微型燃料電池充電器

歐騰蛟，唐有根，梁叔全，鐘發平

(1. 湖南科力遠新能源股份有限公司，湖南 長沙 410205； 2. 中南大學化學化工學院，湖南 長沙 410083；3. 中南大學材料科學與工程學院，湖南 長沙 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，鐘發平1

(1. 湖南科力遠新能源股份有限公司，湖南 長沙 410205； 2. 中南大學化學化工學院，湖南 長沙 410083；3. 中南大學材料科學與工程學院，湖南 長沙 410083)

燃料電池技術在20世紀90年代開始進入實用開發階段，最早推出產品的是微型燃料電池充電器。在5 a時間內，先后有若干款微型燃料電池充電器產品進入市場，雖然銷量不如鋰離子電池產品，但有更高的能量密度及更長的使用壽命。

燃料電池； 充電器； 消費電子產品

在燃料電池各種應用中，微型燃料電池充電器早在十年前就有產品推出，當時產品的定位是移動、便攜式消費電子產品市場。由于近幾年鋰離子電池相關產品的快速發展，微型燃料電池充電器在市場上表現不如人意，甚至很多企業放棄了針對該類產品的研發。少數企業將此類產品進行重新定位，作為針對小眾市場的戶外野營、登山等使用的應急電源。

本文作者對已上市的幾款微型燃料電池充電器進行概述，包括產品的設計原理、性能特點及市場情況。

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，發電過程產生的熱量少，使用空冷的方式即可[1]。微型燃料電池充電器的結構組成主要包括燃料存儲單元、電路控制單元(DC/DC轉換)、氣壓控制單元(背壓)、電源啟停和電量儲存單元(二次電源)。燃料如果是甲醇，可簡單地儲存在普通容器中，但是氫氣就要通過特殊介質儲存。有的充電器產品使用儲氫合金粉[2]，有的使用能在常溫常壓下快速與水化學反應產生氫氣的固體粉末，如硼氫化鈉或鋁粉等。這種固液反應體系需要一定量的催化劑來控制反應速率，進而控制氫氣釋放速率[3]。有的充電器在系統中配置了1只二次電池，既可存儲燃料電池發出的多余的電量，也可單獨給電子負載供電，增加充電器的電量輸出。燃料電池和二次電池輸出的能量，通過電子元器件穩壓后，以5.0 V的標準電壓輸出。

微型燃料電池充電器里的很多部件是簡化的，加濕器就是其中之一。在kW級別以上的燃料電池系統中，燃料需要進行先加濕再進入電池發電；而在微型燃料電池充電器中，燃料的加濕是由陰極反應生成的水通過質子交換膜反擴散到陽極實現的[4]。微型燃料電池充電器一般沒有空氣壓縮輸送單元，空氣通過自由擴散到陰極，與從質子交換膜擴散過來的質子反應生成水；水也是自由擴散排出的[5]。

2 產品現狀

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]。該產品每次使用14 ml甲醇作為燃料，可為電子負載提供11 Wh的電量。產品中使用了大量的微型泵、閥門和微控制器等部件，設計比較成熟，但售價較高，約折合人民幣2 200多元，當時限量發行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提供約2 W的功率輸出[7]。充電器只有手掌大小，氫氣儲存在一個叫hydrostik的罐子里。儲氫罐里裝有以LaNi5為主要成分的儲氫合金粉，氫氣在2 MPa壓力下壓進儲氫罐，儲存在儲氫合金粉中。儲氫罐的設計承壓是3 MPa，最多能儲存氫氣2.3 g，儲存的氫氣量可產生12 Wh的能量。這一產品的售價在1 000元人民幣以內，提高了同類產品的競爭力。

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

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，儲氫材料為硅化鈉(Na2Si)。此物質本身不含氫，但可與水反應，釋放氫氣。myFC的燃料電池分為3個部分：制氫、發電和儲電[9]。電池可分開使用，制氫為一體，發電/儲電為一體。這款電池剛開始的售價約折合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品。

2012年，江蘇中靖新能源科技推出了JS-Power多功能氫能發電器[10]。這款充電器的額定功率為4～8 W，結構上也分為制氫、發電和儲電等3個部分。該產品的氫氣發生器設計在正中央，鋁粉(或鋁片)加上氫氧化鈉及催化劑，與水反應后釋放氫氣。鋁粉(或鋁片)最大的優勢是價格便宜，每加一次燃料只需要4元人民幣，經濟性優勢明顯。

2013年，英國Intelligent Energy公司推出一款體積極小且造價低廉的“Upp”燃料電池充電器[11]。這款產品附帶一個支持iOS和Android設備的應用程序，可控制移動設備的充電程度。與MiniPak一樣，采用固體儲氫合金作為氫源，每個燃料盒充滿氫氣后，可產生25 Wh的電量。Upp甚至被蘋果公司看上，專門開發了App，可在英國各大專賣店銷售。由于加氫機沒有配套銷售，消費者需要去Intelligent Energy公司提供的加氫店去補充氫氣，限制了Upp的應用。

2013年，美國Lilliputian Systems公司打造了一款燃料電池充電器Nectar，產品外形與移動硬盤接近[12]。與其他產品不同的是：Nectar選用固體氧化物燃料電池(SOFC)的發電模式，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計難度。這款設備在美國開售時的價格折合2 000元人民幣，需要定期更換的丁烷售價也比甲醇等燃料貴。

2014年，myFC公司將PowerTrekk升級到PowerTrekk 2.0，額定功率由原來的2.5 W升級到6.5 W，內置的鋰離子電池的容量提高到3 800 mAh，尺寸不變，質量增加30 g，價格不到1 300元人民幣[13]。2015年，myFC公司推出純燃料電池模塊JAQ產品，燃料盒可提供1 800 mAh的電量，能將一部iPhone 6手機充滿電。此產品在體積和質量方面都有改善，主機約200 g、燃料盒約40 g，便攜性較好[14]。

燃料電池是發電設備，本身沒有儲存功能，因此燃料電池做成產品的時候通常還需要搭載電池。從實際配置來看，燃料電池充電器一般搭載鋰離子電池，也有搭載電容的。為了達到結構緊湊的目的，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，可達到較大容量的效果。

近幾年微型燃料電池充電器產品的詳細信息見表1。

表1 微型燃料電池充電器的主要參數對比 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計尺寸通常以手掌大小作為參考，質量集中在100～700 g。這樣的尺寸和質量，可滿足便攜的要求。甲醇和固體儲氫是燃料的主流方向。甲醇易儲存和攜帶，發電量大，且價格不貴；但使用甲醇發電，一定時間后催化劑會中毒喪失活性[15]，縮短電池的壽命。采用氫氣發電，氣體或以壓縮的方式儲存，或儲存在固體化合物中。以氣體形式儲存，可控制氣體釋放速度，但體積較大；儲存在固體化合物中，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難點。

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，以提高輸出電壓和功率。為了增強產品的便攜性，單體電池串聯組堆的方式都是經過特別設計。圖1描繪了燃料電池充電器常見的3種串聯方式。

圖1 微型燃料電池充電器電堆的3種串聯方式

串聯方式1采用共用氫氣流場板，兩片單體電池安放在流場板的兩端。氫氣從流場板中間進出，在流場板兩側擴散至陽極。這樣的設計可以節省部件，而且流場結構簡單[17]，容易制造，流場板還通過使用塑料材料來減輕產品的質量。串聯方式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，通過導線串聯。所有單體電池的陽極朝下，陰極朝上，生成的水可通過吸收熱量向上蒸發。這樣的設計減小了產品的厚度，方便攜帶。串聯方式3與常規氫空燃料電池組堆方式一樣，陰極通道設計成像隧道一樣的通孔。前兩種設計方式可獲得較大的陰極活性面積，空氣在自由擴散狀態下也可接觸到所有的活性面積；串聯方式3由于設計成隧道一樣的通孔，空氣在通孔內擴散的阻力較大，不能使用自呼吸方式，需要外加載風扇加快空氣的流動。

本文作者分析了4款充電器產品的結構和性能，分別是JS-Power、Powertrekk 1.0、Upp和MiniPak。測試設備為PEM質子交換膜100 W測試系統(寧波產)，環境溫度為25 ℃，進氣未加熱加濕，氫氣進氣速率不低于100 ml/min，空氣根據工作方式采用自呼吸或風扇模式。在恒功率模式條件下穩定輸出30 s后測試的實驗結果見表2、圖2。

表2 微型燃料電池充電器產品的實測性能

Table 2 Actual performance measurements of micro fuel cell chargers

產品名稱電堆組成串聯方式膜電極活性面積/cm2空氣輸送方式實測最大功率/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扇模式實測性能

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

從產品的結構分析可知：JS-Power和MiniPak均采用串聯方式1，實際測得的最大功率密度為130～140 mW/cm2。Powertrekk 1.0采用串聯方式2，單體串聯數增加，因此也提高了氫氣在燃料電池陽極的停留時間和轉化率，實測的最大功率密度要高于JS-Power和MiniPak。Upp采用經典的氫空電堆模式，如果采用自呼吸模式，電堆產生的最大功率密度(見圖4)約200 mW/cm2；如果采用風扇模式，由于加強了空氣的擴散速率，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]。

雖然串聯方式2比串聯方式1更合理，理論上可串聯較多的單體電池，但自呼吸模式的性能有較大的瓶頸，主要受制于空氣擴散速率。采用串聯方式3可提高產品的功率密度，但會增加部件(風扇)及帶來的噪音，降低產品的體驗感。

4 市場預測

根據市場調研，多數買家只能接受700元人民幣以內的燃料電池充電器，只有不到5%的買家會考慮2 000元人民幣以上的。燃料電池充電器生產商的首要任務，是把產品的售價降至700元人民幣以內。現在市面上的微型燃料電池充電器中，最便宜的要數2016年剛上市的JAQ產品，售價不到500元人民幣。此外，更換的燃料價格也不能太貴，否則二次使用成本過高。myFC公司的JAQ產品更換燃料需要7元人民幣，可發出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合需要的備用電源或應急電源。

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(如iPhone 6的電池容量為6.7 Wh)充滿電需要1～3 h；而消費級電子產品，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別發展。采用自呼吸模式的串聯方式不能滿足要求，只能采用風扇模式。雖然固體合金粉儲氫能保證安全性，但是加氫過程麻煩。英國Intelligent Energy公司是讓消費者將使用完的儲氫罐寄回，由生產商重新加滿氫氣，這種方式降低了產品的便捷性。

微型燃料電池充電器在特殊領域與場合的應用前景依舊被看好，隨著技術進步與規模經濟效益，生產成本與使用成本逐漸下降，市場可能會逐步發展起來。

[1] WANG Y，CHEN K S，MISHLER J，etal. A review of polymer electrolyte membrane fuel cells：technology，applications，and needs on fundamental research[J]. Appl. Energy，2011，88(4)：981-1 007.

[2] WANG Ying(王英)，TANG Ren-heng(唐仁衡)，XIAO Fang-ming(肖方明)，etal. 固體氫儲存技術的研究進展與面臨的挑戰[J]. Materials Research and Application(材料研究與應用)，2008，2(4)：503-507.

[3] XU Dong-yan(徐東彥)，ZHANG Hua-min(張華民)，YE Wei(葉威). 硼氫化鈉水解制氫[J]. Chemical Industry and Engineering Progress(化工進展)，2007，19(10)：1 598-1 605.

[4] WANG Er-dong(王二東). 小型自增濕自呼吸質子交換膜燃料電池及氫源的研究[D]. Harbin(哈爾濱)：Harbin Institute of Technology(哈爾濱工業大學)，2008.

[5] SHI Peng-fei(史鵬飛)，WANG Er-dong(王二東). 小型自呼吸式PEMFC的研制[J]. Battery Bimonthly(電池)，2008，38(4)：204-205.

[6] 日本東芝移動產品用燃料電池“Dynario”[J]. Dianyuan Jishu(電源技術)，2012，34(2)：97-98.

[7] Horizon launches mini fuel cell charger for portable electronics[J]. Fuel Cells Bulletin，2010，2010(7)：7.

[8] Aquafairy demos solid hydrogen fuel cells for Japanese consumers[J]. Fuel Cells Bulletin，2013，2013(11)：8.

[9]myFC showcases its PowerTrekk portable fuel cell charger[J]. Fuel Cells Bulletin，2012，2012(2)：7-8.

[10]WANG Ji-zhong(王紀忠)，WANG jing(王靖)，PIAO Yan-tai(樸廷泰). 一種便攜式高分子燃料電池及制氫發電一體系統[P]. CN：102800875A，2015-09-02.

[11]Intelligent Energy's portable power Upp at Apple Stores in UK[J]. Fuel Cells Bulletin，2014，2014(12)：8.

[12]Lilliputian Systems，Brookstone launch Nectar mobile power[J]. Fuel Cells Bulletin，2013，2013(2)：8.

[13]myFC PowerTrekk 2.0 now for tablets[J]. Fuel Cells Bulletin，2014，2014(7)：7-8.

[14]myFC launches JAQ portable fuel cell charger at mobiles fair[J]. Fuel Cells Bulletin，2015，2015(3)：6-7.

[15]HOU Zhong-jun(侯中軍)，YU Hong-mei(俞紅梅)，YI Bao-lian(衣寶廉)，etal. 質子交換膜燃料電池陽極抗CO催化劑的研究進展[J]. Journal of Electrochemistry(電化學)，2000，6(4)：379-387.

[16]GIDDEY S，BADWAL S P S，CIACCHI F T，etal. Investigations on fabrication and lifetime performance of self-air breathing direct hydrogen micro fuel cells[J]. Int J Hydrogen Energy，2010，35：2 506-2 516.

[17]WEILAND M，WAGNER S，HAHN R，etal. Design and evaluation of a passive self-breathing micro fuel cell for autonomous portable applications[J]. Int J Hydrogen Energy，2013，38：440-446.

[18]YI Bao-lian(衣寶廉). 燃料電池的原理、技術狀態與展望[J]. Dianchi Gongye(電池工業)，2003，8(1)：16-22.

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，湖南科力遠新能源股份有限公司研發主管，博士后，研究方向：燃料電池技術；

TM911.4

A

1001-1579(2016)06-0339-04

2016-06-14

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

梁叔全(1962-)，男，湖南人，中南大學材料科學與工程學院院長，教授，研究方向：復合無機材料化學；

鐘發平(1965-)，男，湖南人，湖南科力遠新能源股份有限公司董事長，研究員，研究方向：混合動力、儲能，本文聯系人。