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
時間：2005-09-04
來源：EDN電子設(shè)計技術(shù)
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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)計師仍必須懂得：把燃料電池設(shè)計到產(chǎn)品中去將需要好的思路和規(guī)劃。
要點
● 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)品在有交流電源時還必須由交流電源來供電，這樣的產(chǎn)品與沒有交流電源時使用蓄電池的同類產(chǎn)品相比，體積大，重量重，成本高。
● 將原來由蓄電池供電的產(chǎn)品設(shè)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(dāng)你在高密度封裝的電子產(chǎn)品中使用燃料電池時，燃料電池在工作期間散發(fā)的熱量會使已經(jīng)很復(fù)雜的熱設(shè)計問題更加復(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)備而引起的激動程度不如談及燃料電池如何代替汽車內(nèi)燃機時強烈。盡管如此，你可以從很多公司看到一些高水平的研究活動，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)開發(fā)出用于概念驗證的實用原型（圖 1）。迄今為止，我們還無法買到燃料電池供電的攝像機、手機、PDA、筆記本電腦或測試儀器。制造廠商們認(rèn)為用燃料電池供電的電子產(chǎn)品會在 2005 年圣誕面市，但業(yè)界也有許多人持懷疑態(tài)度，認(rèn)為這種推測顯得過于樂觀。然而，如果你開發(fā)便攜式電子產(chǎn)品，你就必定會密切關(guān)注燃料電池的開發(fā)。燃料電池確實有很多重要優(yōu)點，特別是在使用交流電源有問題的場合。設(shè)計用燃料電池供電的電子產(chǎn)品牽涉到方方面面的問題，并不只是把蓄電池?fù)Q成燃料電池這么簡單。
圖 1, NEC公司開發(fā)的由燃料電池供電的筆記本電腦概念驗證樣機，沒有使用插入式燃料盒，而是用瓶子來提供甲醇燃料。
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)品所需的大幾個數(shù)量級。此外，有些大功率燃料電池周圍必須要有開放的空間，因為它們的工作溫度極高。事實上，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便的方法，而改成更換燃料盒或向一個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，因為他們希望獲得的供電時間比實用尺寸和重量的蓄電池供電產(chǎn)品更長，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間（即大約八個小時）的流動官員之外，還包括其他許多人。其它可能會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，因為在這種場合，找到交流電源可能是很不方便的，而且也不可能有時間對電池充電。
成本：初始成本和燃料成本
接下來談?wù)劤杀締栴}。燃料電池的制造商們堅持認(rèn)為，當(dāng)DFMC 和 DLFC 進入大量生產(chǎn)時，其價格將可以與鋰離子電池相競爭。燃料補給費用合理這一點幾乎是沒有爭議的；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 公司說它的耗材是 KOH，但沒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，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，制造廠商還沒有大量銷售商用產(chǎn)品，因此現(xiàn)在很難對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 的擁護者沒有如實充分說出解決幾個問題的費用，而這幾個問題決定著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)沒有這些問題。
你可能會問，到底是什麼阻礙了便攜產(chǎn)品設(shè)計師為用戶設(shè)計這樣一種產(chǎn)品，亦即既可以用交流電源充電，又可以通過更換燃料盒或添加燃料來補充能量的產(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(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)機架中的 FCS，但這些FCS都不完美。例如，一個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），但也不會攜帶 FCS 和另外的燃料盒（在飛機上使用）。此外，攜帶光驅(qū)機架 FCS 的旅行者無法在飛機上看 DVD 電影，因為電腦不能同時使用光驅(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，它應(yīng)置放在電腦的底面。
這些情況的潛在復(fù)雜性，肯定會產(chǎn)生這樣一個問題：在使用交流電源有問題的情況下，為什么不考慮采用一種不同于燃料電池的技術(shù)在更長的時間內(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-時的設(shè)備中。
另外你也沒有理由期望第一批采用燃料電池供電的電子設(shè)備在補充一次燃料后的使用時間，會比再充電電池供電的設(shè)備在電池充滿電后的使用時間長很多。燃料電池制造廠商預(yù)計，一開始燃料電池在使用時間上具有略長于鋰離子電池的優(yōu)勢。但這些廠家堅持認(rèn)為，這種優(yōu)勢將隨時間而增大，而且在其推出后幾年，同等體積下燃料電池的使用時間將比普通蓄電池長至少 1～2 倍，甚至更長。而且，燃料電池制造商還認(rèn)為，即使在剛面市時，如果你將燃料電池與同等重量的鋰離子電池進行比較，則燃料電池的優(yōu)勢一開始就會是很大的， 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：初顯端倪
要點
● 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)品在有交流電源時還必須由交流電源來供電，這樣的產(chǎn)品與沒有交流電源時使用蓄電池的同類產(chǎn)品相比，體積大，重量重，成本高。
● 將原來由蓄電池供電的產(chǎn)品設(shè)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(dāng)你在高密度封裝的電子產(chǎn)品中使用燃料電池時，燃料電池在工作期間散發(fā)的熱量會使已經(jīng)很復(fù)雜的熱設(shè)計問題更加復(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)備而引起的激動程度不如談及燃料電池如何代替汽車內(nèi)燃機時強烈。盡管如此，你可以從很多公司看到一些高水平的研究活動，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)開發(fā)出用于概念驗證的實用原型（圖 1）。迄今為止，我們還無法買到燃料電池供電的攝像機、手機、PDA、筆記本電腦或測試儀器。制造廠商們認(rèn)為用燃料電池供電的電子產(chǎn)品會在 2005 年圣誕面市，但業(yè)界也有許多人持懷疑態(tài)度，認(rèn)為這種推測顯得過于樂觀。然而，如果你開發(fā)便攜式電子產(chǎn)品，你就必定會密切關(guān)注燃料電池的開發(fā)。燃料電池確實有很多重要優(yōu)點，特別是在使用交流電源有問題的場合。設(shè)計用燃料電池供電的電子產(chǎn)品牽涉到方方面面的問題，并不只是把蓄電池?fù)Q成燃料電池這么簡單。
圖 1, NEC公司開發(fā)的由燃料電池供電的筆記本電腦概念驗證樣機，沒有使用插入式燃料盒，而是用瓶子來提供甲醇燃料。
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)品所需的大幾個數(shù)量級。此外，有些大功率燃料電池周圍必須要有開放的空間，因為它們的工作溫度極高。事實上，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便的方法，而改成更換燃料盒或向一個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，因為他們希望獲得的供電時間比實用尺寸和重量的蓄電池供電產(chǎn)品更長，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間（即大約八個小時）的流動官員之外，還包括其他許多人。其它可能會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，因為在這種場合，找到交流電源可能是很不方便的，而且也不可能有時間對電池充電。
成本：初始成本和燃料成本
接下來談?wù)劤杀締栴}。燃料電池的制造商們堅持認(rèn)為，當(dāng)DFMC 和 DLFC 進入大量生產(chǎn)時，其價格將可以與鋰離子電池相競爭。燃料補給費用合理這一點幾乎是沒有爭議的；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 公司說它的耗材是 KOH，但沒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，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，制造廠商還沒有大量銷售商用產(chǎn)品，因此現(xiàn)在很難對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 的擁護者沒有如實充分說出解決幾個問題的費用，而這幾個問題決定著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)沒有這些問題。
你可能會問，到底是什麼阻礙了便攜產(chǎn)品設(shè)計師為用戶設(shè)計這樣一種產(chǎn)品，亦即既可以用交流電源充電，又可以通過更換燃料盒或添加燃料來補充能量的產(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(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)機架中的 FCS，但這些FCS都不完美。例如，一個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），但也不會攜帶 FCS 和另外的燃料盒（在飛機上使用）。此外，攜帶光驅(qū)機架 FCS 的旅行者無法在飛機上看 DVD 電影，因為電腦不能同時使用光驅(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，它應(yīng)置放在電腦的底面。
這些情況的潛在復(fù)雜性，肯定會產(chǎn)生這樣一個問題：在使用交流電源有問題的情況下，為什么不考慮采用一種不同于燃料電池的技術(shù)在更長的時間內(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-時的設(shè)備中。
另外你也沒有理由期望第一批采用燃料電池供電的電子設(shè)備在補充一次燃料后的使用時間，會比再充電電池供電的設(shè)備在電池充滿電后的使用時間長很多。燃料電池制造廠商預(yù)計，一開始燃料電池在使用時間上具有略長于鋰離子電池的優(yōu)勢。但這些廠家堅持認(rèn)為，這種優(yōu)勢將隨時間而增大，而且在其推出后幾年，同等體積下燃料電池的使用時間將比普通蓄電池長至少 1～2 倍，甚至更長。而且，燃料電池制造商還認(rèn)為，即使在剛面市時，如果你將燃料電池與同等重量的鋰離子電池進行比較，則燃料電池的優(yōu)勢一開始就會是很大的， 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：初顯端倪
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