只需半杯甲醇的燃料電池技術(shù)
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作者：Dan Strassberg,EDN 特約技術(shù)編輯
時(shí)間：2005-09-04
來(lái)源：EDN電子設計技術(shù)
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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)品設計師仍必須懂得：把燃料電池設計到產(chǎn)品中去將需要好的思路和規劃。
要點(diǎn)
● 燃料電池逐步應用于便攜式電子設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(xiàn)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(lèi)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)品設計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)很復雜的熱設計問(wèn)題更加復雜化。
● 便攜產(chǎn)品用小型燃料電池的燃料盒尺寸及其它主要規范不能迅速標準化，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)內燃機時(shí)強烈。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(chǎng)商，其中有些制造廠(chǎng)商已經(jīng)開(kāi)發(fā)出用于概念驗證的實(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、手機、PDA、筆記本電腦或測試儀器。制造廠(chǎng)商們認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，認為這種推測顯得過(guò)于樂(lè )觀(guān)。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。設計用燃料電池供電的電子產(chǎn)品牽涉到方方面面的問(wèn)題，并不只是把蓄電池換成燃料電池這么簡(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證樣機，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)數量級。此外，有些大功率燃料電池周?chē)仨氁虚_(kāi)放的空間，因為它們的工作溫度極高。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(chēng)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。
你或許認為燃料電池不是充電電池的替代品，而是一種互補技術(shù)。許多便攜式設備用戶(hù)已經(jīng)習慣于把隨身攜帶的電子設備插入交流電源線(xiàn)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(hù)可能更愿意攜帶燃料盒或液體燃料瓶，因為他們希望獲得的供電時(shí)間比實(shí)用尺寸和重量的蓄電池供電產(chǎn)品更長(cháng)，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)境和倉庫中工作的人員，因為在這種場(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持認為，當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爭。燃料補給費用合理這一點(diǎn)幾乎是沒(méi)有爭議的；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充燃料或輸送少量燃料的唯一可行方法。但是，制造廠(chǎng)商還沒(méi)有大量銷(xiāo)售商用產(chǎn)品，因此現在很難對這種非消耗性硬件低成本的種種斷言是否準確下定論。例如，Medis公司 認為， DMFC 的擁護者沒(méi)有如實(shí)充分說(shuō)出解決幾個(gè)問(wèn)題的費用，而這幾個(gè)問(wèn)題決定著(zhù)DMFC 技術(shù)是否適合為便攜式電子設備供電。Medis公司 自稱(chēng)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)品設計師為用戶(hù)設計這樣一種產(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）（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機架中的 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(hù)作演示），但也不會(huì )攜帶 FCS 和另外的燃料盒（在飛機上使用）。此外，攜帶光驅機架 FCS 的旅行者無(wú)法在飛機上看 DVD 電影，因為電腦不能同時(shí)使用光驅和燃料電池電源。
圖 2，Neah 電源系統公司認為燃料電池電源系統可能取代為現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)，它應置放在電腦的底面。
這些情況的潛在復雜性，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(cháng)的時(shí)間內為電子設備供電。普遍使用的堿性電池（一般不能再充電）通?？梢杂米鱌DA等低功率設備的候選電源。然而，在筆記本電腦等需要更大功率的設備中，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備在補充一次燃料后的使用時(shí)間，會(huì )比再充電電池供電的設備在電池充滿(mǎn)電后的使用時(shí)間長(cháng)很多。燃料電池制造廠(chǎng)商預計，一開(kāi)始燃料電池在使用時(shí)間上具有略長(cháng)于鋰離子電池的優(yōu)勢。但這些廠(chǎng)家堅持認為，這種優(yōu)勢將隨時(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(cháng)至少 1～2 倍，甚至更長(cháng)。而且，燃料電池制造商還認為，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)
● 燃料電池逐步應用于便攜式電子設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(xiàn)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(lèi)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)品設計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)很復雜的熱設計問(wèn)題更加復雜化。
● 便攜產(chǎn)品用小型燃料電池的燃料盒尺寸及其它主要規范不能迅速標準化，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)內燃機時(shí)強烈。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(chǎng)商，其中有些制造廠(chǎng)商已經(jīng)開(kāi)發(fā)出用于概念驗證的實(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、手機、PDA、筆記本電腦或測試儀器。制造廠(chǎng)商們認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，認為這種推測顯得過(guò)于樂(lè )觀(guān)。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。設計用燃料電池供電的電子產(chǎn)品牽涉到方方面面的問(wèn)題，并不只是把蓄電池換成燃料電池這么簡(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證樣機，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)數量級。此外，有些大功率燃料電池周?chē)仨氁虚_(kāi)放的空間，因為它們的工作溫度極高。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(chēng)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。
你或許認為燃料電池不是充電電池的替代品，而是一種互補技術(shù)。許多便攜式設備用戶(hù)已經(jīng)習慣于把隨身攜帶的電子設備插入交流電源線(xiàn)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(hù)可能更愿意攜帶燃料盒或液體燃料瓶，因為他們希望獲得的供電時(shí)間比實(shí)用尺寸和重量的蓄電池供電產(chǎn)品更長(cháng)，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)境和倉庫中工作的人員，因為在這種場(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持認為，當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爭。燃料補給費用合理這一點(diǎn)幾乎是沒(méi)有爭議的；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充燃料或輸送少量燃料的唯一可行方法。但是，制造廠(chǎng)商還沒(méi)有大量銷(xiāo)售商用產(chǎn)品，因此現在很難對這種非消耗性硬件低成本的種種斷言是否準確下定論。例如，Medis公司 認為， DMFC 的擁護者沒(méi)有如實(shí)充分說(shuō)出解決幾個(gè)問(wèn)題的費用，而這幾個(gè)問(wèn)題決定著(zhù)DMFC 技術(shù)是否適合為便攜式電子設備供電。Medis公司 自稱(chēng)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)品設計師為用戶(hù)設計這樣一種產(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）（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機架中的 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(hù)作演示），但也不會(huì )攜帶 FCS 和另外的燃料盒（在飛機上使用）。此外，攜帶光驅機架 FCS 的旅行者無(wú)法在飛機上看 DVD 電影，因為電腦不能同時(shí)使用光驅和燃料電池電源。
圖 2，Neah 電源系統公司認為燃料電池電源系統可能取代為現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)，它應置放在電腦的底面。
這些情況的潛在復雜性，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(cháng)的時(shí)間內為電子設備供電。普遍使用的堿性電池（一般不能再充電）通?？梢杂米鱌DA等低功率設備的候選電源。然而，在筆記本電腦等需要更大功率的設備中，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備在補充一次燃料后的使用時(shí)間，會(huì )比再充電電池供電的設備在電池充滿(mǎn)電后的使用時(shí)間長(cháng)很多。燃料電池制造廠(chǎng)商預計，一開(kāi)始燃料電池在使用時(shí)間上具有略長(cháng)于鋰離子電池的優(yōu)勢。但這些廠(chǎng)家堅持認為，這種優(yōu)勢將隨時(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(cháng)至少 1～2 倍，甚至更長(cháng)。而且，燃料電池制造商還認為，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
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