DMFC燃料电池便携式应用前景

2009年02月14日 16:02    比尔盖
关键词: DMFC , 便携式 , 燃料电池 , 应用前景
先后在Palm Computing、FujitsuPersonal Systems以及Zenith DataSystems任职的经历让我得以亲眼目睹消费电子行业中“电力鸿沟”的出现。由于电池技术跟不上电子产品的发展速度,便携式电源亟待创新。在消费电子领域,有一种长期不变的趋势与设备的功耗直接相关,即在一款手持产品中融合多种功能。目前,移动电话的设计包含数码相机、Wi-Fi、终端到终端的联接以及互动游戏功能等。
  MTI MicroFuel Cells的工作紧随这些行业的发展步伐。目前,我们正在将一种我们认为更佳的电源商品化,这种电源可满足手持消费电子产品市场的需求。直接甲醇燃料电池(DMFC)技术可确保更长的运行时间,并可在任何远离电网电源的地方即时充电,因而可提供真正的移动性。
  移动设备中的应用
  MTI Micro现已开发出一系列基于本公司的Mobion DMFC 平台的样品,解决了许多消费应用中的功耗难题。这些应用可分为三种独特的产品设计方法,包括外置、附带和嵌入式设计。
  自2006年以来,MTI Micro一直致力于开发和改善许多可用作多功能充电器和电源的外置电源组的设计。这些样品携带方便,允许重复加注甲醇。它们能够即时充电,并在途中为人们随身携带的小装置供电,包括手机、PDA、MP3、数码相机或游戏机等。
  2006年8月,MTIMicro推出一款95Wh样品,其连续运行时间超过锂离子电池的能量密度。2006年11月,该公司又生产出一款尺寸缩小40%的样品。2007年夏季,尺寸较第二款小30%以上的另一款样品问世。在不到一年的时间里,最新开发的样品其总尺寸缩小60%,达到200 ccs以下 (图1)。最新推出的样品自带一个燃料盒,可让一块普通手机电池完成8次全充电。对一位普通用户而言,这可为一部手机供电约一个月,或让客户使用高端专业数码相机拍摄6000多张照片。
  Mobion的第二种设计应用将燃料电池作为外置附件与一款手持设备集成。为了展示该应用,MIT Micro 针对SLR(单镜头反光)数码相机开发出一款相机手带式燃料电池样品,并在今年二月份举办的东京第4届氢能与燃料电池展(Hydrogen and Fuel Cell Expo)上首次展出了该样品(图2)。这种设计提供的能量相当于相同尺寸现有相机手带式电池组的2倍。与外置电源组相似,Mobion相机手带可通过重新加注甲醇来提供即时供电,这样,摄影师即可随时随地自由地延长照相机的使用时间,而不必通过墙壁上的插座充电。
  作为这种融合趋势的鲜明实例,目前DSLR照相机的设计加入了更多的功能,例如高清晰录像与视频回放。MTI Micro 的相机手带式样品表明,微型燃料电池技术可帮助生产商解决功耗问题,让他们能够继续创新,开发新的产品。
  最后,MTI Micro还在一个嵌入式应用程序中展示了一款适用于手持/室外GPS装置的可加注Mobion平台(图3)。在一个带全彩色大屏幕的模型上,该系统可持续运行60个小时,提供长达数周而非数日的典型使用。在这个设计中,燃料电池取代了四节AA电池,而提供的能量相当于原来的三倍。该设计包含一个USB界面,这使样品能够为小型电子装置供电,并作为外置充电器使用。此外,我们还展示了一个内嵌于智能手机中的新一代Mobion技术的概念模型(图3)。
  鉴于我们仅开发DMFC供电平台,产品决策将由我们的OEM合作伙伴决定,因此,尽管这些样品代表着MTI Micro寻求开发的应用,但考虑到OEM厂商的特殊需求,产品的总功率、尺寸和形状因素可能有所不同。目前,我们已与三家消费电子品OEM厂商就Mobion产品的评估和潜在商品化签署了联合开发协议。
  不久前,MTIMicro宣布与消费市场领先的超便携个人电脑(UMPC)开发商NeoSolar签署一项协议,联合开发由Mobion供电的便携式数字设备。今年五月份,我们宣布与全球领先的日本数码相机生产商签署一项开发协议,他们目前正在对Mobion样品进行评估与测试。2006年5月,MTIMicro与三星电子建立了战略合作关系,重点为移动电话及移动电话配件市场开发Mobion技术。在交付几款供评审使用的样品之后,MTIMicro于2007年10月宣布与三星电子签署一项合作协议,计划将于2009年面向消费市场推出一款微型燃料电池产品。
  与三星签署的非排他协议为我们进军移动电话领域提供了一个战略点。就锂离子电池市场而言,移动电话是最大的创收细分市场之一。根据Frost & Sullivan的市场调查预测,在全球消费锂离子电池市场上,微型燃料电池的销量到2011年将超过1亿。在2005年后的六年时间内,手持机市场上的部件销量将由近10亿翻一番。
  DMFC市场近况
  2008年4月,美国交通部(DOT)公布了一项最终规定,允许在客机上携带甲醇燃料电池和甲醇燃料。根据规定,乘客可在搭乘飞机时携带微型燃料电池,且每人最多只能带两个备用燃料盒。该规定继美国交通部于2007年9月20日公布的提议后制定,它将使美国的交通规章与2007年1月1日起生效的国际民航组织(International Civil Aviation Organization)采用的全球规章保持一致。包括加拿大、中国、日本和英国在内的全球许多国家已将该乘客限制纳入各自的国家标准。
  这一法规还将为甲醇燃料盒的基础设施建设开启大门,这需要与消费市场上DMFC技术的商业化同步实现。通过与Gillette / Duracell就甲醇燃料盒的生产和经销建立合作伙伴关系,我们将在该行业的这个方面发挥作用。MTI Micro将与Methanol Institute建立伙伴关系,开发代码与标准,解决法规问题。Methanol Institute是一个非赢利性的科教组织,致力于将甲醇作为一种清洁能源进行使用。
  尽管人们对适用于消费应用的微型燃料电池技术的上市时间仍存在批评意见,但供应链仍在继续发展,可以佐证的是,我们目前可从几家膜电极组件(MEA)供应商和质子交换膜(PEM)供应商中进行选择。
  供应链已完成面向直接甲醇燃料电池技术的整合,大型消费电子公司正在从事直接甲醇燃料电池的设计工作,并已于今年在技术上取得突破性进展。
  美国能源部(DOE)氢能、燃料电池和基础设施技术项目等联邦机构的政府经费也突出强调对直接甲醇燃料电池市场的支持。MTI Micro公司从该项目中获得一笔分摊费用的经费补贴,致力于实现燃料电池的尽早上市。除固定/分散和便携式应用外,它主要聚焦适用于轻型车辆的质子交换膜燃料电池。美国能源部发动全国实验室和大学以及一流的行业合作伙伴,以解决燃料电池商业化带来的技术障碍。
  技术难题
  在开拓诸如便携式电子产品等市场时,我们必须思考制造意义上的新兴技术。为了解决与商业化相关的难题,MTI Micro 将思路从让直接甲醇燃料电池工作变为借助直接甲醇燃料电池让生产和工作变得轻松。最终,MTI Micro设计出了自己的Mobion直接甲醇燃料电池技术,以自然的方式解决了几大关键的制造和性能难题,同时注重保持尺寸、简单性和能量密度的优先级。
  在直接甲醇燃料电池中,甲醇被用作一种燃料。为了引起化学反应,产生能量,需要在甲醇中加入水。阳极消耗水,阴极产生水。在处理电池中的水循环时有几种方法。
  在典型的主动式直接甲醇燃料电池系统中,利用外置水泵将水从阴极抽到阳极一侧,引起化学反应,产生能量(图4)。然而,这需要另带微型水泵和微型管道,以形成水循环,这就会在尺寸、复杂性和成本方面增加难度。
  另一种方法是采用低内能被动式直接甲醇燃料电池系统,无须使用微型水泵或管道,但需在一个水箱内同时携带在阳极一侧发生化学反应所需的水以及燃料(图5)。然而,水与甲醇混合可能稀释燃料,导致能量密度降低。
  对于在消费装置中集成燃料电池技术构成挑战的另一项重要的技术要求是电池必须在规定的湿度和温度范围内才能有效地发挥作用。直接甲醇燃料电池技术的价值主张是让手持电子装置真正便携,这样,您就可以随时随地使用手持装置。这意味着,电池需要在锂离子技术能够容忍的极端气候中发挥作用。
  MTI Micro为开发Mobion无电网便携式电源解决方案所做的工作直接解决了这些技术难题。我们认为,我们在直接甲醇燃料电池设计的开发方面面临一个转折点。直接甲醇燃料电池的设计不仅拥有为未来的手持式电子装置提供电力所需的性能,同时还展出了在消费市场的各细分市场上进行商业化所需的工艺性特点。
  MTI Micro的Mobion DMFC技术允许将100%甲醇直接注入直接甲醇燃料电池的阳极一侧,因而无须在系统内携带水或微型泵与微型管道子系统(图5)。这种方法的一个重要特点是如何通过在电池内的均匀分布适当控制电池内100% 甲醇的供应,以及如何在不使用水泵的情况下让水在电池内从阴极(空气)一侧流动到阳极(燃料)一侧。
  MTI Micro的这项专利技术可免予使用微型泵和微型管道,电池在进行水流管理时不消耗能量,因而可使设备更加小巧、高效。此外,我们的设计可在整个PEM 内均匀地分布甲醇,从而优化表面积的使用。这些特点均有助于缩小被动式微型燃料系统的总体尺寸,同时可在为消费装置供电时确保出色的运行时间。
  根据《Journal of Power Sources》发表的一份行业报告,对直接甲醇微型燃料电池所做的测试表明,电池在运转360个小时后,电力损耗最高达35%。在测试中,Mobion的一款实验室电池于今年七月份获得连续运转2,700 个小时的佳绩。这成功地表明,电力损耗不到15%,这是一项具有重要意义的成就。我们认为,这也是微型燃料电池行业的一大突破。
  就我们的被动式直接甲醇燃料电池而言,在工艺性和性能方面的一项重大决策是在一个状如芯片的模组式结构内放置MEA,该结构相当于燃料电池的心脏或引擎。Mobion芯片经注塑成形,可将16个部件有效地减少为一个。这种方法的成功之处在于创造了一个简单的“一块芯片适用所有”的解决方案,使批量生产更加轻松,费用更低。
  在6个月的时间里,我们将芯片的尺寸缩小了40%,达到9cc。为了进一步小型化,我们通过设计对芯片进行了优化。芯片的性能表明,能量密度为50mW/cm2,燃料的效率为1.4whr。芯片的重量不足1盎司,能够解决被动式设计中由重力引起的定位问题,确保灵活的直接甲醇燃料电池解决方案适合手持式设备生产商。此外,芯片还使我们的Mobion平台能够在宽泛的环境范围内运转,这包括温度介于0C 到 40C之间,湿度水平不限。对于有意在产品中应用微型燃料电池的OEM而言,这是一项标准和规定。
  生产准备
  为了推进微型燃料电池技术的商业化进程,MTI Micro目前正在努力实现今年的目标,即准备生产Mobion平台。为了开发生产工艺,提高组件的可靠性和一致性,最终实现从MTI Micro到合作伙伴的高效转型,该公司已于一月份在纽约州奥尔巴尼市的工厂里推出开发型试生产线。
  2007年秋季,对开发型试生产线生产的Mobion样品系统进行初步测试后表明,能量和电力均提高了10%。这些成就要归功于平台设计的改进和开发型试生产线的子系统的可靠性。今年年初,MTI Micro 在美国能源部共享了这些测试结果,并对样品予以展示。
  为了以高成本效益的方式增加组件的产量,以满足潜在及现有客户的需求,同时考虑通过交付更多相同的Mobion系统进行更为广泛的测试,公司目前正在寻找海外生产合作伙伴。
  该战略与MIT Micro在亚洲实施的持续业务开发保持一致,我们在中国上海建立了办事处,在韩国和日本任命专人管理客户关系,与本地区的生产商和技术开发商共同寻求机会,建立合作伙伴关系。
  结语
  目前,便携式设备尚非真正意义上的“移动”。最后一根线 - 充电线-将用户束缚于墙上。微型燃料电池技术有望切断这最后的一根线,帮助制造商扫除障碍,为个人提供真正的移动性,这也是便携式消费技术中的下一个逻辑创新。

  图1 尺寸缩小的电源组样品,这款外置微型燃料电池可用作多功能充电器

  图2 SLR 数码相机手带式燃料电池,这款附带式微型燃料电池可为设备直接供电,也可为内置电池充电。

  图3 由微型燃料电池供电的室外 GPS 装置和智能手机概念设计

  图 4 低内能直接甲醇燃料电池(DMFC)主动系统


  图 5 低内能直接甲醇燃料电池(DMFC)被动系统

  图6 MTI Micro Mobion 技术

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