ＤＭＦＣ燃料電池便攜式應用前景

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摘要：由于電池技術跟不上電子產品的發展速度，便攜式電源亟待創新。直接甲醇燃料電池(DMFC)技術可確保更長的運行時間，并可在任何遠離電網電源的地方即時充電，固而可提供真正的移動性。

關鍵詞：DMFC；燃料電池；便攜產品；甲醇

先后在Palm Computing、FuiitsuPersonal systems以及ZenithData Systems任職的經歷讓我得以親眼目睹消費電子行業中“電力鴻溝”的出現。由于電池技術跟不上電子產品的發展速度，便攜式電源亟待創新。在消費電子領域，有一種長期不變的趨勢與設備的功耗直接相關，即在一款手持產品中融合多種功能。目前，移動電話的設計包含數碼相機、Wi-Fi、終端到終端的聯接以及互動游戲功能等。

MTI MicroFuelCells的工作緊隨這些行業的發展步伐。目前，我們正在將一種我們認為更佳的電源商品化，這種電源可滿足手持消費電子產品市場的需求。直接甲醇燃料電池(DMFC)技術可確保更長的運行時間，并可在任何遠離電網電源的地方即時充電，因而可提供真正的移動性。

移動設備中的應用

MTI Micro現已開發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品設計方法，包括外置、附帶和嵌入式設計。

自2006年以來，MTIMicro一直致力于開發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，MTIMicro推出一款95瓦·時樣品，其連續運行時間超過鋰離子電池的能量密度。2006年11月，該公司又生產出一款尺寸縮小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世。在不到一年的時間里，最新開發的樣品其總尺寸縮小60％，達到200 cc8以下(圖1)。最新推出的樣品自帶一個燃料盒，可讓一塊普通手機電池完成8次全充電。對一位普通用戶而言，這可為一部手機供電約一個月，或讓客戶使用高端專業數碼相機拍攝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)數碼相機開發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相機手帶可通過重新加注甲醇來提供即時供電，這樣，攝影師即可隨時隨地自由地延長照相機的使用時間，而不必通過墻壁上的插座充電。

作為這種融合趨勢的鮮明實例，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，微型燃料電池技術可幫助生產商解決功耗問題，讓他們能夠繼續創新，開發新的產品。

最后，MTI Micro還在一個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)。在一個帶全彩色大屏幕的模型上，該系統可持續運行60個小時，提供長達數周而非數日的典型使用。在這個設計中，燃料電池取代了四節AA電池，而提供的能量相當于原來的三倍。該設計包含一個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，我們還展示了一個內嵌干智能手機中的新一代Mobion技術的概念模型(圖3)。

鑒于我們僅開發DMFC供電平臺，產品決策將由我們的OEM合作伙伴決定，因此，盡管這些樣品代表著MTI Micro尋求開發的應用。但考慮到OEM廠商的特殊需求，產品的總功率、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廠商就Mobion／=品的評估和潛在商品化簽署了聯合開發協議。

不久前，MTI Micro宣布與消費市場領先的超便攜個人電腦(UMPC)開發商NeoSolar簽署一項協議，聯合開發由Mobion供電的便攜式數字設備。今年五月份，我們宣布與全球領先的日本數碼相機生產商簽署一項開發協議，他們目前正在對Mobion樣品進行評估與測試。2006年5月，MTIMicro與三星電子建立了戰略合作關系，重點為移動電話及移動電話配件市場開發Mobion技術。在交付幾款供評審使用的樣品之后，MTIMicro于2007年10月宣布與三星電子簽署一項合作協議，計劃將于2009年面向消費市場推出一款微型燃料電池產品。

與三星簽署的非排他協議為我們進軍移動電話領域提供了一個戰略點。就鋰離子電池市場而言，移動電話是最大的創收細分市場之一。根據Frost＆Sullivan的市場調查預測，在全球消費鋰離子電池市場上，微型燃料電池的銷量到2011年將超過1億。在2005年后的6年時間內，手持機市場上的部件銷量將由近10億翻一番。

DMFC市場近況

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攜帶微型燃料電池，且每人最多只能帶兩個備用燃料盒。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(InternationalCivil 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啟大門，這需要與消費市場上DMFC技術的商業化同步實現。通過與Gillette／Duracell就甲醇燃料盒的生產和經銷建立合作伙伴關系，我們將在該行業的這個方面發揮作用。MTIMicro將與MethanolInstitute建立伙伴關系，開發代碼與標準，解決法規問題。Methanol Institute是一個非贏利性的科教組織，致力于將甲醇作為一種清潔能源進行使用。

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

供應鏈已完成面向直接甲醇燃料電池技術的整合，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，

并已于今年在技術上取得突破性進展。

美國能源部(DOE)氫能、燃料電池和基礎設施技術項目等聯邦機構的政府經費也突出強調對直接甲醇燃料電池市場的支持。MTIMicro公司從該項目中獲得一筆分攤費用的經費補貼，致力于實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輛的質子交換膜燃料電池。美國能源部發動全國實驗室和大學以及一流的行業合作伙伴，以解決燃料電池商業化帶來的技術障礙。

技術難題

在開拓諸如便攜式電子產品等市場時，我們必須思考制造意義上的新興技術。為了解決與商業化相關的難題，MTI Micro將思路從讓直接甲醇燃料電池工作變為借助直接甲醇燃料電池讓生產和工作變得輕松。最終，MTIMicro設計出了自己的Mobion直接甲醇燃料電池技術，以自然的方式解決了幾大關鍵的制造和性能難題，同時注重保持尺寸、簡單性和能量密度的優先級。

在直接甲醇燃料電池中，甲醇被用作一種燃料。為了引起化學反應，產生能量，需要在甲醇中加入水。陽極消耗水，陰極產生水。在處理電池中的水循環時有幾種方法。

在典型的主動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極一側，引起化學反應，產生能量(圖4)。然而，這需要另帶微型水泵和微型管道，以形成水循環，這就會在尺寸、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式直接甲醇燃料電池系統，無須使用微型水泵或管道，但需在一個水箱內同時攜帶在陽極一側發生化學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構成挑戰的另一項重要的技術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揮作用。直接甲醇燃料電池技術的價值主張是讓手持電子裝置真正便攜，這樣，您就可以隨時隨地使用手持裝置。這意味著，電池需要在鋰離子技術能夠容忍的極端氣候中發揮作用。

MTI Micro為開發Mobion無電網便攜式電源解決方案所做的工作直接解決了這些技術難題。我們認為，我們在直接甲醇燃料電池設計的開發方面面臨一個轉折點。直接甲醇燃料電池的設計不僅擁有為未來的手持式電子裝置提供電力所需的性能，同時還展出了在消費市場的各細分市場上進行商業化所需的工藝性特點。

MTIMicro的MobionDMFC技術允許將100％甲醇直接注入直接甲醇燃料電池的陽極一側，因而無須在系統內攜帶水或微型泵與微型管道子系統(圖5)。這種方法的一個重要特點是如何通過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)一側流動到陽極(燃料)一側。

MTIMicro的這項專利技術可免予使用微型泵和微型管道，電池在進行水流管理時不消耗能量，因而可使設備更加小巧、高效。此外，我們的設計可在整個PEM內均勻地分布甲醇，從而優化表面積的使用。這些特點均有助于縮小被動式微型燃料系統的總體尺寸，同時可在為消費裝置供電時確保出色的運行時間。

根據《Jourrtal of Power Sources》發表的一份行業報告，對直接甲醇微型燃料電池所做的測試表明，電池在運轉360個小時后，電力損耗最高達35％。在測試中，Mobion的一款實驗室電池于今年七月份獲得連續運轉2700個小時的佳績。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的一大突破。

就我們的被動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芯片經注塑成形，可將16個部件有效地減少為一個。這種方法的成功之處在于創造了一個簡單的“一塊芯片適用所有”的解決方案，使批量生產更加輕松，費用更低。

在6個月的時間里，我們將芯片的尺寸縮小了40％，達到9cc。為了進一步小型化，我們通過設計對芯片進行了優化。芯片的性能表明，能量密度為50mW／cm，燃料的效率為1，4瓦·時。芯片的重量不足1盎司，能夠解決被動式設計中由重力引起的定位問題，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商。此外，芯片還使我們的Mobion平臺能夠在寬泛的環境范圍內運轉，這包括溫度介于0～40度之間，濕度水平不限。對于有意在產品中應用微型燃料電池的OEM而言，這是一項標準和規定。

生產準備

為了推進微型燃料電池技術的商業化進程，MTIMicro目前正在努力實現2008年的目標，即準備生產Mobion平臺。為了開發生產工藝，提高組件的可靠性和一致性，最終實現從MTIMicro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里推出開發型試生產線。

2007年秋季，對開發型試生產線生產的Mobion樣品系統進行初步測試后表明，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和開發型試生產線的子系統的可靠性。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量，以滿足潛在及現有客戶的需求，同時考慮通過交付更多相同的Mobion系統進行更為廣泛的測試，公司目前正在尋找海外生產合作伙伴。

該戰略與MIT Micro在亞洲實施的持續業務開發保持一致，我們在中國上海建立了辦事處，在韓國和日本任命專人管理客戶關系，與本地區的生產商和技術開發商共同尋求機會，建立合作伙伴關系。

結語

目前，便攜式設備尚非真正意義上的“移動”。最后一根線一充電線一將用戶束縛干墻上。微型燃料電池技術有望切斷這最后的一根線，幫助制造商掃除障礙，為個人提供真正的移動性，這也是便攜式消費技術中的下一個邏輯創新。