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只需半杯甲醇的燃料电池技术

[日期:2005-10-17] 来源:EDN电子设计技术  作者:佚名 [字体: ]

  便携式和手持式电子产品用的燃料电池尚未成熟。即使如此,产品设计师仍必须懂得:把燃料电池设计到产品中去将需要好的思路和规划。

  要点
  ● 燃料电池逐步应用于便携式电子设备的可能性要比一夜之间代替蓄电池的可能性更大。
  ● 与蓄电池不同,燃料电池不能通过交流电源线再充电。因此,由燃料电池供电的产品在有交流电源时还必须由交流电源来供电,这样的产品与没有交流电源时使用蓄电池的同类产品相比,体积大,重量重,成本高。
 


  ● 将原来由蓄电池供电的产品设计成由燃料电池供电并非只是用燃料电池更换蓄电池而已。
  ● 当你在高密度封装的电子产品中使用燃料电池时,燃料电池在工作期间散发的热量会使已经很复杂的热设计问题更加复杂化。
  ● 便携产品用小型燃料电池的燃料盒尺寸及其它主要规范不能迅速标准化,可能会危及这种电源的前途。

  因燃料电池用于便携式电子设备而引起的激动程度不如谈及燃料电池如何代替汽车内燃机时强烈。尽管如此,你可以从很多公司看到一些高水平的研究活动,特别是日本的笔记本电脑制造厂商,其中有些制造厂商已经开发出用于概念验证的实用原型(图 1)。迄今为止,我们还无法买到燃料电池供电的摄像机、手机、PDA、笔记本电脑或测试仪器。制造厂商们认为用燃料电池供电的电子产品会在 2005 年圣诞面市,但业界也有许多人持怀疑态度,认为这种推测显得过于乐观。然而,如果你开发便携式电子产品,你就必定会密切关注燃料电池的开发。燃料电池确实有很多重要优点,特别是在使用交流电源有问题的场合。设计用燃料电池供电的电子产品牵涉到方方面面的问题,并不只是把蓄电池换成燃料电池这么简单。

图 1, NEC公司开发的由燃料电池供电的笔记本电脑概念验证样机,没有使用插入式燃料盒,而是用瓶子来提供甲醇燃料。


  尽管燃料电池大约有十几种,但仅少数几种适用于便携式和手持式电子产品。有几种燃料电池的体积、重量和输出功率都太大,都要比电子产品所需的大几个数量级。此外,有些大功率燃料电池周围必须要有开放的空间,因为它们的工作温度极高。事实上,有关便携式电子产品用燃料电池的研究工作几乎全都集中在一种燃料电池,亦即DMFC(直接甲醇燃料电池)上。Medis 技术公司则提倡另一种燃料电池,人们称之为 DLFC(直接液体燃料电池)或 AFC(碱性氢氧燃料电池),该公司坚信,在为便携式电子产品供电方面,DLFC或AFC技术比 DMFC更实用,更便宜。
  你或许认为燃料电池不是充电电池的替代品,而是一种互补技术。许多便携式设备用户已经习惯于把随身携带的电子设备插入交流电源线墙式插座,给蓄电池充电,他们不愿意放弃这种简便的方法,而改成更换燃料盒或向一个容器里添加液体燃料。
  但是,也有些用户可能更愿意携带燃料盒或液体燃料瓶,因为他们希望获得的供电时间比实用尺寸和重量的蓄电池供电产品更长,或者不愿意等待再充电而更喜欢采用携带的燃料盒或液体燃料瓶。这一群体,除了希望笔记本电脑的电池寿命不低于跨越大陆的飞行时间(即大约八个小时)的流动官员之外,还包括其他许多人。其它可能会接受燃料盒的人员可能是在工业环境和仓库中工作的人员,因为在这种场合,找到交流电源可能是很不方便的,而且也不可能有时间对电池充电。
  成本:初始成本和燃料成本
  接下来谈谈成本问题。燃料电池的制造商们坚持认为,当DFMC 和 DLFC 进入大量生产时,其价格将可以与锂离子电池相竞争。燃料补给费用合理这一点几乎是没有争议的;消耗性材料——DMFC 用的甲醇,Medis 公司 DLFC 用的 KOH(氢氧化钾)——都很便宜。Medis 公司说它的耗材是 KOH,但没有在该公司工作的化学家则怀疑 Medis公司 可能隐瞒了真实的材料成份。一次性燃料盒的费用大概是适中的,一些制造商说,一次性燃料盒是给小型燃料电池补充燃料或输送少量燃料的唯一可行方法。但是,制造厂商还没有大量销售商用产品,因此现在很难对这种非消耗性硬件低成本的种种断言是否准确下定论。例如,Medis公司 认为, DMFC 的拥护者没有如实充分说出解决几个问题的费用,而这几个问题决定着DMFC 技术是否适合为便携式电子设备供电。Medis公司 自称它的 DLFC 技术没有这些问题。
  你可能会问,到底是什麽阻碍了便携产品设计师为用户设计这样一种产品,亦即既可以用交流电源充电,又可以通过更换燃料盒或添加燃料来补充能量的产品。答案是:体积、重量和成本。虽然几家燃料电池制造商都已经提出了一种可直接替代笔记本电脑的锂离子电池的FCS (燃料电池系统)(图 2),其中 Intel公司 还提出了一种可以装入电脑的可拆卸光驱机架中的 FCS,但这些FCS都不完美。例如,一个洲际旅行者可能不愿携带“砖块式”的外置电源(用于整夜充电,以便白天为客户作演示),但也不会携带 FCS 和另外的燃料盒(在飞机上使用)。此外,携带光驱机架 FCS 的旅行者无法在飞机上看 DVD 电影,因为电脑不能同时使用光驱和燃料电池电源。

图 2,Neah 电源系统公司认为燃料电池电源系统可能取代为现有笔记本电脑供电的锂离子电池。左图和右图是同一物体的不同视图。在右图中,燃料盒是在顶部,但在日常使用时,它应置放在电脑的底面。


  这些情况的潜在复杂性,肯定会产生这样一个问题:在使用交流电源有问题的情况下,为什么不考虑采用一种不同于燃料电池的技术在更长的时间内为电子设备供电。普遍使用的碱性电池(一般不能再充电)通常可以用作PDA等低功率设备的候选电源。然而,在笔记本电脑等需要更大功率的设备中,你不得不频繁地更换碱性电池,很不方便。所以,更换电池的体积和成本使碱性电池不可能用于每次充电需要几瓦-时的设备中。
  另外你也没有理由期望第一批采用燃料电池供电的电子设备在补充一次燃料后的使用时间,会比再充电电池供电的设备在电池充满电后的使用时间长很多。燃料电池制造厂商预计,一开始燃料电池在使用时间上具有略长于锂离子电池的优势。但这些厂家坚持认为,这种优势将随时间而增大,而且在其推出后几年,同等体积下燃料电池的使用时间将比普通蓄电池长至少 1~2 倍,甚至更长。而且,燃料电池制造商还认为,即使在刚面市时,如果你将燃料电池与同等重量的锂离子电池进行比较,则燃料电池的优势一开始就会是很大的, DMFC 和 DLFC的 重量要比同样大小的锂离子电池轻。

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