DMFC燃料電池便攜式應用前景

　　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電子行業(yè)中“電力鴻溝”的出現。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。在消費電子領(lǐng)域，有一種長(cháng)期不變的趨勢與設備的功耗直接相關(guān)，即在一款手持產(chǎn)品中融合多種功能。目前，移動(dòng)電話(huà)的設計包含數碼相機、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為更佳的電源商品化，這種電源可滿(mǎn)足手持消費電子產(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(cháng)的運行時(shí)間，并可在任何遠離電網(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)設備中的應用

　　MTI Micro現已開(kāi)發(fā)出一系列基于本公司的Mobion DMFC 平臺的樣品，解決了許多消費應用中的功耗難題。這些應用可分為三種獨特的產(chǎn)品設計方法，包括外置、附帶和嵌入式設計。

　　自2006年以來(lái)，MTI Micro一直致力于開(kāi)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計。這些樣品攜帶方便，允許重復加注甲醇。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、PDA、MP3、數碼相機或游戲機等。

　　2006年8月，MTI Micro推出一款95Wh樣品，其連續運行時(shí)間超過(guò)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(wèn)世。在不到一年的時(shí)間里，最新開(kāi)發(fā)的樣品其總尺寸縮小60%，達到200 ccs以下 (圖1) 。最新推出的樣品自帶一個(gè)燃料盒，可讓一塊普通手機電池完成8次全充電。對一位普通用戶(hù)而言，這可為一部手機供電約一個(gè)月，或讓客戶(hù)使用高端專(zhuān)業(yè)數碼相機拍攝6000多張照片。

　　Mobion的第二種設計應用將燃料電池作為外置附件與一款手持設備集成。為了展示該應用，MIT Micro 針對SLR(單鏡頭反光)數碼相機開(kāi)發(fā)出一款相機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)。這種設計提供的能量相當于相同尺寸現有相機手帶式電池組的2倍。與外置電源組相似，Mobion相機手帶可通過(guò)重新加注甲醇來(lái)提供即時(shí)供電，這樣，攝影師即可隨時(shí)隨地自由地延長(cháng)照相機的使用時(shí)間，而不必通過(guò)墻壁上的插座充電。

　　作為這種融合趨勢的鮮明實(shí)例，目前DSLR照相機的設計加入了更多的功能，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(wèn)題，讓他們能夠繼續創(chuàng )新，開(kāi)發(fā)新的產(chǎn)品。

　　最后，MTI Micro還在一個(gè)嵌入式應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(圖3)。在一個(gè)帶全彩色大屏幕的模型上，該系統可持續運行60個(gè)小時(shí)，提供長(cháng)達數周而非數日的典型使用。在這個(gè)設計中，燃料電池取代了四節AA電池，而提供的能量相當于原來(lái)的三倍。該設計包含一個(gè)USB界面，這使樣品能夠為小型電子裝置供電，并作為外置充電器使用。此外，我們還展示了一個(gè)內嵌于智能手機中的新一代Mobion技術(shù)的概念模型(圖3)。

　　鑒于我們僅開(kāi)發(fā)DMFC供電平臺，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(zhù)MTI Micro 尋求開(kāi)發(fā)的應用，但考慮到OEM廠(chǎng)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，我們已與三家消費電子品OEM廠(chǎng)商就Mobion產(chǎn)品的評估和潛在商品化簽署了聯(lián)合開(kāi)發(fā)協(xié)議。

　　不久前，MTI Micro宣布與消費市場(chǎng)領(lǐng)先的超便攜個(gè)人電腦(UMPC)開(kāi)發(fā)商NeoSolar簽署一項協(xié)議，聯(lián)合開(kāi)發(fā)由Mobion供電的便攜式數字設備。今年五月份，我們宣布與全球領(lǐng)先的日本數碼相機生產(chǎn)商簽署一項開(kāi)發(fā)協(xié)議，他們目前正在對Mobion樣品進(jìn)行評估與測試。2006年5月，MTI Micro與三星電子建立了戰略合作關(guān)系，重點(diǎn)為移動(dòng)電話(huà)及移動(dòng)電話(huà)配件市場(chǎng)開(kāi)發(fā)Mobion技術(shù)。在交付幾款供評審使用的樣品之后，MTI Micro于2007年10月宣布與三星電子簽署一項合作協(xié)議，計劃將于2009年面向消費市場(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(huà)領(lǐng)域提供了一個(gè)戰略點(diǎn)。就鋰離子電池市場(chǎng)而言，移動(dòng)電話(huà)是最大的創(chuàng )收細分市場(chǎng)之一。根據Frost & Sullivan的市場(chǎng)調查預測，在全球消費鋰離子電池市場(chǎng)上，微型燃料電池的銷(xiāo)量到2011年將超過(guò)1億。在2005年后的六年時(shí)間內，手持機市場(chǎng)上的部件銷(xiāo)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)公布了一項最終規定，允許在客機上攜帶甲醇燃料電池和甲醇燃料。根據規定，乘客可在搭乘飛機時(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)采用的全球規章保持一致。包括加拿大、中國、日本 和英國在內的全球許多國家已將該乘客限制納入各自的國家標準。

　　這一法規還將為甲醇燃料盒的基礎設施建設開(kāi)啟大門(mén)，這需要與消費市場(chǎng)上DMFC技術(shù)的商業(yè)化同步實(shí)現。通過(guò)與Gillette / Duracell就甲醇燃料盒的生產(chǎn)和經(jīng)銷(xiāo)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(kāi)發(fā)代碼與標準，解決法規問(wèn)題。Methanol Institute是一個(gè)非贏(yíng)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。

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

　　供應鏈已完成面向直接甲醇燃料電池技術(shù)的整合，大型消費電子公司正在從事直接甲醇燃料電池的設計工作，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、燃料電池和基礎設施技術(shù)項目等聯(lián)邦機構的政府經(jīng)費也突出強調對直接甲醇燃料電池市場(chǎng)的支持。MTI Micro公司從該項目中獲得一筆分攤費用的經(jīng)費補貼，致力于實(shí)現燃料電池的盡早上市。除固定/分散和便攜式應用外，它主要聚焦適用于輕型車(chē)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(lái)的技術(shù)障礙。

　　技術(shù)難題

　　在開(kāi)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設計出了自己的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。

　　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，產(chǎn)生能量，需要在甲醇中加入水。陽(yáng)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中，利用外置水泵將水從陰極抽到陽(yáng)極一側，引起化學(xué)反應，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、復雜性和成本方面增加難度。

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

　　對于在消費裝置中集成燃料電池技術(shù)構成挑戰的另一項重要的技術(shù)要求是電池必須在規定的濕度和溫度范圍內才能有效地發(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(zhù)，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(kāi)發(fā)Mobion無(wú)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。我們認為，我們在直接甲醇燃料電池設計的開(kāi)發(fā)方面面臨一個(gè)轉折點(diǎn)。直接甲醇燃料電池的設計不僅擁有為未來(lái)的手持式電子裝置提供電力所需的性能，同時(shí)還展出了在消費市場(chǎng)的各細分市場(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(yáng)極一側，因而無(wú)須在系統內攜帶水或微型泵與微型管道子系統(圖5)。這種方法的一個(gè)重要特點(diǎn)是如何通過(guò)在電池內的均勻分布適當控制電池內100% 甲醇的供應，以及如何在不使用水泵的情況下讓水在電池內從陰極(空氣)一側流動(dòng)到陽(yáng)極(燃料)一側。

　　MTI Micro的這項專(zhuān)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，因而可使設備更加小巧、高效。此外，我們的設計可在整個(gè)PEM 內均勻地分布甲醇，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)式微型燃料系統的總體尺寸，同時(shí)可在為消費裝置供電時(shí)確保出色的運行時(shí)間。

　　根據《Journal of Power Sources》發(fā)表的一份行業(yè)報告，對直接甲醇微型燃料電池所做的測試表明，電池在運轉360個(gè)小時(shí)后，電力損耗最高達35%。在測試中，Mobion的一款實(shí)驗室電池于今年七月份獲得連續運轉2,700 個(gè)小時(shí)的佳績(jì)。這成功地表明，電力損耗不到15%，這是一項具有重要意義的成就。我們認為，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重大決策是在一個(gè)狀如芯片的模組式結構內放置MEA，該結構相當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%，達到9cc。為了進(jìn)一步小型化，我們通過(guò)設計對芯片進(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)式設計中由重力引起的定位問(wèn)題，確保靈活的直接甲醇燃料電池解決方案適合手持式設備生產(chǎn)商。此外，芯片還使我們的Mobion平臺能夠在寬泛的環(huán)境范圍內運轉，這包括溫度介于0C 到 40C之間，濕度水平不限。對于有意在產(chǎn)品中應用微型燃料電池的OEM而言，這是一項標準和規定。

　　生產(chǎn)準備

　　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)現今年的目標，即準備生產(chǎn)Mobion平臺。為了開(kāi)發(fā)生產(chǎn)工藝，提高組件的可靠性和一致性，最終實(shí)現從MTI Micro到合作伙伴的高效轉型，該公司已于一月份在紐約州奧爾巴尼市的工廠(chǎng)里推出開(kāi)發(fā)型試生產(chǎn)線(xiàn)。

　　2007年秋季，對開(kāi)發(fā)型試生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)的Mobion樣品系統進(jìn)行初步測試后表明，能量和電力均提高了10%。這些成就要歸功于平臺設計的改進(jìn)和開(kāi)發(fā)型試生產(chǎn)線(xiàn)的子系統的可靠性。今年年初，MTI Micro 在美國能源部共享了這些測試結果，并對樣品予以展示。

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

　　該戰略與MIT Micro在亞洲實(shí)施的持續業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)保持一致，我們在中國上海建立了辦事處，在韓國和日本任命專(zhuān)人管理客戶(hù)關(guān)系，與本地區的生產(chǎn)商和技術(shù)開(kāi)發(fā)商共同尋求機會(huì )，建立合作伙伴關(guān)系。

　　結語(yǔ)

　　目前，便攜式設備尚非真正意義上的“移動(dòng)”。最后一根線(xiàn) - 充電線(xiàn)-將用戶(hù)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(xiàn)，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 數碼相機手帶式燃料電池，這款附帶式微型燃料電池可為設備直接供電，也可為內置電池充電。

　　圖3 由微型燃料電池供電的室外 GPS 裝置和智能手機概念設計

　　圖 4 低內能直接甲醇燃料電池(DMFC)主動(dòng)系統

　　圖 5 低內能直接甲醇燃料電池(DMFC)被動(dòng)系統

　　圖6 MTI Micro Mobion 技術(shù)