| 燃料电池即将进入电子产品设计领域 |
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作者：佚名 文章来源：本站原创 点击数： 更新时间：2007-1-15 21:52:01  |
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近10年来，计算机和移动通信设备的发展可谓日新月异，反观为其配套的电池技术却并未赶上它们的脚步。但令人欣喜的是，在诸如石油和煤炭等自然资源日益减少的今天，电池技术还在以其稳健的脚步向前发展。诺贝尔奖得主Smalley博士表示，未来50年人类面临的十大问题中，以能源居首，能源需求量成长了3-4倍，而能源技术的革命性发展与突破，包括燃料电池、纳米铿电池、太阳能电池、储氢系统、光触媒、光电池等应用，将为人类的生产和生活带来巨大的变化。
著名的《红鲱鱼》杂志也对2005年十大技术趋势做出了预测，其中微能源技术也许能再迈进一大步。一些燃料电Mechanic、东芝和Medis都许诺年内将推出产品。这些新燃料一旦研究成熟，它们将更小、更轻，并比目前的电池功能强10倍以上。
燃料电池发展现状
燃料电池的类型有十几种之多，但考虑到体积、重量和工作温度等因素，其中仅有少量可以用于便携和手持电子产品。一种是DMFC(direct-methanol-fuel cell，直接甲醇燃料电池)，还有其他的方法，如Medis Technologies开发的称为DLFC(direct-liquid-fuelcell，直接液体燃料电池)和AFC(alkaline-fuel cell，碱性燃料电池)。
近年来，日本在燃料电池的研发方面一直处于领先地位，一些笔记本电脑制造商已开发出概念型的燃料电池原型见图1。
Medis发布的一个基于燃料电池的电池充电器，可以为诸如PDA等手持设备供电，这种充电器采用了该公司的D工FC技术，体积相当于12盎司软饮料罐。
MTI Micro也是一家开发燃料电池的公司，其Mobion技术可以将手持计算机电池组件的寿命扩展到常规电池的2-10倍。Mobion是基于DMFC的技术，它是一种经过长期研究验证的电源技术，比已经成为无线设备标准配置多年的铿离子电池有更长的使用寿命。
Mobion技术的与众不同之处在于，它比其竞争者采用了一种更小的形式和更简单的燃料转化过程，其电池组件的体积可小于40cm3。分析人士说这可能有助于进一步推动燃料电池技术的应用。Frost&Sullivan电源和电池工业经理Sara Bradfor说：“燃料电池技术商业化的最大驱动力是今天电子领域的功率不足问题。Mobion技术是惟一的完全整合在设备中，而不是夹在背面或侧面的产品。这种精巧的设计可以刺激工业产品的开发产生一个飞跃。”
有专家预计，到2005年年底，Mobion技术将出现在工业和政府市场设备中。Intermec Technologies和Harris已计划把Mobion技术与无线射频标签(RFID)相结合，而ArmyResearch Laborator则考虑用Mobion为军事无线电设备供电。
MTI在努力缩小燃料电池的尺寸，其他大公司也没闲着。在MTI宣布其Mobioni卜划不久，东芝公司宣布了其为小型设备设计的I)Ml不C计划。据说东芝的100mW DMFC原型只有拇指大小。MTI和东芝都在设法使甲醇中所含水分保持在最小限度而使燃料电池的体积更小。对甲醇的高度浓缩意味着更有效的转化和更小的燃料罐。
燃料电池工作原理
DMFC系统的关键组件是PEM(proton-exchange membrane，质子交换膜)。PEM为燃料电池供电的优势能提供pEM区域的划分。Neah PowerSystelns称，竞争者的PEM每个单元区域产生的功率不足。Neah基于IC平版印刷术和制造技术的方法使用显微空穴进行硅膜内蚀刻，在其硅质子交换膜表面形成了比那些采用其他方法至少高一个数量级的膜。直接甲醇燃料电池的优异性能恰恰归功于硅膜。
便携电子系统中的电池的温升必须很小，即使是在对其充电时。另一方面，提供电力时，燃料电池至少需要消耗与传送到负载一样多的功率。换句话说，一个DMFC无法把电池内部化学反应所释放能量的50%以上转换成为有效的电功率。在诸如笔记本电脑的产品中，热设计的挑战已摆在面前，因为从电池到燃料电池功率转换的热负载是最不受欢迎的事情。
谁会使用燃料电池
有人可能认为，燃料电池并不能取代可充电电池，而是作为一种补充的技术。便携设备的大量用户仍习惯于把他们携带的电子产品插入交流墙壁插座对电池进行充电，他们不愿意利用这种更换燃料罐或把液体倒进一个储液罐的“加油”方法。然而，用户需要的是与现有的可充电电池体积和重量相仿又有更长寿命的电池;还有的用户希望解决没有时间等待电池完全充电的问题。这些需求很有可能让消费者更易于接受携带燃料罐或瓶装液体燃料的方式。笔者就曾遇到这样的尴尬，在北京的首都机场想为笔记本充电，可是在楼上楼下找了半天，也没有发现电源插座，最后还是请餐厅的服务员拿到柜台里面才充了一会儿电。对那些经常旅行的“移动经理人员”，以及要连续飞行的人士来说，充一次电根本就不够用。另外，在工业环境和仓库中的工人，可能找不到交流电源为电池充电，有时即使找到了时间也不允许，他们都将是燃料罐或液体加油方式的潜在用户。
燃料电池的成本
成本是与产品推广息息相关的问题。燃料电池制造商认为，在燃料电池的产品成本方面，当采用DMFC和DLFC技术的燃料电池形成批量生产时，其成本可以与锂离子(lithum-ion)电池竞争。至于“加油”成本，DMFC使用的是甲醇，Medis的DLFC是KOH(氢氧化钾)，都是很便宜的原料。不过，由于制造商尚未批量生产商业化产品，因此，要确切地预测非消耗品硬件的成本还是有难度的。例如，Medis认为DMFC存在的成本问题可能会影响或削弱其在便携电子产品领域的推广，而DLFC技术则没有这样的问题。
体积、重量和成本这三大因素决定着便携设备的设计者和用户是选择用交流电源充电，还是通过更换燃料罐，或是添加液态燃料来提供能源。虽然某些燃料电池制造商极力推荐FCS(FuelCell Systeln燃料电池系统)来替代笔记本电脑的铿离子电池(见图2)，而且英特尔已建议将FCS设计在笔记本的可抽取部件中。但这些方法同样也存在弊端，例如，一个辗转飞行的旅行者不得不携带着笔记本的外部“砖块”电源(对电池进行一夜的充电以备第二天的客户演讲)，还要带上FCS和附加的燃料罐(为了飞机上使)。同时，带有FCS部件的旅行者将不得不在旅途中放弃欣赏DVD电影，因为在飞行途中笔记本不能同时使用光驱和燃料电池电源。
虽然第一个燃料电池供电的电子设备可能会比可充电电池供电设备运行的时间更长。但这些制造商坚称，燃料电池的优势将随时间增长，在推出几年之后，燃料电池的产量将至少分享相同类型电池的1/2或多于1/3的市场。此外，燃料电池制造商坚信，DMFC和DLFC的重量小于相同尺寸的铿离子电池，因此，把燃料电池与相同重量的铿离子电池相比较，燃料电池的优点从一开始就非常显著。
与其他技术的竞争
与IC技术的进程相比，电池技术的发展速度并不快。从NICd(镍福)到NIN侣(镍氢)，再到铿离子化学，可充电电池的创新用了10年的时间。经过十几年的发展历史，可充电电池的发展几乎已经达到了性能的顶点。因此，燃料电池制造商希望在可充电电池技术等待下一个创新之前能有所突破。专家认为，充电更快的新的电池化学技术和电池设计将在最近的10年内出现。
显然，传统电池技术的迅速发展会冲击，甚至将便携电子产品燃料电池淘汰出局。假定一个体积小、重量轻、价格合理的电池可以为笔记本电脑提供8小时的电力，而且从完全放电到完全充电只需90S，那么，燃料电池制造商就死定了。因此，对于燃料电池制造商来说，关键是在体积、重量和成本上提高燃料电池的竞争力。
辅助技术
如果将燃料电池技术与其他辅助技术相结合可能会达到意想不到的效果。燃料电池和小型超级电容的结合就是一种巧妙的组合。超级电容体积不大，却可以存储巨大的能量(见图3)。没有一种器件可以具备超级电容那样的峰值负载能力，以一种方便的方法为诸如硬盘驱动器、笔记本、摄像机和其他电子系统提供存储能量。通常，在缺少可以满足峰值要求的能量储液罐的情况下，一个超级电容可以提供其需要的平均功率。
这种高容量的超级电容，可以在2.7V电压下工作，内部电阻在几mΩ以下，寿命至少可以达到5年。一个用于笔记本电脑的带有能量存储器的燃料电池或可充电电池可产生10.8V锂离子笔记本电池的通用标称终端电压)电压，可以串联4个6F的超级电容，并利用一个并联的高阻值电阻保证价器件中的每个器件都有均衡的电压。在OEM生产水平，这4个超级电容的总成本不到10美元。在90s的补充燃料或更换电池期间，该能量存储器将把加在正在工作的笔记本DC/DC电源输入端的未调直流电压的变化限制在IV左右，使计算机能够不间断地运行。
在笔记本电脑和其他消费产品中，即使增加5美元的成本也不可小视，因此，产品制造商将在采用能量存储器之前进行认真的思考。在诸如笔记本的产品中，用户可以选择电池或燃料电池供电，能量存储器可以是基于燃料电池的电源总成的一个组成部分——可以作为一个选件。这样，消费者如果不使用燃料电池供电就不必支付能量存储器的费用。
燃料电池的非技术性制约因素
燃料电池的另一个问题是燃料的运输。在美国政府和国际规则下，航空旅客不能在商业班机上携带甲醇，也就是DMFC的燃料。另一个相关的问题是罐的标准化。笔记本工业在可处理的补给品的标准化方面没有成功的记录。然而，用户需要的是与标准碱性电池大体相同的方法使燃料罐标准化。标准化的缺乏大大缩小了迅速获得一个可更换燃料罐的可能性。
虽然有着种种困难，但是MTI还是在与OEM注行讨论，并已与Gillette公司的Duracell部门组成一个小组，为MTI的电池提供燃料补充罐。而后者有与政府进行安全法规方面协调的经验。
美国研究和特别计划署(RSPA)危险材料安全办公室指出，协调过程可能要花两年的时间。当前的第一步是提出一个将燃料电池工业与政府对燃料电池罐的管制建议相结合的报告，如果联合国可以接受，RSPA将采取行动更新美国联邦法规。因此，只有到了那时——2006和2007年之间——燃料电池才可能会在消费设备市场中出现。
总结
显而易见，到目前为止把燃料电池引进到便携电子产品还需要有效地解决业内许多公司合作的问题。所以，燃料电池不可能在一夜之间轰动整个电子工业。有几家公司认为，燃料电池将分阶段发展。第一个阶段将推出燃料电池供电的电池充电器。这些产品不必放进任何现有的产品内部。它可以通过标准的连接器连接笔记本原有的连接交流电源“砖块”的插头对可充电电池充电。第二个阶段很有可能出现燃料电池供电的产品，它可以替代现有的电池。第三个阶段是基于燃料电池的电源系统，可以插入笔记本电脑标准的可插拔设备仓内。第四个阶段是应用于更多电子产品，或许全部都使用插入燃料筒的燃料电池电源系统。
虽然燃料电池还没有达到其成熟阶段，但是它已经成为未来的趋势。对便携和手持电子产品的设计者来说，必须密切注意到这个发展趋势，否则就会错失产品创新的机会。除了燃料电池本身的挑战，开发燃料电池供电的电子产品同样是便携产品设计的一个机遇与挑战。
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