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燃料电池商用进程:

燃料电池商用进程:

近年来,便携式电子产品中不断融入各种新的高耗电功能,但电池技术的进步则相对缓慢。在可以预见的未来,电池将成为便携式电子产品进一步小型化的发展瓶颈。
现有可充电电池技术(如锂电池)已无法满足最新的小型化和高能量密度要求,从而为创新或改良的技术带来了渗入这些产品应用的机会,如微型燃料电池就是其中倍受瞩目的新兴技术之一,在理论上它的能量密度达到了锂电池的十倍。
DMFC技术成为便携式应用的主流
在近半个世纪的发展过程中,燃料电池出现了多种形式,如质子交换膜或聚合物电解液膜(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)和直接乙醇燃料电池(DEFC)等。当前业界争论的焦点是究竟选择哪一种技术:采用基于氢气的PEMFC —— 通过氢与氧的电化学反应来发电,还是DMFC —— 从甲醇提取氢、从而省略燃料重整器。
美国Neah Power Systems是家专门致力于为便携式电子产品开发微型燃料电池的公司。其市场总监Gregg Makuch说:“最基本的问题在于,如何开发一种燃料电池,在保持尺寸尽可能小的前提下产生足够的电力。具体目标是在体积与锂电池同等的情况下,将工作时间延长一倍或更多。”
目前看来,在这三种用于便携式应用的燃料电池系统中,由美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室开发并授权的DMFC渐占上风,博得了众多开发商的青睐。他们认为DMFC是便携式设备的首选技术,因为它直接使用甲醇,可省略氢的生产与存储,而不必使用燃料处理器或发生器。此外,通过用新的燃料盒更换空燃料盒,使燃料电池的连续工作成为可能。就这一点而言,用户不再需要配备额外的电池,只需拥有备用燃料盒。
全球厂商大力推进燃料电池商用脚步
市场研究公司ABI在预测燃料电池的前景时认为,尽管2004年全球燃料电池市场规模微不足道,但燃料电池的性能应该在2006年有所改进,并开始增加销量,而在2013年市场规模可能达到350亿美元。增长情况将取决于技术改进和燃料的供应情况。
着眼于长期市场,各领先的燃料电池技术厂家已开始相互追逐。其中,美国Neah Power Systems的DMFC设计采用了多孔渗透硅催化剂支持结构和燃料物质蒸气循环。据Makuch介绍,该公司的设计具有提高工作效率、实现更高功率密度和更小尺寸的潜力,并能通过电极结构上的创新、催化剂的使用、浓缩燃料和采用硅制造技术等途径降低成本。该系统能够被封装在一个塑料容器中,形成一个防漏、密封的系统,它能够收集电化学反应的副产品(主要是水),并不与环境直接发生相互影响。重要的是,这一架构能够有效利用该公司在集成电路工艺、设备设计和规模化生产方面的丰富经验。目前该公司正在进行原型样品的测试开发,预计2006年能推出商业化产品。
日本NEC计划在今年底以前把燃料电池用于笔记本电脑,该公司的直接甲醇燃料电池重量约为900克,装填一次甲醇燃料可以工作五个小时,平均输出功率在12V电压下为14W(最大为24W),输出密度可达50毫瓦/立方厘米。该公司称,这是迄今报导过的最高能量密度。NEC还计划在今年推出一种采用内置式燃料电池的笔记本电脑,并打算在2005年底以前让这种内置燃料电池的连续供电时间达到40个小时。而日立的研究人员正在争取使一个5立方厘米的燃料盒的工作时间达到八小时,面向便携式电子设备应用。该公司的一位发言人表示:“这种电池中的甲醇浓度约为20%左右,但我们的目标是30~40%,这将取决于电解质薄膜的性能。”该公司曾经展示了一种碳氢化合物薄膜电池和便携燃料盒的原型,这种紧密型电池系统使燃料盒更便于更换,是该公司与日本一次性打火机生产商Tokai Corp.的合作开发成果。Tokai提供了它的燃料盒技术,使燃料盒通过内部压力自动供应甲醇燃料,而不需要通过机械装置。
此外,日立一直在开发一种碳氢化合物电解质薄膜,在它上面生成纳米级的金属催化剂。这种催化剂也可以充当电极。由于催化剂微粒会聚集起来,日立为此开发了一种技术,使这种金属催化剂以纳米级粒子的形式存在,防止它们聚集起来。如果微粒聚集起来,将会导致表面积和性能下降。该公司表示,计划在2005年以前完成直接甲醇燃料电池技术的开发。
在今年三月举行的CeBIT·2004上,东芝公司演示了使用燃料电池驱动该公司的笔记本电脑。与该公司此前展示的燃料电池样品相比,新推出的产品增加了控制输出功率变化的电路,使得能量密度更高。这种燃料电池消耗100立方厘米的甲醇大约可支持笔记本电脑正常工作10个小时。通过氢和氧反应生成的水稀释燃料盒中的高浓度甲醇,然后再供给反应单元,嵌入的电路可与笔记本电脑中内置的锂离子充电电池配合控制输出功率的变化,可稳定提供约12瓦的输出功率。东芝计划在今年内将这种燃料电池投产上市。
在此次展会上,德国Smart Fuel Cell AG公司也发布了可与笔记本电脑等连接使用的燃料电池。目前已开始向合作企业供应,并计划在2005年内面向普通消费者销售。该公司创始人兼首席执行官Manfred Stefener表示:“作为第一个将成熟的燃料电池产品推向终端用户市场的厂家,我们今年已经拥有超过一百万名潜在客户。销售量迄今远远超过我们的预期。”此次发表的产品体积比原来展出过的原型减小了35%,输出电压为12V,功率为25W,如果与内置电池一起使用,最大功率可以达到50W。
英特尔则提出了混合燃料电池的概念,它能够支持轻薄型笔记本电脑连续工作八个小时。该公司计划将燃料电池与超级电容器等组合使用来解决最大输出功率波动的问题。英特尔试图召集笔记本电脑、电池和组件制造商,在2007年以前把上述设想变成可行的产品。这种12W电池的尺寸相当于笔记本电脑的DVD驱动器,电池单元的体积约为160立方厘米,燃料盒的体积为100立方厘米。该公司希望智能电池系统执行者论坛将能推动这种方案。“我正在与业内几家关键厂商合作研究这种电池。”英特尔的资深电源设计师Nguyen表示。
尽管燃料电池可以稳定地提供10~12W电力,但它们不能很好地满足笔记本电脑通常产生的30~50W的峰值功率需求。这将需要一个超级电容或者传统的电路板上电池,以满足峰值功率需求或者燃料电池预热期间的电力需求。“这就是混合燃料电池能够发挥作用的地方。”Nguyen说。Nguyen提及燃料电池面临监管和物流障碍,运输监管机构需要批准在飞机上使用燃料增压罐,零售商需要可以通过多个渠道获得成本合理的标准燃料盒。
Nguyen指出,虽然面临上述挑战,但要在2007年以前使笔记本电脑电池工作时间达到八小时,混合燃料电池仍是最佳选择。确实,由于燃料电池比较稳定,系统的电池寿命将只取决于手中的燃料数量。惠普的一位笔记本电脑工程师认为,Nguyen估计的2007年混合燃料电池投入使用,比一年以前的估计更为实际。一年前人们预测混合燃料电池将在2005年实现商业化。他说,目前的燃料电池原型对于笔记本电脑来说过于庞大。
应用普及还需进一步解决成本和技术问题
另一方面,虽然许多人相信燃料电池技术将是实现可再生能源的关键,而且一些公司也在陆续展示或者推出其最新的燃料电池样品,但ABI公司发表的报告认为,在燃料电池市场获得成长动力之前,与性能和成本有关的大量问题仍有待解决。ABI的分析师Daniel Benjamin指出:“长期来看,燃料电池将提供清洁的和可再生的能源,但对于将在未来几年内推出的产品,成本与技术问题将是妨碍其被消费者接受的重大障碍。”
Benjamin说,“初期消费燃料电池产品将专注于固定式发电和便携式电子产品。但是,燃料电池的表现可能不如被其取代的老式电源系统,而且价格会比较昂贵。” Neah Power Systems的Gregg Makuch表示,便携式设备电源是一项基础技术,这点与压缩和存储技术没什么两样,都能够被广泛用于多类产品和多种应用中。如果微型燃料电池能够成功提供一种高级电源解决方案,我们相信它们终将会被集成到手提电脑、手提数据终端、通信设备、PDA、随声听和数码相机中等众多产品中。针对人们普遍关心的即将走入商用化的燃料电池的价格,他说:“现在预测价格水平还为时过早,但是我们相信燃料盒本身的价格不会很高,零售价格可能为几美元或更低。甲醇相对便宜,批发价格约为每加仑0.5美元。”
2004年06月03日
 
来源:      时间:7/2/2007 14:38:26