只需半杯甲醇的燃料電池技術(shù)
——
作者：Dan Strassberg,EDN 特約技術(shù)編輯
時(shí)間：2005-09-04
來(lái)源：EDN電子設(shè)計(jì)技術(shù)
收藏
英飛凌汽車(chē)電子生態(tài)圈
掃碼關(guān)注
獲取最新最全汽車(chē)電子
技術(shù)方案與實(shí)用技巧
只需半杯甲醇的燃料電池技術(shù)
便攜式和手持式電子產(chǎn)品用的燃料電池尚未成熟。即使如此，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師仍必須懂得：把燃料電池設(shè)計(jì)到產(chǎn)品中去將需要好的思路和規(guī)劃。
要點(diǎn)
● 燃料電池逐步應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備的可能性要比一夜之間代替蓄電池的可能性更大。
● 與蓄電池不同，燃料電池不能通過(guò)交流電源線再充電。因此，由燃料電池供電的產(chǎn)品在有交流電源時(shí)還必須由交流電源來(lái)供電，這樣的產(chǎn)品與沒(méi)有交流電源時(shí)使用蓄電池的同類產(chǎn)品相比，體積大，重量重，成本高。
● 將原來(lái)由蓄電池供電的產(chǎn)品設(shè)計(jì)成由燃料電池供電并非只是用燃料電池更換蓄電池而已。
● 當(dāng)你在高密度封裝的電子產(chǎn)品中使用燃料電池時(shí)，燃料電池在工作期間散發(fā)的熱量會(huì)使已經(jīng)很復(fù)雜的熱設(shè)計(jì)問(wèn)題更加復(fù)雜化。
● 便攜產(chǎn)品用小型燃料電池的燃料盒尺寸及其它主要規(guī)范不能迅速標(biāo)準(zhǔn)化，可能會(huì)危及這種電源的前途。
因燃料電池用于便攜式電子設(shè)備而引起的激動(dòng)程度不如談及燃料電池如何代替汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)時(shí)強(qiáng)烈。盡管如此，你可以從很多公司看到一些高水平的研究活動(dòng)，特別是日本的筆記本電腦制造廠商，其中有些制造廠商已經(jīng)開(kāi)發(fā)出用于概念驗(yàn)證的實(shí)用原型（圖 1）。迄今為止，我們還無(wú)法買(mǎi)到燃料電池供電的攝像機(jī)、手機(jī)、PDA、筆記本電腦或測(cè)試儀器。制造廠商們認(rèn)為用燃料電池供電的電子產(chǎn)品會(huì)在 2005 年圣誕面市，但業(yè)界也有許多人持懷疑態(tài)度，認(rèn)為這種推測(cè)顯得過(guò)于樂(lè)觀。然而，如果你開(kāi)發(fā)便攜式電子產(chǎn)品，你就必定會(huì)密切關(guān)注燃料電池的開(kāi)發(fā)。燃料電池確實(shí)有很多重要優(yōu)點(diǎn)，特別是在使用交流電源有問(wèn)題的場(chǎng)合。設(shè)計(jì)用燃料電池供電的電子產(chǎn)品牽涉到方方面面的問(wèn)題，并不只是把蓄電池?fù)Q成燃料電池這么簡(jiǎn)單。
圖 1, NEC公司開(kāi)發(fā)的由燃料電池供電的筆記本電腦概念驗(yàn)證樣機(jī)，沒(méi)有使用插入式燃料盒，而是用瓶子來(lái)提供甲醇燃料。
盡管燃料電池大約有十幾種，但僅少數(shù)幾種適用于便攜式和手持式電子產(chǎn)品。有幾種燃料電池的體積、重量和輸出功率都太大，都要比電子產(chǎn)品所需的大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，有些大功率燃料電池周?chē)仨氁虚_(kāi)放的空間，因?yàn)樗鼈兊墓ぷ鳒囟葮O高。事實(shí)上，有關(guān)便攜式電子產(chǎn)品用燃料電池的研究工作幾乎全都集中在一種燃料電池，亦即DMFC（直接甲醇燃料電池）上。Medis 技術(shù)公司則提倡另一種燃料電池，人們稱之為 DLFC（直接液體燃料電池）或 AFC（堿性氫氧燃料電池），該公司堅(jiān)信，在為便攜式電子產(chǎn)品供電方面，DLFC或AFC技術(shù)比 DMFC更實(shí)用，更便宜。
你或許認(rèn)為燃料電池不是充電電池的替代品，而是一種互補(bǔ)技術(shù)。許多便攜式設(shè)備用戶已經(jīng)習(xí)慣于把隨身攜帶的電子設(shè)備插入交流電源線墻式插座，給蓄電池充電，他們不愿意放棄這種簡(jiǎn)便的方法，而改成更換燃料盒或向一個(gè)容器里添加液體燃料。
但是，也有些用戶可能更愿意攜帶燃料盒或液體燃料瓶，因?yàn)樗麄兿Ｍ@得的供電時(shí)間比實(shí)用尺寸和重量的蓄電池供電產(chǎn)品更長(zhǎng)，或者不愿意等待再充電而更喜歡采用攜帶的燃料盒或液體燃料瓶。這一群體，除了希望筆記本電腦的電池壽命不低于跨越大陸的飛行時(shí)間（即大約八個(gè)小時(shí)）的流動(dòng)官員之外，還包括其他許多人。其它可能會(huì)接受燃料盒的人員可能是在工業(yè)環(huán)境和倉(cāng)庫(kù)中工作的人員，因?yàn)樵谶@種場(chǎng)合，找到交流電源可能是很不方便的，而且也不可能有時(shí)間對(duì)電池充電。
成本：初始成本和燃料成本
接下來(lái)談?wù)劤杀締?wèn)題。燃料電池的制造商們堅(jiān)持認(rèn)為，當(dāng)DFMC 和 DLFC 進(jìn)入大量生產(chǎn)時(shí)，其價(jià)格將可以與鋰離子電池相競(jìng)爭(zhēng)。燃料補(bǔ)給費(fèi)用合理這一點(diǎn)幾乎是沒(méi)有爭(zhēng)議的；消耗性材料——DMFC 用的甲醇，Medis 公司 DLFC 用的 KOH（氫氧化鉀）——都很便宜。Medis 公司說(shuō)它的耗材是 KOH，但沒(méi)有在該公司工作的化學(xué)家則懷疑 Medis公司 可能隱瞞了真實(shí)的材料成份。一次性燃料盒的費(fèi)用大概是適中的，一些制造商說(shuō)，一次性燃料盒是給小型燃料電池補(bǔ)充燃料或輸送少量燃料的唯一可行方法。但是，制造廠商還沒(méi)有大量銷售商用產(chǎn)品，因此現(xiàn)在很難對(duì)這種非消耗性硬件低成本的種種斷言是否準(zhǔn)確下定論。例如，Medis公司 認(rèn)為， DMFC 的擁護(hù)者沒(méi)有如實(shí)充分說(shuō)出解決幾個(gè)問(wèn)題的費(fèi)用，而這幾個(gè)問(wèn)題決定著DMFC 技術(shù)是否適合為便攜式電子設(shè)備供電。Medis公司 自稱它的 DLFC 技術(shù)沒(méi)有這些問(wèn)題。
你可能會(huì)問(wèn)，到底是什麼阻礙了便攜產(chǎn)品設(shè)計(jì)師為用戶設(shè)計(jì)這樣一種產(chǎn)品，亦即既可以用交流電源充電，又可以通過(guò)更換燃料盒或添加燃料來(lái)補(bǔ)充能量的產(chǎn)品。答案是：體積、重量和成本。雖然幾家燃料電池制造商都已經(jīng)提出了一種可直接替代筆記本電腦的鋰離子電池的FCS （燃料電池系統(tǒng)）（圖 2），其中 Intel公司 還提出了一種可以裝入電腦的可拆卸光驅(qū)機(jī)架中的 FCS，但這些FCS都不完美。例如，一個(gè)洲際旅行者可能不愿攜帶“磚塊式”的外置電源（用于整夜充電，以便白天為客戶作演示），但也不會(huì)攜帶 FCS 和另外的燃料盒（在飛機(jī)上使用）。此外，攜帶光驅(qū)機(jī)架 FCS 的旅行者無(wú)法在飛機(jī)上看 DVD 電影，因?yàn)殡娔X不能同時(shí)使用光驅(qū)和燃料電池電源。
圖 2，Neah 電源系統(tǒng)公司認(rèn)為燃料電池電源系統(tǒng)可能取代為現(xiàn)有筆記本電腦供電的鋰離子電池。左圖和右圖是同一物體的不同視圖。在右圖中，燃料盒是在頂部，但在日常使用時(shí)，它應(yīng)置放在電腦的底面。
這些情況的潛在復(fù)雜性，肯定會(huì)產(chǎn)生這樣一個(gè)問(wèn)題：在使用交流電源有問(wèn)題的情況下，為什么不考慮采用一種不同于燃料電池的技術(shù)在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)為電子設(shè)備供電。普遍使用的堿性電池（一般不能再充電）通?？梢杂米鱌DA等低功率設(shè)備的候選電源。然而，在筆記本電腦等需要更大功率的設(shè)備中，你不得不頻繁地更換堿性電池，很不方便。所以，更換電池的體積和成本使堿性電池不可能用于每次充電需要幾瓦-時(shí)的設(shè)備中。
另外你也沒(méi)有理由期望第一批采用燃料電池供電的電子設(shè)備在補(bǔ)充一次燃料后的使用時(shí)間，會(huì)比再充電電池供電的設(shè)備在電池充滿電后的使用時(shí)間長(zhǎng)很多。燃料電池制造廠商預(yù)計(jì)，一開(kāi)始燃料電池在使用時(shí)間上具有略長(zhǎng)于鋰離子電池的優(yōu)勢(shì)。但這些廠家堅(jiān)持認(rèn)為，這種優(yōu)勢(shì)將隨時(shí)間而增大，而且在其推出后幾年，同等體積下燃料電池的使用時(shí)間將比普通蓄電池長(zhǎng)至少 1～2 倍，甚至更長(zhǎng)。而且，燃料電池制造商還認(rèn)為，即使在剛面市時(shí)，如果你將燃料電池與同等重量的鋰離子電池進(jìn)行比較，則燃料電池的優(yōu)勢(shì)一開(kāi)始就會(huì)是很大的， DMFC 和 DLFC的 重量要比同樣大小的鋰離子電池輕。
蓄電池的改進(jìn)：初顯端倪
要點(diǎn)
● 燃料電池逐步應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備的可能性要比一夜之間代替蓄電池的可能性更大。
● 與蓄電池不同，燃料電池不能通過(guò)交流電源線再充電。因此，由燃料電池供電的產(chǎn)品在有交流電源時(shí)還必須由交流電源來(lái)供電，這樣的產(chǎn)品與沒(méi)有交流電源時(shí)使用蓄電池的同類產(chǎn)品相比，體積大，重量重，成本高。
● 將原來(lái)由蓄電池供電的產(chǎn)品設(shè)計(jì)成由燃料電池供電并非只是用燃料電池更換蓄電池而已。
● 當(dāng)你在高密度封裝的電子產(chǎn)品中使用燃料電池時(shí)，燃料電池在工作期間散發(fā)的熱量會(huì)使已經(jīng)很復(fù)雜的熱設(shè)計(jì)問(wèn)題更加復(fù)雜化。
● 便攜產(chǎn)品用小型燃料電池的燃料盒尺寸及其它主要規(guī)范不能迅速標(biāo)準(zhǔn)化，可能會(huì)危及這種電源的前途。
因燃料電池用于便攜式電子設(shè)備而引起的激動(dòng)程度不如談及燃料電池如何代替汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)時(shí)強(qiáng)烈。盡管如此，你可以從很多公司看到一些高水平的研究活動(dòng)，特別是日本的筆記本電腦制造廠商，其中有些制造廠商已經(jīng)開(kāi)發(fā)出用于概念驗(yàn)證的實(shí)用原型（圖 1）。迄今為止，我們還無(wú)法買(mǎi)到燃料電池供電的攝像機(jī)、手機(jī)、PDA、筆記本電腦或測(cè)試儀器。制造廠商們認(rèn)為用燃料電池供電的電子產(chǎn)品會(huì)在 2005 年圣誕面市，但業(yè)界也有許多人持懷疑態(tài)度，認(rèn)為這種推測(cè)顯得過(guò)于樂(lè)觀。然而，如果你開(kāi)發(fā)便攜式電子產(chǎn)品，你就必定會(huì)密切關(guān)注燃料電池的開(kāi)發(fā)。燃料電池確實(shí)有很多重要優(yōu)點(diǎn)，特別是在使用交流電源有問(wèn)題的場(chǎng)合。設(shè)計(jì)用燃料電池供電的電子產(chǎn)品牽涉到方方面面的問(wèn)題，并不只是把蓄電池?fù)Q成燃料電池這么簡(jiǎn)單。
圖 1, NEC公司開(kāi)發(fā)的由燃料電池供電的筆記本電腦概念驗(yàn)證樣機(jī)，沒(méi)有使用插入式燃料盒，而是用瓶子來(lái)提供甲醇燃料。
盡管燃料電池大約有十幾種，但僅少數(shù)幾種適用于便攜式和手持式電子產(chǎn)品。有幾種燃料電池的體積、重量和輸出功率都太大，都要比電子產(chǎn)品所需的大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，有些大功率燃料電池周?chē)仨氁虚_(kāi)放的空間，因?yàn)樗鼈兊墓ぷ鳒囟葮O高。事實(shí)上，有關(guān)便攜式電子產(chǎn)品用燃料電池的研究工作幾乎全都集中在一種燃料電池，亦即DMFC（直接甲醇燃料電池）上。Medis 技術(shù)公司則提倡另一種燃料電池，人們稱之為 DLFC（直接液體燃料電池）或 AFC（堿性氫氧燃料電池），該公司堅(jiān)信，在為便攜式電子產(chǎn)品供電方面，DLFC或AFC技術(shù)比 DMFC更實(shí)用，更便宜。
你或許認(rèn)為燃料電池不是充電電池的替代品，而是一種互補(bǔ)技術(shù)。許多便攜式設(shè)備用戶已經(jīng)習(xí)慣于把隨身攜帶的電子設(shè)備插入交流電源線墻式插座，給蓄電池充電，他們不愿意放棄這種簡(jiǎn)便的方法，而改成更換燃料盒或向一個(gè)容器里添加液體燃料。
但是，也有些用戶可能更愿意攜帶燃料盒或液體燃料瓶，因?yàn)樗麄兿Ｍ@得的供電時(shí)間比實(shí)用尺寸和重量的蓄電池供電產(chǎn)品更長(zhǎng)，或者不愿意等待再充電而更喜歡采用攜帶的燃料盒或液體燃料瓶。這一群體，除了希望筆記本電腦的電池壽命不低于跨越大陸的飛行時(shí)間（即大約八個(gè)小時(shí)）的流動(dòng)官員之外，還包括其他許多人。其它可能會(huì)接受燃料盒的人員可能是在工業(yè)環(huán)境和倉(cāng)庫(kù)中工作的人員，因?yàn)樵谶@種場(chǎng)合，找到交流電源可能是很不方便的，而且也不可能有時(shí)間對(duì)電池充電。
成本：初始成本和燃料成本
接下來(lái)談?wù)劤杀締?wèn)題。燃料電池的制造商們堅(jiān)持認(rèn)為，當(dāng)DFMC 和 DLFC 進(jìn)入大量生產(chǎn)時(shí)，其價(jià)格將可以與鋰離子電池相競(jìng)爭(zhēng)。燃料補(bǔ)給費(fèi)用合理這一點(diǎn)幾乎是沒(méi)有爭(zhēng)議的；消耗性材料——DMFC 用的甲醇，Medis 公司 DLFC 用的 KOH（氫氧化鉀）——都很便宜。Medis 公司說(shuō)它的耗材是 KOH，但沒(méi)有在該公司工作的化學(xué)家則懷疑 Medis公司 可能隱瞞了真實(shí)的材料成份。一次性燃料盒的費(fèi)用大概是適中的，一些制造商說(shuō)，一次性燃料盒是給小型燃料電池補(bǔ)充燃料或輸送少量燃料的唯一可行方法。但是，制造廠商還沒(méi)有大量銷售商用產(chǎn)品，因此現(xiàn)在很難對(duì)這種非消耗性硬件低成本的種種斷言是否準(zhǔn)確下定論。例如，Medis公司 認(rèn)為， DMFC 的擁護(hù)者沒(méi)有如實(shí)充分說(shuō)出解決幾個(gè)問(wèn)題的費(fèi)用，而這幾個(gè)問(wèn)題決定著DMFC 技術(shù)是否適合為便攜式電子設(shè)備供電。Medis公司 自稱它的 DLFC 技術(shù)沒(méi)有這些問(wèn)題。
你可能會(huì)問(wèn)，到底是什麼阻礙了便攜產(chǎn)品設(shè)計(jì)師為用戶設(shè)計(jì)這樣一種產(chǎn)品，亦即既可以用交流電源充電，又可以通過(guò)更換燃料盒或添加燃料來(lái)補(bǔ)充能量的產(chǎn)品。答案是：體積、重量和成本。雖然幾家燃料電池制造商都已經(jīng)提出了一種可直接替代筆記本電腦的鋰離子電池的FCS （燃料電池系統(tǒng)）（圖 2），其中 Intel公司 還提出了一種可以裝入電腦的可拆卸光驅(qū)機(jī)架中的 FCS，但這些FCS都不完美。例如，一個(gè)洲際旅行者可能不愿攜帶“磚塊式”的外置電源（用于整夜充電，以便白天為客戶作演示），但也不會(huì)攜帶 FCS 和另外的燃料盒（在飛機(jī)上使用）。此外，攜帶光驅(qū)機(jī)架 FCS 的旅行者無(wú)法在飛機(jī)上看 DVD 電影，因?yàn)殡娔X不能同時(shí)使用光驅(qū)和燃料電池電源。
圖 2，Neah 電源系統(tǒng)公司認(rèn)為燃料電池電源系統(tǒng)可能取代為現(xiàn)有筆記本電腦供電的鋰離子電池。左圖和右圖是同一物體的不同視圖。在右圖中，燃料盒是在頂部，但在日常使用時(shí)，它應(yīng)置放在電腦的底面。
這些情況的潛在復(fù)雜性，肯定會(huì)產(chǎn)生這樣一個(gè)問(wèn)題：在使用交流電源有問(wèn)題的情況下，為什么不考慮采用一種不同于燃料電池的技術(shù)在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)為電子設(shè)備供電。普遍使用的堿性電池（一般不能再充電）通?？梢杂米鱌DA等低功率設(shè)備的候選電源。然而，在筆記本電腦等需要更大功率的設(shè)備中，你不得不頻繁地更換堿性電池，很不方便。所以，更換電池的體積和成本使堿性電池不可能用于每次充電需要幾瓦-時(shí)的設(shè)備中。
另外你也沒(méi)有理由期望第一批采用燃料電池供電的電子設(shè)備在補(bǔ)充一次燃料后的使用時(shí)間，會(huì)比再充電電池供電的設(shè)備在電池充滿電后的使用時(shí)間長(zhǎng)很多。燃料電池制造廠商預(yù)計(jì)，一開(kāi)始燃料電池在使用時(shí)間上具有略長(zhǎng)于鋰離子電池的優(yōu)勢(shì)。但這些廠家堅(jiān)持認(rèn)為，這種優(yōu)勢(shì)將隨時(shí)間而增大，而且在其推出后幾年，同等體積下燃料電池的使用時(shí)間將比普通蓄電池長(zhǎng)至少 1～2 倍，甚至更長(zhǎng)。而且，燃料電池制造商還認(rèn)為，即使在剛面市時(shí)，如果你將燃料電池與同等重量的鋰離子電池進(jìn)行比較，則燃料電池的優(yōu)勢(shì)一開(kāi)始就會(huì)是很大的， DMFC 和 DLFC的 重量要比同樣大小的鋰離子電池輕。
蓄電池的改進(jìn)：初顯端倪
評(píng)論