编者按：创新并非只是一个口号。以下一组信息表明；创新正在体现为适应新时代需要的、前所未有的各种新产品，竞相走向市场进入人们的生活——

微型燃料电池，就像打火机一样可再充气重复使用，并将会很快代替移动电话、手提电脑和其他新发明中的电池。

场景：一排士兵正攻入敌人的阵地。由于他们远离补给线，所以无法使用那些可以预警的大型传感设备及耗能巨大的通讯设备。士兵们被暴露在外而且不能确定敌人的活动。这时，只见士兵们把少数微型传感器分散到各处，遍及整个危险地带，用以探测敌人的声音、活动、人体热量、气味甚至是武器的金属片。在这种装置中，有一块通讯芯片，这个芯片可以通过向军营里的便携式控制系统传送低能量的光信号或无线电信号来预警。最佳之处在于，这种硬币大小的传感器便宜得能够让士兵在继续前进的时候随手遗弃。

这种景象并不像听起来那样富于幻想。早在越战期间，美国军队就在密林中分散过这种便携式传感器，虽然在当时耗费很大。现在，由于知道了如何让这些微型人造设备从实验室走向市场，所以这种传感器发射器的价格就大幅度的下降了，以至于人们可以毫不在意地随意丢弃，就像用过的子弹壳一样。但是30年前困扰五角大楼“微型狙击手”的难题现在依然存在，那就是：为它们提供电源的电池太笨重，太不方便了。

对于给定重量的电池来说它们只能保持一定的瓦时数（Wh/kg每瓦时为3600焦）。现在的问题在于电池系统正在接近这个特定能量的上限。最好的便携式电池能达到300 Wh/kg。然而绝大多数在使用中只能运作理论值的一半时间，这远远低于部队的要求。五角大楼想要在2003年使功率为1000 Wh/kg的装备普及，并且在2006年提升到3100 Wh/kg。电池的物理性质使这一好高鹜远的目标成为了不可能实现的事。因而迫切需要有一个完全不同形式的便携式能源。

部队并不是常规电池替代品的唯一顾客。下一代的移动电话、手提电脑和个人数字化助理都会随着无线网络线路而涌现，它们需要更大数量的便携式能源。一家韩国电子公司的负责人说，该公司的目标是在近几年内拥有能力至少为500 Wh/kg的电源。专家们认为，即使是最先进的锂聚合物电池也无法满足未来需求的十分之一。

因而世界上展开了寻找目前的轻质电池的替代品的竞争。迄今为止，最有希望的替代品看上去像缩小了的燃料电池（即阿波罗太空船上所使用的电源），它现在正被用于电动汽车上进行测试。

小1000倍吗？

总体来说，燃料电池是一种只要有外部燃料供给就能工作的电池。现在有许多种燃料电池，最有希望的是被称为质子交换薄膜（PEM）的燃料电池，它能把空气中的氢和氧转变成电能和水。

日本NEC公司推出的以甲醇为动能的微型电池

一节（PEM）电池由两个电极组成（阳极和阴极），两个极之间有一个聚合物薄膜形态的电解质。在阳极，氢原子在催化剂的作用下放出电子，薄膜被设计得能让不带电的氢原子（例如带正电的质子）通过并且到达阴极。但是被释放的带负电的电子不得不经过很长的外部回路到达阴极。当质子到达阴极时，它们与电子相遇并且与空气中的氧结合。如果燃料电池直接充氢的话，那么排出的产物只是水蒸汽和热。如果氢气是从甲醇中得到的，那么还会产生一些二氧化碳。

那么这些被用于样品电动汽车的重量达到100公斤甚至更多的燃料电池能被缩小到11000而变成手电筒电池那么大吗？有三个因素鼓舞着研究人员不断地做尝试。一是充甲醇或氢气的燃料电池有着比一般电池高得多的起始能量密度；二是燃料电池在再次充电前可以使用很长时间；三是再充电过程可以在几秒钟内完成，不像充电电池需要一小时或更多的时间才能充完电。使用燃料电池，使用者可以很简单地用新燃料桶更替用过的燃料桶，就像干电池耗尽时被替换一样。

这是令人振奋的前景，而且并不渺茫。事实上，燃料电池不久以后将不单单作为电动汽车的能源，而且也会作为一种便携式的能源被用于商业上。一方面，这种便携式能源业不会面临让电动汽车制造商棘手的问题，例如，司机去哪里和怎样使汽车的汽缸再充氢气和甲醇这样的问题。未来的移动电话用户将会从小报亭买到甲醇片使他们的燃料电池桶再次充满，就像给打火机加丁烷一样。

迄今为止，微型燃料电池的最佳的地方在于其成本。今天的可充电电池价格过于昂贵，每千瓦要花10000美元甚至更多，与每千瓦50美元的传统的汽油能源相比，价格过高。所以，作为可充电电池的替代品，燃料电池并不需要与汽油耗费标准一致，不需要面对汽油机的残酷竞争。美国摩托罗拉公司的一位负责人杰瑞 · 豪马克（Jerry Hallmark）宣称：“我们能够花几美元来支付几平方厘米的燃料电池，但是汽车公司可未必支付得起。”

小人国里的冒险

寻求制作微型电池的人分成了截然不同的两派。一派希望电池制作在已被成功用于电动汽车的技术的基础上，然后使它变小。另一派持完全不同的观点。他们提出改进汽车发动机的大小，使之能让一个PEM燃料电池直接充甲醇燃料，例如先改造它使它释放氢气。

第一种方案的吸引人之处在于氢气燃料直接进入燃料电池中，很简便，而且已在汽车和电厂中工作得很成功。研究人员现在唯一要做的就是把其尺寸缩小。但是说起来容易做起来难，因为它包括很多的鼓风机、燃料泵和其他大量装备堆成一叠。同时，这种系统要用高压使氢穿过这些堆栈，但对人们放在上衣口袋里的便携式电源来说，高压显然是不合适的。

为了克服这个难题，温莱特（Wainright）博士的小组开始转向微型制造技术——该技术借鉴了半导体工业中的技术，用以在基片上制造微型的机械、化学和生物装置。该技术的漂亮之处在于成打的甚至上百的同样的设备能够同时在一块硅片上被制作出来，完成以后，再切成独立的小方块加以包装。

这种装置还远没有完成。温莱特博士小组只是指出如何切割和包装这种“三明治”电池的方法，以使得微电子在里面受保护，而且燃料电池和它的相关传感器能给所需要的空气以通道。这个小组做的一项革新是采用一个平面结构的燃料电池，这同样是摩托罗拉公司用于他们自己的微型燃料电池的技术。因为它们一个挨一个地水平排列，而不是垂直堆叠。所有的阴极都暴露于空气中，而所有的阳极暴露于燃料中，这使得鼓风机和燃料泵成为不必要的部件。不幸的是暴露于空气中会影响存储的时间。

PEM技术另一个关于直接充氢的大问题是氢气本身。氢气的密度很低，以致于把大量的氢气固定在一定体积中是很困难的一件事。这也是在电动汽车中存在的问题，更不用说移动电话和便携式电脑了。因为压缩氢气是不可能的，研究人员正研究各种形式的可逆存储。最令人振奋的存储氢气的想法涉及所谓的纳米碳管，例如钻石和石墨，都是碳的结晶体。它们已在实验室里显示能够存储并释放大量的氢气。但是把这样一个只是激起人们兴趣的可能性转变成现实还需要几十年的时间。

目前更好的方式是把氢气存储在各种金属的氢化物里。这种方法可行，但是这种电池的重量却很难被接受。另一个有希望的研究领域涉及氢的化合物。卡西大学的小组正在研究钠硼化合物（用于知名的洗涤剂——博拉克斯）作为存储氢的一种方法。随之带来的困难是这样的化学系统的性能受重力的影响。因此以氢化合物存储氢气的化学方法只适用于特定的条件。温莱特的小组正在试图通过使用表面张力使重力影响失效的方法来解决问题，但到能出成果时大约需要3年时间。

情迷甲醇

由于以上这种种原因，绝大多数关于可携式能源的工作集中在DMFC（直接充甲醇的燃料电池）的竞争上。当燃料电池为电动汽车提供动力时，甲醇不能直接被用作燃料。大突破开始于20世纪90年代早些时候，加州理工学院喷气式飞机推进实验室（JPL）的一个研究小组设法通过直接往小的PEM电池中充甲醇的方法得到电能。

这个发展，如果转化成一个有用的产品，将是解决便携式能源问题的关键所在。因为甲醇有多种性质，对于便携式产品来说，是比氢气更具吸引力的能源。首先，与氢不同，甲醇在常温下是一种液体，更易处理。由于相同的原因，给定质量的甲醇在通常条件下有比氢高得多的能量密度。

令人遗憾的是，DMFC也有它自己的问题。一个棘手的问题是在PEM电池中的薄膜（称为Nafion，杜邦公司制造的一个聚合物）对于甲醇和水来说是可渗透的。这在直接充氢气的燃料电池中不是个问题，因为其只充入从空气中得到的纯氢气和氧气。然而，因为甲醇容易污染阴极，通常在被注入DMFC前要用水稀释。燃料连同水接着透过薄膜，大大减小了反应的效率，造成15的燃料流失。此外，水渗透过薄膜，会淹没阴极，阻塞空气中的氧气进入其中的通道。因此，研究人员利用含少于10%甲醇的水来解决该问题。这使得这个错综复杂的问题降低到更易处理的程度。但是，燃料电池的能量密度也因此而降低。现在，一些研究人员转而去改进DMFC的各个组成部分。关于薄膜，JPL小组和在洛杉矶南加州大学的专家们用渗透聚合网状物替换Nafion薄膜，使用这种膜的燃料电池只有移动电话的电池大小，却可以产生800微瓦的电量。

其他一些人认为不是膜的问题。DMFC项目的负责人S · 高特范德（S · Gottesfeld）没有改变膜，而是通过对燃料电池的膜和电极及其他零部件的巧妙设计而取得好的成果。

另外一些人则对催化剂抱有希望。目前催化剂依靠贵重材料，例如铂。像溅射镀膜这样的技术能在不减小功率的前提下减小对铂的需求量。

何时推向市场？

燃料电池在替代一般电池前仍有很长的路要走，但是，一些无法预料的东西可能会使DMFC世界发生彻底的变化。纽约的Medis技术公司宣称，与使用一层固体薄膜作为电解液不同，该公司的燃料电池用液体的碱溶液作为电解液。因此，这家公司能使用高浓度的甲醇燃料（大约30%左右）来提高系统的电能输出。这种方法消除了对复杂的燃料混合室和注入燃料的微型管道的需求。取而代之的是甲醇混合物直接进入燃料电池。罗伯特 · 利夫顿（Robert Lifton）、Medis技术公司的主席和首席执行官，自称他们的燃料电池非常灵活，可以使用各种酒精作为燃料：“我们有许多俄国研究人员，他们甚至使燃料电池用伏特加酒也能正常工作。”

在华盛顿的一次由知识基金会组织的会议上，Medis技术公司宣称，它们在实验室测试的电池已经达到了60毫瓦每平方厘米的能量密度（迄今最好的常规DMFC的能量密度是每平方厘米4毫瓦左右）。在2001年底，公司期望把它的燃料电池能量密度提高到80毫瓦每平方厘米——接近于移动电话的需求。研究人员期望这样一种电池能有10小时的寿命。尽管这远远没有达到该公司研发可连续一个月不充电电池的目标，但是燃料电池的寿命有望在来年翻倍。这种电池有望在2003年或者2004年以前有商业化的产品问世，售价为大约15美元一个，而每个再充盒的价格为1美元。

一些公司在处理手机市场前将采取过渡性措施。纽约的曼哈顿科技公司打算最初以便携式可充电电池而不是一次性替换电池的形式来启动DMFC。这家公司设计的燃料电池是挎在腰间的：当电话闲置时，燃料电池将对电话的常规电池进行充电。摩托罗拉也在计划这样一个混合品作为它的第一步。即使Medis公司也计划首先把它的燃料电池作为一个快速充电电池，接着再发展一些能替代常规电池的成熟产品。

在缩小燃料电池方面，这个发展给人的印象是深刻的。即便如此，也面临很多挑战。一位索尼公司的执行官说：“当我把移动电话放进我的口袋时，我不想让它弄湿我的裤子。”他注意到很多国家的航空局已经在商用飞机上禁止使用甲醇和氢气。除非这样的规章被改变，否则索尼认为用于手提电脑和移动电话的燃料电池没有未来。任何一种用于移动电话的燃料电池必须能够在口袋里或者手提袋里的温度下安全工作。

一般的用户也许除了在他们的汽车内，就再没有看到过这样具有高能量的装置了。不像常规电池，DMFC对于温度很敏感，它们必须吸入空气，呼出二氧化碳和水蒸汽。在消费者把这样一个装置放进他们的口袋之前，他们要求燃料电池与常规电池相比费用更低，性能更好，而且要安全。JPL的纳亚那（Narayanan）博士把它很好的概括为：“让人们认为这种电池差不多在每一方面都是完美的，除了它们必须被再充电——但这的确是一道难关。”

[The Economist. com，2001年6月21日]