燃料電池技術被推崇為解決汽車污染的未來解決方案，它也可能是解決小型化電子系統中最重要的可攜式電源問題之過渡性解決方案。現在很多公司和研究機構都不斷公佈自己在縮小燃料電池體積和可採用甲醇燃料的工程系統方面所取得的穩步進展。

UltraCell公司、美國普渡(Purdue)大學和喬治亞理工學院的近期研究進展引發了這樣一種推測，即袖珍型燃料電池在今後幾年可能成為鋰電池和鎳氫電池的競爭對手。

UltraCell已經宣佈推出了一種緊密的燃料電池單元，體積約有平裝書大小，它能夠利用小型燃料容器產生25瓦的電力。該計畫是為政府開發的，旨在為軍隊的野外系統供電。據UltraCell公司行銷副總裁William Hill透露，該燃料電池的商用版將於明年推出。

與此同時，普渡大學的研究人員也推出了一種替代型燃料方案，該方案可簡化燃料電池設計中最困難的部份，即氫產生系統。普渡大學的研究人員在原先具有嚴重缺陷的兩種製程中均增加了一些奈米技術，因而研製成一種氫產生效率非常高的固態小球系統。

據報導，喬治亞理工學院在採用更高溫度的聚合物系統進行高效率的電池設計方面已取得進展。一種新型化學系統使得聚合電解膜(PEM)電池中所用的膜不需要水就能工作，這種簡化方案源自UltraCell公司以甲醇為主的系統。

“在過去10年中，我們一直聽說有一種實用的系統將於18個月後問世。”UltraCell公司的Hill說。Hill最近展示了一個45瓦系統的原型設計。他表示，“我們計畫在明年初向軍方提供一個簡化版的25瓦系統，隨後將推出其商業版。”

燃料電池技術今天仍存在成本障礙。袖珍型燃料電池的典型開發成本高達數萬美元，而UltraCell公司的25瓦燃料電池最初售價約為1000美元，Hill透露。如同任何新技術一樣，大量市場和工程改善將逐步壓低成本，他說。

“這些設備相當昂貴且很複雜，所以它們很容易出故障。迄今為止，其生產成本還未能降低到足以使普通人負擔得起的程度。”Enderle集團的首席分析師Rob Enderle指出，“這些設備執行的是美國軍用標準，尤其適於較大型的應用。但它們似乎在小型系統領域的問題最多。”

對於聯邦航空管理局(FAA)這樣的機構，液體燃料也成為一個問題。由於擔憂飛機上的易燃液體，FAA要求稀釋該燃料。“這使得此種燃料不能用於這類應用中。”Enderle說。

UltraCell的設計採用一種需要泵、壓縮機和即時控制系統的改良製程以便從甲醇中提煉出純氫。將這個‘化工廠’的體積縮小到適合手持系統是小型化燃料電池的主要工程挑戰。

燃料電池的電流產生過程是這樣的。氫元素進入電池的一端並遇到一層催化膜，這層膜將氫原子分解成電子和質子。質子可以透過催化膜，但電子被阻止，這迫使它們穿過一個電路。在膜的另一側，這些電子和質子重新結合成氫，並與氧產生化學反應產生水。

不幸的是，由於氫原子只包括一個電子和一個質子，它幾乎像電子一樣不穩定，因此不能直接儲存氫燃料。而甲醇是一種容易儲存的液體，因此從甲醇產生氫就成為一種有吸引力的方法。

儘管理論很簡單，但直接採用甲醇的燃料電池原型設計還是遇到了從催化過程與燃料電池陽極接觸而引發的問題。此外，還需要採用稀有貴金屬鉑作為催化劑。而且該化學反應干擾了電的產生反應，因而使電池能量輸出減少。

另一個問題是要保持陽極的濕潤以維持化學反應，這就需要一個複雜的供水系統。UltraCell系統採用一種簡化的方法進行甲醇轉化，據Hill介紹，該方法是由Lawrence Livermore實驗室開發成功的。採用此方法將純氫供給燃料電池陽極而無需使用昂貴的鉑催化劑。據稱其結果可將甲醇過程的發電效率提高了大約一倍。

UltraCell系統的成本和體積最終可能減少到使其成為替代筆記型電腦電源的一種實用方案，儘管開發出這種系統還差得遠，Hill表示。“從基本物理學理論上來看，這並非不能實現，”他指出，“借助微機電系統(MEMS)和奈米技術，我們可以做到這點。”

普渡大學的研究透過採用固態小球形式的預封裝化學反應，可能消除基於甲醇的氫產生方法所存在的許多複雜問題。

普渡大學化工學院的Arvind Varma、Evgeny Shafirovich和Victor Diakov一直在尋求一種有前途的氫產生方法，該方法基於鹼金屬氫硼化物和某類氧化鹽之間的一種燃燒反應。這種反應很容易建立且不需要催化劑，但以前的工作發現只有低濃度的混合物才能燃燒，而且氫的產率較低。

現在普渡大學的研究團隊找到一種更簡單的燃燒方法。它利用鋁和水，二者在絕對溫度大約為3000°k時結合產生氫和一種副產品──氧化鋁。但此反應在氫產量方面令人失望，而且難以建立。

研究人員首先透過採用鋁奈米微粒粉末以及凝結水來改善鋁─水系統。這些鋁奈米微粒在較低的溫度下結合，加之冷凝水聚集熱量，這就進一步降低了反應溫度。

“我有金屬燃燒方面的知識背景，因此我這樣看待這兩個過程，”Shafirovich表示，“除了氫之外，該反應還有兩個產品：一個是氫硼化合物，類似於洗衣店用的硼砂產品，另一個是鋁。這兩者均無害，所以不會給筆記型電腦等消費應用帶來任何中毒問題。”

該固態系統還能避免易燃液體管制的麻煩，例如FAA。迄今為止，這種反應產生的氫氣純度似乎能達到99%，研究人員還計畫採用質譜分析以發現各種雜質的精確含量。

這些小球可被一個小的熱源點燃，然後依靠它們自己的熱量燃燒。實驗顯示6.7%的混合物轉化成氫，這意味著100克混合物將產生大約7克的氫。

Shafirovich設想了一種只有信用卡大小的容器裝載該混合物粉末，這種容器可在需要時由一個控制系統啟動以產生氫。該系統比基於流體的方案簡單，比如基於甲醇的方法。他設想了一種用於筆記型電腦的燃料電池充電單元，當電池電量變低時可被啟動。

在喬治亞理工學院，由Meilin Liu領導的一個研究小組發現一種叫做triazole的化學製品，它能代替PEM電池中的水。但triazole的傳導率比聚合物膜高，而且能夠在高於水沸點的溫度工作。Liu樂觀地表示，新系統將可透過免除供水系統而減少燃料電池設計複雜度──同時，更高的溫度下工作來提高電池效率。

作者：博才

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