第10章 电池领域的创新信息(9)

该研究小组针对这一问题，利用类似半导体产业所使用的制造技术进行实验。他们成功地把稳定性强的氧化钇锆膜置于硅网顶上，使电解质层不仅经久耐用而且可以与气体接触。

研究人员利用这一技术制成的燃料电池，其传送的功率密度在400℃的情况下，达到400毫瓦/厘米²。传统固体氧化物燃料电池要达到这一功率密度的话，温度必须超过700℃。这意味着，普林茨研究小组在不损失任何功率的条件下，降低了近一半的电池工作温度。

（2）研制用于便携式电子产品的微型固体氧化物燃料电池。2011年1月，日本产业技术综合研究所研究人员，与美国科罗拉多矿业学院同行组成的一个研究小组，在英国《能源与环境科学》杂志上发表论文称，他们研制出一种微型固体氧化物燃料电池，可用于小型或便携式电子产品。这种燃料电池添加了特殊的催化剂层，可大大降低电池的工作温度。

研究人员说，固体氧化物燃料电池的能源转换效率，在燃料电池中是最高的，但这种电池工作温度高，体积较大，只适合用于大型、固定电源。针对目前小型、便携电源的需求日趋旺盛，需要研发微型固体氧化物燃料电池，这就要使用烃类化合物作为燃料。而在原有技术条件下，烃类化合物在低于600℃的环境下难以直接用于发电。因此，降低燃料电池的工作温度是亟待解决的问题。

该研究小组使一种管状微型固体氧化物燃料电池内壁形成纳米尺寸的二氧化铈层，作为燃料电池的重整催化剂层，并证实，这种管状结构和催化剂层能使烃类化合物燃料电池在450℃的相对低温下发电。

研究人员说，这一研究成果有助于早日研制出能在相对低温环境下工作的紧凑型烃类化合物燃料电池系统。

（二）研制把热能转化为电能的燃料电池

研制出由丁烷提供燃料可把热量转化为电能的光伏电池。

2011年8月1日，美国《大众科学》网站报道，美国麻省理工学院军用纳米技术研究所（ISN）工程师伊恩·塞兰诺维茨领导的研究小组，在《物理学评论A》杂志上发表研究成果称，热光伏系统（TPV）能将热转化为电，但其转化效率一直比较低下。现在，他们研制出一种新方法，对一块钨的表面进行操作后，其释放出的光波能被光电池最大限度地利用，并基于此思路研制出一种纽扣光电池，其能源转化效率为同样大小和重量锂离子电池的4倍。

半个世纪前，科学家们就研制出了热光伏系统，这种系统让一个光伏电池和任何热源“联姻”，以加热一种名为热发射器的材料，随后，热发射器会朝光伏电池的二极管发射光和热以产生电力。这种热发射器发射的红外线，比太阳光谱中的还要多。

塞兰诺维茨表示，解决办法是设计出一种新热发射器，其仅仅发射出光伏电池的发光二极管能吸收、并能最大限度地将其转化为电力的波长，同时抑制其他波长。

研究小组在钨的表面蚀刻了数十亿个纳米大小的凹坑。当钨吸收热量时，不管热量来自于太阳、碳氢燃料、正在衰变的放射性同位素还是其他热源，它都会发出亮光，而且发射光谱不断变化，因为每个凹坑就像一个谐振器，能释放出特定波长的光波。

他们基于此制造出了一块纽扣电池，其由丁烷提供燃料，运行时间是同样重量锂离子电池的4倍，当电力耗尽后，只需加入少量新鲜燃料，就能立即给该电池充电。他们还制造出另一块由一种放射性同位素的衰变提供热源的电池，它能持续发电30年，不需要添加燃料也不需要维修保养，有望成为执行长时间太空飞行任务设备的理想电源。

美国能源部信息管理中心提供的数据表明，当今所使用的能量中，有92%的能量都需要经过将热能转化为机械能再转化为电能这一过程。但现有机械能系统的效率相对较低，而且无法缩小尺寸以应用于传感器、智能手机或医疗监控设备中。

塞兰诺维茨表示：“能将不同来源的热转化为电力而无须移动零件非常实用，廉价有效地并在小规模上做到这一点非常重要。”他确信，进一步的研究，可把这种电池的能量密度提高3倍，“届时，新电池能让智能手机持续使用一周。”

（三）研制用于航海舰船的燃料电池

1.开发用于海军舰艇的高效电力燃料电池

2004年9月，有关媒体报道，随着混合电动汽车在美国变得越来越普及，美国海军正在研究将混合电力舰带到远海。

据悉，美国海军研究署正在开发一种新型燃料电池技术，它能使未来舰船得到高效推进的电力，并具有更大的设计灵活性，在此基础上，进一步开发出新型的推进系统。为确保向这种前景光明的技术相对迅速的转移，海军研究署在开发一种从柴油中制氢的方法。柴油重整系统的优势是相对低的燃油成本，而且海军已建立了采购、储存和运输的基础设施。

与燃气轮机和柴油机不同，燃料电池不需要燃烧，因此不会产生类似氮氧化物的污染物。而且燃料电池效率远远高于内燃机。此外，燃料电池将允许设计分配式动力系统。它们不像传统发动机，它们能够将功率分配到整艘舰艇而不是集中在舰艇的主轴上。

目前，海军研究署正在能源部国家工程和环境实验室，试验一台500千瓦柴油燃料重整器或整合燃料处理器，其与质子交换膜燃料电池是兼容的。

2.开发用于海洋运输业的燃料电池

2007年8月，有关媒体报道，海洋运输业拥有庞大的航运量，是最大的待开发绿色运输市场。同时，轮船燃料消耗量很大，其二氧化硫排放量是公路柴油车的700倍。

燃料电池引擎是通过化学过程产生电力，而不是通过燃烧过程。虽然成本比柴油发动机高出6倍，但是效率可以提高50%，而且更加清洁，因而弥补了燃料成本上的不足，削减了污染成本。

燃料电池不含移动部件，维修、维护条件并不苛刻，完全可以成为一个安静、稳定的内部组件。为此，欧洲一些企业正在着手开发用于海洋运输业的燃料电池。这些公司希望近年运输船上能安装清洁的燃料电池引擎，并在未来25年内更广阔地拓展其在海洋运输业的应用。

目前，从事海洋运输业燃料电池开发和应用项目的，主要有德国发动机制造商、芬兰的船舶和工业引擎制造商、挪威航运集团等。

（四）研制其他不同类型的燃料电池

1.开发微小型或便携式燃料电池

（1）研制以硼氢化钠产生电力的微型燃料电池。2005年10月，《联合早报》报道，新加坡南洋理工大学机械与生产工程学院副教授曾少华领导的研究小组，开发成功一种高性能微型燃料电池，它以环保物质为燃料，可以长时间提供电力，而且不会对环境造成破坏。

该研究小组研制出一种催化剂，可以很好地控制硼氢化钠溶液产生氢气的过程。在掌握了这一重要过程后，他们使氢气通过自己设计的高性能微型燃料电池产生电力。这种利用硼氢化钠产生电力的微型燃料电池，性能持久，一般干电池用在遥控玩具车上，或许只能维持15分钟，但是这种高性能微型燃料电池，只需10毫升的硼氢化钠溶液，就可以驱动遥控玩具车不停地跑动长达90分钟。

这种微型燃料电池提供的电力不超过5瓦特，大小和现有的干电池差不多，所以可供数码相机、手机、音乐播放器等轻型电器使用。

（2）纳米级燃料电池研究取得重要进展。2006年3月，有关媒体报道，在当今社会，越来越多的便携式电子产品充斥着人们的生活，人们的生活和工作已经离不开iPod、手机、PDA、数码相机、笔记本电脑这些数码产品。但目前存在的主要难题是电源问题，一块手机电池只能维持几天时间，笔记本电脑的电池也就几个小时。与传统电池相比，燃料电池的能量至少要高10倍。一个锂离子电池能提供300瓦小时每升的电量，而甲醇燃料电池却能提供4800瓦小时每升的电量。因此，东芝、IBM、NEC等世界著名企业都投巨资研发燃料电池。

聚合物电解质膜（PEM）燃料电池通过化学反应产生电流，首先化学源产生的氢原子，在催化剂例如铂的作用下分解并产生电子。电解液将在这个过程中产生剩余的氢离子（质子）与燃料分离，并与大气中的氧气结合产生水。与催化剂接触的燃料越多，电池产生的电流越多，催化表面大小是燃料电池功效的关键。

为了在有限的体积内产生更多的电量，科学家在以前的研究中试图在纳米级别研制燃料电池，硅蚀刻技术、蒸发技术等芯片制造业的工艺都被借鉴。但这些方法不但价格昂贵而且受电池二维空间的限制。

报道称，现在，美国威斯康星大学肯尼斯·勒克斯教授领导的一个研究小组，用全新的方法解决了这个难题。新方法不但能提高纳米级燃料电池的性能，而且完全避免了工业生产的技术工艺。他表示，目前最好的催化表面也只是二维的平面，每平方厘米也只能产生几百微安培电量。为了把这个数字增大几个数量级，就应该创造出三维结构的催化表面。

勒克斯教授研制的燃料电池通道非常常见，多孔的氧化铝过滤装置约1美元，这种过滤装置的圆柱形孔洞直径只有200纳米。勒克斯教授用铂铜合金制造纳米导线，然后在硝酸中融解铜，产生一种随机的状态，使表面积最大化。

为了建立一个供能电池，研究人员首先需要在小孔中充满酸性溶液。将一张浸透电极液的滤纸（或者是电极液聚合体）放置于两层纳米电极之间，用来传递氢离子。然后，可以将电极置于该复合体外表面的任何部位，以便容易形成电路。这些燃料电池可以连续或者平行排列，从而使各自提供出更高的电压或者电流强度。

当然，研究结果还不是完全令人满意。勒克斯教授估计仅仅只有1/3的电极具有活性，还有许多地方需要进一步改进。然而，即便如此，该模型具有的能量容积，也比其两倍直径大的平版模型高许多。同时，这一模型还具有价格低等特点，总的材料花费仅为200美元。勒克斯教授称赞它为一种真正简便的技术方法，能量供应相当于一个AA电池。

在将来如果可以熟练掌握燃料电池技术，那么我们就可以开发出一种廉价、可循环使用的电池用于我们的小型电子产品。当能量供应不足时，我们便可以直接去商店买一个燃料电池接替用。

2.开发高效能或高温型的燃料电池

（1）推进高效能的煤炭燃料电池研究。2006年3月，美国《世界日报》报道，美国俄亥俄州民主党籍国会众议员谢罗德·布朗，日前获得联邦政府100万美元专款，以协助改善罗兰及高峰两郡的生活品质及建设。俄亥俄州艾克隆大学化工系教授庄显成领导的“煤炭燃料电池”研究小组，获得其中的50万美元资助。

庄显成表示，“煤炭燃料电池”是艾克隆大学大燃料电池实验室发展出来的新技术，特点是未经净化而含高硫量的煤，在经过一种特殊的阳极催化剂，可导致煤与氧离子直接反应而产生电能，而煤炭燃料电池的效能为目前燃煤发电量的两倍。

此种高效能的电池是利用各电厂普遍使用廉价且存量丰富的煤而产生大量电能，不但成本低廉，也可以减少因二氧化碳的排放所造成的空气污染。在当前能源极端仰赖石油生产与运输价格之际，不啻是一个好消息。

庄显成强调，目前研究实验的结果已证实了此法的可行性，获补助的50万元经费将用于改良缩小电池的体积，以便更能发挥在商业及市场上的用途。

根据庄显成的计划，目前所生产5千瓦的电池，下一个步骤将是在3年内开发250千瓦单位的电池。而他的目标是希望能利用未来先进的科技，研究出能生产上千千瓦的电池。

来自中国台湾的庄显成毕业于台北科技大学改制前的台北工专，后获美新泽西理工学院硕士学位，匹兹堡大学化工博士学位，1986年拿到学位后，即至艾克隆大学任教至今，2006年8月刚卸下自1997年即担任的化工系主任，目前专心授课并带领研究生做学术研究。

庄显成获有两项专利，并写过上百篇关于动力反应、催化反应及吸附反应方面的学术报告，目前专心致力于燃料电池与触媒反应的研究，并担任美国环境保护署等单位的顾问。

布朗议员也肯定了庄显成的研究结果，认为此项技术将有利于增加俄亥俄州工作机会，并为美国制造一个干净且可靠的能源来源。

（2）开发出高温型的燃料电池。2006年11月，德国大众公司宣布，利用磷酸开发出了可在120℃高温下工作的燃料电池。该公司预测，顺利的话2020年便可向市场投放可供日常生活使用的燃料电池车。

此前的低温型燃料电池受制于固体高分子电解质膜的耐热性，只能在大约80℃的温度下工作。这样一来，一旦温度升高，电池单元就会受到损伤。在80℃下工作时与外部气温的温差较小，因此为了冷却燃料电池，就需要比原来的汽油车更为复杂的冷却装置。另外，在供给氢气和空气时还需要连续加湿，担负这一任务的辅助装置变得大而重，所以是导致高成本的原因之一。