技术挑战犹存，微型燃料电池努力向商业化迈进
2005-05-12 09:05:52
来源：网博电源网
| 最近一段时间，作为下一代便携电子产品电源的微型燃料电池吸引了众多关注，并引发大量讨论。人们之所以如此关注微型燃料电池，是因为NEC和东芝在技术方面的突破刺激了人们的兴趣，而且人们普遍认识到，有限的电池寿命可能阻碍无线生活方式的进程。 人们对于微型燃料电池的关注是有根据的。电源产业需要为移动电子产品开发更好的、工作时间更长的解决方案。除了这方面的需求以外，基于传统设计的商业化燃料电池产品尚未面市。虽然微型燃料电池的发展潜力和前景巨大，但需要寻找新的方法来克服所面临的技术和商业挑战。 电源缺口问题 便携电子产品在全球的大量普及，已经导致对于外观紧凑、重量轻便和功率强劲的电池的大量需求。现有的充电电池技术已非常成熟，但完全不能满足用户的需求。预计这种差距将在未来几年里继续扩大，因为各种设备还在不断增加新的耗电型功能。 除了笔记本电脑、手机和数码相机以外，其它产品领域也存在类似的电源供应缺口。预计在未来几年，目前的锂离子充电电池技术的容量没有太大的改进空间(每年小于5%)，在满足日益增长的电能需求时将感到吃力。这为新型电源技术和产品创造了巨大的机会。 同时，人们的移动性比以前更大，进而扩大了上述电源缺口。笔记本电脑是增长最快的电脑领域，预计2006年出货量将超过5，000万个。广泛采用Wi-Fi技术实际上砍掉了以太网的束缚，而用户希望去掉最后一根通向AC电源的连接线。 一个可行的解决方案 许多产业观察家认为，直接甲醇燃料电池(DMFC)是最有希望的微型燃料电池技术之一，它可以弥补便携电子产品的功率缺口。通过把氢或甲醇等燃料与氧气相结合，燃料电池就能产生电力，并能持续发电，只要能够从外部来源获得燃料和氧气。由于甲醇具有很高的能量密度，燃料电池的前景非常诱人。当燃料电池在不远的将来实现商业化时，它们在能量存储方面将会取得显著改善，允许电子产品增加新的功能，并延长其工作时间。同样重要的是，用户可以更换燃料盒，在几秒钟内“补充弹药”。相比之下，为传统的电池充电需要几个小时的时间。 如果你需要设备能够运行更长的时间，为什么不多带几个锂离子电池呢？实际上，现在许多移动办公的专业人员正是这么做的。据估计，有30%的笔记本电脑用户至少购买了一块备用充电电池。但这很不方便，它导致人们需要携带的重量增加，而且需要多花很多钱。电池工作时间与其体积及重量之间存在线性关系。如果想把电池工作时间增加一倍，就必须带两块电池，而携带的体积和重量也要加倍。 如果利用燃料电池，你只需携带一个燃料电池系统，以及几个燃料盒用来延长运行时间。不用带三块电池，可以带三个燃料盒，预计至少比等同的电池组轻50%，而且体积也要小得多。为笔记本电脑另配的锂离子电池零售价一般为150美元或者更贵，预计燃料盒的价格将与一次性碱性电池相似，每个也许是1~3美元。因此，它将具有显著的价格优势。 技术难题影响商业化进程 尽管最近几年取得了一些进展，但燃料电池在商业化方面仍然面临巨大的技术挑战，包括其总体效率和功率密度较低、小型化、水蒸气排放和成本等。虽然燃料电池“堆叠”中的每个单元的理论电压应该是1.24V，但基于传统质子交换膜(PEM)的DMFC只能达到上述水平的30%左右。这种低效率现象是由几个因素导致的，这些因素作为基本设计的组成部分需要加以解决，以提高整个系统的效率。 所有的燃料电池都产生水和二氧化碳，这些都是反应的副产品。目前的许多燃料电池设计都排出水蒸气，就象是PC上的一个小排气管。由于它接近其它电子元件，这可能会造成问题，起码对于用户来说极不方便。对于某些应用来说，比如军用设备，这是不能容忍的问题。此外，多数基于PEM的燃料电池设计使小型化变得更加困难。  图1：随着技术问题逐步解决， 燃料电池商用化进程明显加快。 大型燃料电池“引擎”不能有效地使用昂贵的催化材料，而且它的尺寸较大，这些因素导致基于PEM的燃料电池设计成本上升。必须寻找开发燃料电池的其它方法，以克服上述根本性局限。例如，Neah Power Systems正在开发一种基于一个神奇的硅结构的微型燃料电池，预计将会解决在效率、尺寸和成本等方面面临的挑战。这种方式具有显著提高功率密度的潜力，这是提高燃料电池系统总体效率的关键。效率提高后，整个燃料电池就可以实现小型化，以及大幅降低成本。 对于所有的燃料电池系统，功率密度(每平方厘米电极面积所能提供的功率)决定总体效率和系统的尺寸。Neah Power采用的一种方式，放弃了了PEM，可能使功率密度比传统的基于PEM的设计提高一个数量级。它试图通过采用一种高导电性的多孔硅催化剂支持结构扩大反应区。多孔硅的表面积与体积比高达10，000cm2/cm3，这样可以形成一定的“厚度”，基于PEM的系统不可能做到这点。预计利用这种方法能够在尺寸更小的电池中实现更高水平的接触反应表面积和电化学活动。重要的是，采用这种方式制造的燃料电池可以捕获水蒸气，不必排气，反应所生成的副产品全部被限制在燃料盒内部。 商业挑战确实存在，但能够克服 不同于其它的许多科技产品，微型燃料电池需要跨组织的协调，以确保其能被市场接受和获得商业成功。虽然这些障碍都很大，但是可以克服。其中有些挑战包括监管方面的调整、安全性、标准、燃料盒发送和OEM产品改造。 首先，甲醇燃料盒的包装必须保证安全，这样才能供消费者使用。好消息是，电池和消费产品产业在安全包装各种化学品和材料方面具有良好记录，而且包装费用比较合理。安全包装燃料盒将是监管审批程序中的第一步。根据目前的规定，甲醇燃料盒不准被带上飞机。这很正常――当新能源被采用时，通常要求制订新的规则和标准。 最终，还必须在尺寸、形状和其它外形要素方面进行一定的标准化，这样该产业才能腾飞。零售商不想保存几十个或几百个存货单位(SKU)，因为这样将占用宝贵的货架空间，并且会影响其库存周转。一种双管齐下的方法将最有可能推动这种标准化进程。首先，市场将对哪种技术胜出(相互竞争的公司的燃料盒一般在燃料盒的化学成分方面有所不同)发挥重大影响。与此同时，燃料电池和电子产品厂商将在一些共同格式方面进行合作，以保证SKU增长在短期内是有限的，而且是可以应付的。目前，标准化组织NEMA已经开始这项工作。 零售市场能否普遍供应燃料盒对于其能否被主流用户所接受非常关键，这是典型的先有鸡还是先有蛋的问题。零售商在市场上出现相当数量的燃料电池驱动的产品和实际需求以前，不愿意销售燃料盒。而因为可用于更换的燃料盒供应有限，OEM制造商可能不愿意采用燃料电池。那么产业该怎么办呢？很可能采取分步推进的策略，从比较特殊的垂直市场开始着手，最终进入广阔的水平市场和大众主流分销渠道。 包括PC厂商和其它生产便携电子产品的OEM，需要设计能够支持具体的燃料电池系统的产品。许多OEM，特别是PC产业中的OEM，对于这种新技术正在采取观望态度，这是可以理解的。 潜在的发展路线图 聪明的市场定位将是推动燃料电池产业发展，以及创造增长基础的最有效途径。首先专注于对燃料电池需求最大并可能通过采用燃料电池而获得最大收益的市场领域及应用领域，这是谨慎的做法。军事应用看来是燃料电池的早期接受者，因为它需要连续运行，并希望减轻士兵背负的电池重量。它在工业方面的用途，如远程监控设备或者仓库扫描，也是很有希望的应用领域。从这些早期应用领域入手，将为向更广阔的市场渗透积累经验和奠定基础，如笔记本电脑和平板电脑，可能在2005年或2006年进入这些领域。 早期的产业样品演示也展出了一些外部燃料电池单元，可以用作充电器和为可充电手机、PDA及笔记本电脑的电池提供能量。这些可能是一些最先出现的微型燃料电池，已经在2004年面世。但它们的吸引力可能有限，因为最初的时候尺寸庞大，而且能量密度有限。真正的赢家将是成功地把燃料电池整合进产品内部的厂商。为了实现这个目标，需要通过创造性的技术创新来提高性能和缩小尺寸和成本。同时，必须通过跨行业合作，以及目标专注的市场定位和营销来消除商业障碍。 |
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