣以內(nèi)的燃料電池充電器，只有不到5%的買家會(huì)考慮2 000元人民幣以上的。燃料電池充電器生產(chǎn)商的首要任務(wù)，是把產(chǎn)品的售價(jià)降至700元人民幣以內(nèi)?，F(xiàn)在市面上的微型燃料電池充電器中，最便宜的要數(shù)2016年剛上市的JAQ產(chǎn)品，售價(jià)不到500元人民幣。此外，更換的燃料價(jià)格也不能太貴，否則二次使用成本過(guò)高。myFC公司的JAQ產(chǎn)品更換燃料需要7元人民幣，可發(fā)出1 800 mAh的電量，比普通鋰離子電池充電寶的充電成本高太多。在目前階段，燃料電池充電器只能定位于特殊場(chǎng)合需要的備用電源或應(yīng)急電源。

已上市的微型燃料電池充電器，額定輸出功率集中在2～6 W，將一部智能手機(jī)(如iPhone 6的電池容量為6.7 Wh)充滿電需要1～3 h；而消費(fèi)級(jí)電子產(chǎn)品，如iPad的功率為12 W，筆記本電腦的功率一般在40～60 W，因此，燃料電池充電器的輸出功率需要向更大級(jí)別發(fā)展。采用自呼吸模式的串聯(lián)方式不能滿足要求，只能采用風(fēng)扇模式。雖然固體合金粉儲(chǔ)氫能保證安全性，但是加氫過(guò)程麻煩。英國(guó)Intelligent Energy公司是讓消費(fèi)者將使用完的儲(chǔ)氫罐寄回，由生產(chǎn)商重新加滿氫氣，這種方式降低了產(chǎn)品的便捷性。

微型燃料電池充電器在特殊領(lǐng)域與場(chǎng)合的應(yīng)用前景依舊被看好，隨著技術(shù)進(jìn)步與規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，生產(chǎn)成本與使用成本逐漸下降，市場(chǎng)可能會(huì)逐步發(fā)展起來(lái)。

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Micro fuel cell charger

OU Teng-jiao1，2，TANG You-gen2，LIANG Shu-quan3，ZHONG Fa-ping1

(1.HunanCorunNewEnergyCo.，Ltd.，Changsha，Hunan410205，China；2.ChemistryandChemicalEngineeringInstituteofCentralSouthUniversity，Changsha，Hunan410083，China；3.MaterialsScienceandEngineeringInstituteofCentralSouthUniversity，Changsha，Hunan410083，China)

Fuel cell(FC)technology was obtained development in the 1990s. The first FC product entered the market was the micro FC charger. Within the next 5 a，the market appeared several micro FC chargers. Although the sale volumes of those products were less than Li-ion battery，possessed higher energy density and longer service life.

fuel cell； charger； consumer electronic product

歐騰蛟(1981-)，男，湖南人，湖南科力遠(yuǎn)新能源股份有限公司研發(fā)主管，博士后，研究方向：燃料電池技術(shù)；

TM911.4

A

1001-1579(2016)06-0339-04

2016-06-14

唐有根(1962-)，男，湖南人，中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授，化學(xué)電源與材料研究所所長(zhǎng)，研究方向：化學(xué)電源與材料；

梁叔全(1962-)，男，湖南人，中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長(zhǎng)，教授，研究方向：復(fù)合無(wú)機(jī)材料化學(xué)；

鐘發(fā)平(1965-)，男，湖南人，湖南科力遠(yuǎn)新能源股份有限公司董事長(zhǎng)，研究員，研究方向：混合動(dòng)力、儲(chǔ)能，本文聯(lián)系人。