DMFC燃料電池便攜式應(yīng)用前景

　　先后在Palm Computing、Fujitsu Personal Systems以及Zenith Data Systems任職的經(jīng)歷讓我得以親眼目睹消費(fèi)電子行業(yè)中“電力鴻溝”的出現(xiàn)。由于電池技術(shù)跟不上電子產(chǎn)品的發(fā)展速度，便攜式電源亟待創(chuàng)新。在消費(fèi)電子領(lǐng)域，有一種長期不變的趨勢(shì)與設(shè)備的功耗直接相關(guān)，即在一款手持產(chǎn)品中融合多種功能。目前，移動(dòng)電話的設(shè)計(jì)包含數(shù)碼相機(jī)、Wi-Fi、終端到終端的聯(lián)接以及互動(dòng)游戲功能等。

　　MTI MicroFuel Cells的工作緊隨這些行業(yè)的發(fā)展步伐。目前，我們正在將一種我們認(rèn)為更佳的電源商品化，這種電源可滿足手持消費(fèi)電子產(chǎn)品市場(chǎng)的需求。直接甲醇燃料電池(DMFC)技術(shù)可確保更長的運(yùn)行時(shí)間，并可在任何遠(yuǎn)離電網(wǎng)電源的地方即時(shí)充電，因而可提供真正的移動(dòng)性。

　　移動(dòng)設(shè)備中的應(yīng)用

　　MTI Micro現(xiàn)已開發(fā)出一系列基于本公司的Mobion DMFC 平臺(tái)的樣品，解決了許多消費(fèi)應(yīng)用中的功耗難題。這些應(yīng)用可分為三種獨(dú)特的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，包括外置、附帶和嵌入式設(shè)計(jì)。

　　自2006年以來，MTI Micro一直致力于開發(fā)和改善許多可用作多功能充電器和電源的外置電源組的設(shè)計(jì)。這些樣品攜帶方便，允許重復(fù)加注甲醇。它們能夠即時(shí)充電，并在途中為人們隨身攜帶的小裝置供電，包括手機(jī)、PDA、MP3、數(shù)碼相機(jī)或游戲機(jī)等。

　　2006年8月，MTI Micro推出一款95Wh樣品，其連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過鋰離子電池的能量密度。2006年11月，該公司又生產(chǎn)出一款尺寸縮小40%的樣品。2007年夏季，尺寸較第二款小30%以上的另一款樣品問世。在不到一年的時(shí)間里，最新開發(fā)的樣品其總尺寸縮小60%，達(dá)到200 ccs以下 (圖1) 。最新推出的樣品自帶一個(gè)燃料盒，可讓一塊普通手機(jī)電池完成8次全充電。對(duì)一位普通用戶而言，這可為一部手機(jī)供電約一個(gè)月，或讓客戶使用高端專業(yè)數(shù)碼相機(jī)拍攝6000多張照片。

　　Mobion的第二種設(shè)計(jì)應(yīng)用將燃料電池作為外置附件與一款手持設(shè)備集成。為了展示該應(yīng)用，MIT Micro 針對(duì)SLR(單鏡頭反光)數(shù)碼相機(jī)開發(fā)出一款相機(jī)手帶式燃料電池樣品，并在今年二月份舉辦的東京第4屆氫能與燃料電池展(Hydrogen and Fuel Cell Expo)上首次展出了該樣品(圖2)。這種設(shè)計(jì)提供的能量相當(dāng)于相同尺寸現(xiàn)有相機(jī)手帶式電池組的2倍。與外置電源組相似，Mobion相機(jī)手帶可通過重新加注甲醇來提供即時(shí)供電，這樣，攝影師即可隨時(shí)隨地自由地延長照相機(jī)的使用時(shí)間，而不必通過墻壁上的插座充電。

　　作為這種融合趨勢(shì)的鮮明實(shí)例，目前DSLR照相機(jī)的設(shè)計(jì)加入了更多的功能，例如高清晰錄像與視頻回放。MTI Micro 的相機(jī)手帶式樣品表明，微型燃料電池技術(shù)可幫助生產(chǎn)商解決功耗問題，讓他們能夠繼續(xù)創(chuàng)新，開發(fā)新的產(chǎn)品。

　　最后，MTI Micro還在一個(gè)嵌入式應(yīng)用程序中展示了一款適用于手持/室外GPS裝置的可加注Mobion平臺(tái)(圖3)。在一個(gè)帶全彩色大屏幕的模型上，該系統(tǒng)可持續(xù)運(yùn)行60個(gè)小時(shí)，提供長達(dá)數(shù)周而非數(shù)日的典型使用。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，燃料電池取代了四節(jié)AA電池，而提供的能量相當(dāng)于原來的三倍。該設(shè)計(jì)包含一個(gè)USB界面，這使樣品能夠?yàn)樾⌒碗娮友b置供電，并作為外置充電器使用。此外，我們還展示了一個(gè)內(nèi)嵌于智能手機(jī)中的新一代Mobion技術(shù)的概念模型(圖3)。

　　鑒于我們僅開發(fā)DMFC供電平臺(tái)，產(chǎn)品決策將由我們的OEM合作伙伴決定，因此，盡管這些樣品代表著MTI Micro 尋求開發(fā)的應(yīng)用，但考慮到OEM廠商的特殊需求，產(chǎn)品的總功率、尺寸和形狀因素可能有所不同。目前，我們已與三家消費(fèi)電子品OEM廠商就Mobion產(chǎn)品的評(píng)估和潛在商品化簽署了聯(lián)合開發(fā)協(xié)議。

　　不久前，MTI Micro宣布與消費(fèi)市場(chǎng)領(lǐng)先的超便攜個(gè)人電腦(UMPC)開發(fā)商N(yùn)eoSolar簽署一項(xiàng)協(xié)議，聯(lián)合開發(fā)由Mobion供電的便攜式數(shù)字設(shè)備。今年五月份，我們宣布與全球領(lǐng)先的日本數(shù)碼相機(jī)生產(chǎn)商簽署一項(xiàng)開發(fā)協(xié)議，他們目前正在對(duì)Mobion樣品進(jìn)行評(píng)估與測(cè)試。2006年5月，MTI Micro與三星電子建立了戰(zhàn)略合作關(guān)系，重點(diǎn)為移動(dòng)電話及移動(dòng)電話配件市場(chǎng)開發(fā)Mobion技術(shù)。在交付幾款供評(píng)審使用的樣品之后，MTI Micro于2007年10月宣布與三星電子簽署一項(xiàng)合作協(xié)議，計(jì)劃將于2009年面向消費(fèi)市場(chǎng)推出一款微型燃料電池產(chǎn)品。

　　與三星簽署的非排他協(xié)議為我們進(jìn)軍移動(dòng)電話領(lǐng)域提供了一個(gè)戰(zhàn)略點(diǎn)。就鋰離子電池市場(chǎng)而言，移動(dòng)電話是最大的創(chuàng)收細(xì)分市場(chǎng)之一。根據(jù)Frost & Sullivan的市場(chǎng)調(diào)查預(yù)測(cè)，在全球消費(fèi)鋰離子電池市場(chǎng)上，微型燃料電池的銷量到2011年將超過1億。在2005年后的六年時(shí)間內(nèi)，手持機(jī)市場(chǎng)上的部件銷量將由近10億翻一番。

　　DMFC市場(chǎng)近況

　　2008年4月，美國交通部(DOT)公布了一項(xiàng)最終規(guī)定，允許在客機(jī)上攜帶甲醇燃料電池和甲醇燃料。根據(jù)規(guī)定，乘客可在搭乘飛機(jī)時(shí)攜帶微型燃料電池，且每人最多只能帶兩個(gè)備用燃料盒。該規(guī)定繼美國交通部于2007年9月20日公布的提議后制定，它將使美國的交通規(guī)章與2007年1月1日起生效的國際民航組織(International Civil Aviation Organization)采用的全球規(guī)章保持一致。包括加拿大、中國、日本 和英國在內(nèi)的全球許多國家已將該乘客限制納入各自的國家標(biāo)準(zhǔn)。

　　這一法規(guī)還將為甲醇燃料盒的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)開啟大門，這需要與消費(fèi)市場(chǎng)上DMFC技術(shù)的商業(yè)化同步實(shí)現(xiàn)。通過與Gillette / Duracell就甲醇燃料盒的生產(chǎn)和經(jīng)銷建立合作伙伴關(guān)系，我們將在該行業(yè)的這個(gè)方面發(fā)揮作用。MTI Micro將與Methanol Institute建立伙伴關(guān)系，開發(fā)代碼與標(biāo)準(zhǔn)，解決法規(guī)問題。Methanol Institute是一個(gè)非贏利性的科教組織，致力于將甲醇作為一種清潔能源進(jìn)行使用。

　　盡管人們對(duì)適用于消費(fèi)應(yīng)用的微型燃料電池技術(shù)的上市時(shí)間仍存在批評(píng)意見，但供應(yīng)鏈仍在繼續(xù)發(fā)展，可以佐證的是，我們目前可從幾家膜電極組件(MEA)供應(yīng)商和質(zhì)子交換膜(PEM)供應(yīng)商中進(jìn)行選擇。

　　供應(yīng)鏈已完成面向直接甲醇燃料電池技術(shù)的整合，大型消費(fèi)電子公司正在從事直接甲醇燃料電池的設(shè)計(jì)工作，并已于今年在技術(shù)上取得突破性進(jìn)展。

　　美國能源部(DOE)氫能、燃料電池和基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)項(xiàng)目等聯(lián)邦機(jī)構(gòu)的政府經(jīng)費(fèi)也突出強(qiáng)調(diào)對(duì)直接甲醇燃料電池市場(chǎng)的支持。MTI Micro公司從該項(xiàng)目中獲得一筆分?jǐn)傎M(fèi)用的經(jīng)費(fèi)補(bǔ)貼，致力于實(shí)現(xiàn)燃料電池的盡早上市。除固定/分散和便攜式應(yīng)用外，它主要聚焦適用于輕型車輛的質(zhì)子交換膜燃料電池。美國能源部發(fā)動(dòng)全國實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)以及一流的行業(yè)合作伙伴，以解決燃料電池商業(yè)化帶來的技術(shù)障礙。

　　技術(shù)難題

　　在開拓諸如便攜式電子產(chǎn)品等市場(chǎng)時(shí)，我們必須思考制造意義上的新興技術(shù)。為了解決與商業(yè)化相關(guān)的難題，MTI Micro 將思路從讓直接甲醇燃料電池工作變?yōu)榻柚苯蛹状既剂想姵刈屔a(chǎn)和工作變得輕松。最終，MTI Micro設(shè)計(jì)出了自己的Mobion直接甲醇燃料電池技術(shù)，以自然的方式解決了幾大關(guān)鍵的制造和性能難題，同時(shí)注重保持尺寸、簡(jiǎn)單性和能量密度的優(yōu)先級(jí)。

　　在直接甲醇燃料電池中，甲醇被用作一種燃料。為了引起化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生能量，需要在甲醇中加入水。陽極消耗水，陰極產(chǎn)生水。在處理電池中的水循環(huán)時(shí)有幾種方法。

　　在典型的主動(dòng)式直接甲醇燃料電池系統(tǒng)中，利用外置水泵將水從陰極抽到陽極一側(cè)，引起化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生能量(圖4)。然而，這需要另帶微型水泵和微型管道，以形成水循環(huán)，這就會(huì)在尺寸、復(fù)雜性和成本方面增加難度。

　　另一種方法是采用低內(nèi)能被動(dòng)式直接甲醇燃料電池系統(tǒng)，無須使用微型水泵或管道，但需在一個(gè)水箱內(nèi)同時(shí)攜帶在陽極一側(cè)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所需的水以及燃料(圖5)。然而，水與甲醇混合可能稀釋燃料，導(dǎo)致能量密度降低。

　　對(duì)于在消費(fèi)裝置中集成燃料電池技術(shù)構(gòu)成挑戰(zhàn)的另一項(xiàng)重要的技術(shù)要求是電池必須在規(guī)定的濕度和溫度范圍內(nèi)才能有效地發(fā)揮作用。直接甲醇燃料電池技術(shù)的價(jià)值主張是讓手持電子裝置真正便攜，這樣，您就可以隨時(shí)隨地使用手持裝置。這意味著，電池需要在鋰離子技術(shù)能夠容忍的極端氣候中發(fā)揮作用。

　　MTI Micro為開發(fā)Mobion無電網(wǎng)便攜式電源解決方案所做的工作直接解決了這些技術(shù)難題。我們認(rèn)為，我們?cè)谥苯蛹状既剂想姵卦O(shè)計(jì)的開發(fā)方面面臨一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。直接甲醇燃料電池的設(shè)計(jì)不僅擁有為未來的手持式電子裝置提供電力所需的性能，同時(shí)還展出了在消費(fèi)市場(chǎng)的各細(xì)分市場(chǎng)上進(jìn)行商業(yè)化所需的工藝性特點(diǎn)。

　　MTI Micro的Mobion DMFC技術(shù)允許將100%甲醇直接注入直接甲醇燃料電池的陽極一側(cè)，因而無須在系統(tǒng)內(nèi)攜帶水或微型泵與微型管道子系統(tǒng)(圖5)。這種方法的一個(gè)重要特點(diǎn)是如何通過在電池內(nèi)的均勻分布適當(dāng)控制電池內(nèi)100% 甲醇的供應(yīng)，以及如何在不使用水泵的情況下讓水在電池內(nèi)從陰極(空氣)一側(cè)流動(dòng)到陽極(燃料)一側(cè)。

　　MTI Micro的這項(xiàng)專利技術(shù)可免予使用微型泵和微型管道，電池在進(jìn)行水流管理時(shí)不消耗能量，因而可使設(shè)備更加小巧、高效。此外，我們的設(shè)計(jì)可在整個(gè)PEM 內(nèi)均勻地分布甲醇，從而優(yōu)化表面積的使用。這些特點(diǎn)均有助于縮小被動(dòng)式微型燃料系統(tǒng)的總體尺寸，同時(shí)可在為消費(fèi)裝置供電時(shí)確保出色的運(yùn)行時(shí)間。

　　根據(jù)《Journal of Power Sources》發(fā)表的一份行業(yè)報(bào)告，對(duì)直接甲醇微型燃料電池所做的測(cè)試表明，電池在運(yùn)轉(zhuǎn)360個(gè)小時(shí)后，電力損耗最高達(dá)35%。在測(cè)試中，Mobion的一款實(shí)驗(yàn)室電池于今年七月份獲得連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)2,700 個(gè)小時(shí)的佳績(jī)。這成功地表明，電力損耗不到15%，這是一項(xiàng)具有重要意義的成就。我們認(rèn)為，這也是微型燃料電池行業(yè)的一大突破。

　　就我們的被動(dòng)式直接甲醇燃料電池而言，在工藝性和性能方面的一項(xiàng)重大決策是在一個(gè)狀如芯片的模組式結(jié)構(gòu)內(nèi)放置MEA，該結(jié)構(gòu)相當(dāng)于燃料電池的心臟或引擎。Mobion芯片經(jīng)注塑成形，可將16個(gè)部件有效地減少為一個(gè)。這種方法的成功之處在于創(chuàng)造了一個(gè)簡(jiǎn)單的“一塊芯片適用所有”的解決方案，使批量生產(chǎn)更加輕松，費(fèi)用更低。

　　在6個(gè)月的時(shí)間里，我們將芯片的尺寸縮小了40%，達(dá)到9cc。為了進(jìn)一步小型化，我們通過設(shè)計(jì)對(duì)芯片進(jìn)行了優(yōu)化。芯片的性能表明，能量密度為50mW/cm2，燃料的效率為1.4whr。芯片的重量不足1盎司，能夠解決被動(dòng)式設(shè)計(jì)中由重力引起的定位問題，確保靈活的直接甲醇燃料電池解決方案適合手持式設(shè)備生產(chǎn)商。此外，芯片還使我們的Mobion平臺(tái)能夠在寬泛的環(huán)境范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，這包括溫度介于0C 到 40C之間，濕度水平不限。對(duì)于有意在產(chǎn)品中應(yīng)用微型燃料電池的OEM而言，這是一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。

　　生產(chǎn)準(zhǔn)備

　　為了推進(jìn)微型燃料電池技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程，MTI Micro目前正在努力實(shí)現(xiàn)今年的目標(biāo)，即準(zhǔn)備生產(chǎn)Mobion平臺(tái)。為了開發(fā)生產(chǎn)工藝，提高組件的可靠性和一致性，最終實(shí)現(xiàn)從MTI Micro到合作伙伴的高效轉(zhuǎn)型，該公司已于一月份在紐約州奧爾巴尼市的工廠里推出開發(fā)型試生產(chǎn)線。

　　2007年秋季，對(duì)開發(fā)型試生產(chǎn)線生產(chǎn)的Mobion樣品系統(tǒng)進(jìn)行初步測(cè)試后表明，能量和電力均提高了10%。這些成就要?dú)w功于平臺(tái)設(shè)計(jì)的改進(jìn)和開發(fā)型試生產(chǎn)線的子系統(tǒng)的可靠性。今年年初，MTI Micro 在美國能源部共享了這些測(cè)試結(jié)果，并對(duì)樣品予以展示。

　　為了以高成本效益的方式增加組件的產(chǎn)量，以滿足潛在及現(xiàn)有客戶的需求，同時(shí)考慮通過交付更多相同的Mobion系統(tǒng)進(jìn)行更為廣泛的測(cè)試，公司目前正在尋找海外生產(chǎn)合作伙伴。

　　該戰(zhàn)略與MIT Micro在亞洲實(shí)施的持續(xù)業(yè)務(wù)開發(fā)保持一致，我們?cè)谥袊虾＝⒘宿k事處，在韓國和日本任命專人管理客戶關(guān)系，與本地區(qū)的生產(chǎn)商和技術(shù)開發(fā)商共同尋求機(jī)會(huì)，建立合作伙伴關(guān)系。

　　結(jié)語

　　目前，便攜式設(shè)備尚非真正意義上的“移動(dòng)”。最后一根線 - 充電線-將用戶束縛于墻上。微型燃料電池技術(shù)有望切斷這最后的一根線，幫助制造商掃除障礙，為個(gè)人提供真正的移動(dòng)性，這也是便攜式消費(fèi)技術(shù)中的下一個(gè)邏輯創(chuàng)新。

　　圖1 尺寸縮小的電源組樣品，這款外置微型燃料電池可用作多功能充電器

　　圖2 SLR 數(shù)碼相機(jī)手帶式燃料電池，這款附帶式微型燃料電池可為設(shè)備直接供電，也可為內(nèi)置電池充電。

　　圖3 由微型燃料電池供電的室外 GPS 裝置和智能手機(jī)概念設(shè)計(jì)

　　圖 4 低內(nèi)能直接甲醇燃料電池(DMFC)主動(dòng)系統(tǒng)

　　圖 5 低內(nèi)能直接甲醇燃料電池(DMFC)被動(dòng)系統(tǒng)

　　圖6 MTI Micro Mobion 技術(shù)