燃料電池將帶來手機電池的革命

摘要：一種新型的電源組件正在準(zhǔn)備向市場大力推廣，這將會導(dǎo)致電池這種世界上最為普遍的一種技術(shù)的消亡。這些小型的發(fā)電裝置稱為微燃料電池，它為從手機到筆記本電腦再到未來的手持上網(wǎng)設(shè)備的能量供給做出了巨大的改進。在燃料電池的眾多的優(yōu)點之中，值得提起的是，燃料電池使用非常容易獲得的能源，也就是氫或者甲醇，并且反應(yīng)之后的廢棄物只是水、二氧化碳和熱量。實際制造這些功率在1/10瓦特到50瓦特大小的小型燃料電池對工程和材料領(lǐng)域都提出了很大的挑戰(zhàn)，但這個潛在的市場是巨大的。    你是否已經(jīng)對電池很短的使用壽命感到不耐煩？以甲醇為能源的微燃料電池（micro fuel cell）正在加速推進市場，使用這種微燃料電池，可以使手機的通話時間延長到20小時。 

    在美國新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）社區(qū)，工業(yè)區(qū)距離原子彈誕生的實驗室并不遠(yuǎn)。Robert Hockaday的公司叫做Manhattan Scientifics，現(xiàn)在他正坐在公司的略顯混亂的實驗室中，手里拿著一塊名片大小的光亮的塑料片。仔細(xì)地觀察這塊塑料片，你會發(fā)現(xiàn)它是類似電路板的模型，塑料片的兩側(cè)涂有黑色的鉑金和釕。這個設(shè)計精巧的塑料片是一個5厘米寬13厘米長的發(fā)電裝置的核心部分，它以甲醇作為燃料來產(chǎn)生電流。也許乍看之下它不是很像，然而，它是新型的電源組中的一員，正準(zhǔn)備大力的推向市場，它可能會完全取代電池（battery）這種世界上最廣泛采用的技術(shù)。 
    這些小型的發(fā)電裝置稱為微燃料電池（fuel cells），它是對移動電子設(shè)備的所使用的電源的一次巨大的推進，這些移動設(shè)備不僅包括手機、筆記本電腦，甚至也包括未來的能耗比較大的手持設(shè)備上網(wǎng)設(shè)備。目前，最好的鋰離子的電池僅僅可以供給手機4個小時的通話時間；而微燃料電池可以提供20個小時的通話時間。而且，你無須在頭天晚上就把它插入手機之中，也無須更換電池，你所要做的僅僅是插上一個新的甲醇燃料筒。 
    當(dāng)然，燃料電池已經(jīng)以別的方式和更大的規(guī)模進入了市場。燃料電池的使用首先是在公共汽車上，其次是小汽車。為家庭和辦公室提供后備能源的燃料電池也已經(jīng)出現(xiàn)。Electrolux已經(jīng)發(fā)明了一種無線的燃料電池真空吸塵器的原型。在眾多的優(yōu)勢中，最為重要的是燃料電池使用很容易獲得的能源，也就是氫和甲醇，而且使用之后反應(yīng)之后產(chǎn)生的廢棄物只是水、二氧化碳和熱量。 
    現(xiàn)在，產(chǎn)業(yè)界正在加速努力使燃料電池的體積變得足夠的小以適用于消費者現(xiàn)有的電子設(shè)備。實際制造這些功率在1/10瓦特到50瓦特大小的小型燃料電池對工程和材料領(lǐng)域都提出了很大的挑戰(zhàn)，但這個潛在的市場是巨大的。Allied Business Intelligence，是一家在紐約Oyster Bay的技術(shù)研究公司，它的副總裁Atakan Ozbek先生說，“移動燃料電池（或叫便攜燃料電池）比起任何一種固定的或自動的燃料電池的應(yīng)用，在短期內(nèi)都有更真實的獲利的潛力，五年之后，將會有一個潛在的每年10億美元的市場。” 
    一點也不奇怪，一場商業(yè)化燃料電池技術(shù)的競賽正在全面展開，包括了從摩托羅拉（Motorola）、韓國的電子巨人三星（Samsung）甚至像Hockaday的新公司。這些競爭者采用不同的設(shè)計或是使用有些微不同的化學(xué)材料，但是他們有一個共同的目標(biāo)：要在可充電電池的60億美元的國際市場上占有一席之地。 
    燃料電池的第一個成功地應(yīng)用大概要算是甲醇燃料電池了，它的功率大約是1/10瓦特，而且可以對傳統(tǒng)的電池進行充電，使得消費者從指示燈和墻壁上的固定插座中解放出來。下一步應(yīng)用的燃料電池將會足夠的小，能準(zhǔn)確的裝在現(xiàn)有手機的電池插槽中，并且為用做直接電源，功率應(yīng)該足夠的大，用于手機的燃料電池的功率有1瓦特，用于筆記本電腦的功率有50瓦特。 
    在上述討論的范圍之外，微芯片（microchips）將會采用植入燃料電池來直接提供電能，這些燃料電池，不再像原來那樣需要將電源獨立出來，從而可以做到小型化。他們可以被定制設(shè)計以精確地提供所需要的電能。當(dāng)芯片和電源被集成到一個單元里的時候，生產(chǎn)的成本就會下降。由于芯片可以靠自身來提供電能，因此就可能設(shè)計出未來自給的配件，可以遠(yuǎn)距離控制的小的連網(wǎng)的傳感器，檢測污染物質(zhì)，生物戰(zhàn)的毒素或者其它的什么需要檢測并在一段時間內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)的東西。 

小型化 

    傳統(tǒng)的電池存在的問題在于它們是建立在電化學(xué)基礎(chǔ)之上的。電化學(xué)可以追溯到18世紀(jì)末期，并且它們存在一些致命地局限。最為顯著的是，一旦電池里面存放的化學(xué)藥品反應(yīng)結(jié)束，電池就沒有用了。這時候，你要么把它和一個充電器相連，插入到墻上的固定插座去充電，要么就把它扔掉，因為有有毒的成分比如鎘和汞，所以最好扔到可回收利用的垃圾桶里。位于紐約奧爾巴尼（Albany）的，Mechanical Technology，是一家開發(fā)微燃料電池的公司。該公司的首席技術(shù)官Shimshon Gottesfeld說，電池不可能變得更好了，實際上，曾經(jīng)對任何一種化合作用都進行過嘗試，按重量計算“即使是最好的電池也不大可能提供更高功率的電能了”。 
    燃料電池更為復(fù)雜，但是它們有一些最為基本的優(yōu)勢，只要提供氫或者甲醇，燃料電池就能夠產(chǎn)生電能。而且，我們應(yīng)該慶幸它們使用的是高能的燃料，同等重量的情況下燃料電池可以比普通電池產(chǎn)生更多的能量。 
但是對于工程師來說，燃料電池的難度比較大，體積越小其難度就越高。設(shè)計微燃料電池的挑戰(zhàn)開始于對燃料的選擇。氫不太實際，因為它是一種氣體，需要以非常大的壓強被壓縮，對于移動電子設(shè)備來講，它所需要的用來裝氫的容器太大了。甲醇/水混合物更容易儲存在小型的燃料電池中，但是使用甲醇/水混合物將產(chǎn)生新的設(shè)計上的障礙。為運用液體燃料就需要使用小型的泵和管子，而且還會產(chǎn)生廢水。即便是最熱衷使用手機的用戶也無法容忍他們所承受的這種麻煩，因此燃料電池必須將水蒸發(fā)掉。所有的燃料電池都會產(chǎn)生熱；小的燃料電池可以在15度到60度之間的任何一個溫度上正常工作。在采用一種蒸發(fā)廢水的方案的時候，應(yīng)當(dāng)考慮在絕緣和通風(fēng)之間尋找一個平衡點。 
    把所有的這些都放到一個非常小的精巧的部件內(nèi)的確是一個很大的挑戰(zhàn)。在商業(yè)化微燃料電池的激烈的競爭之下，絕大多數(shù)的競爭者在考慮如何開始解決這些問題的時候都非常的精明和謹(jǐn)慎。Journal of Power Sources的主編，燃料電池的觀察評論家Chris Dyer說，“在公司之間有許多不同的心態(tài)，但是這是能夠想象到的，在早期階段，這些公司因為要盡力保持自己的位置而發(fā)生的。”他又補充道，“這不是煙幕和鏡子（smoke and mirrors），它是一種真正的技術(shù)，需要一些非常聰明的工程人員來實現(xiàn)它?！?nbsp;
    大部分的觀察家預(yù)言，首先出現(xiàn)在商店架子上的第一代微燃料電池將會是一個使用甲醇的加料裝置（charging device）。包括Manhattan Scientifics在內(nèi)的半打的公司正在研究燃料電池的其他應(yīng)用的方面。在Hockaday的設(shè)計中，燃料電池的成分不像傳統(tǒng)的自動推進的燃料電池那樣被安放在一個堆棧之中。相反地，它們被并排安放，就像微處理器的各個組件一樣，從而使得它們可以融入到半導(dǎo)體制造技術(shù)中。 
    Mechanical Technology公司已經(jīng)同時建立了一家公司出售電冰箱大小的商用和家用的燃料電池發(fā)電設(shè)備。現(xiàn)在，該公司正把它的注意力集中在更小的產(chǎn)品上，開始關(guān)注加料裝置。洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）社區(qū)實驗室燃料電池研究項目的前任主管，目前在Mechanical Technology 工作的Gottesfeld說，“我們對于把它商業(yè)化的前景非常的樂觀，我們不僅注意到了加料裝置而且也關(guān)注用于手機的完整的系統(tǒng)。我們也會注意其他的可能用途比如筆記本電腦、玩具市場和電器設(shè)備?！?nbsp;
    摩托羅拉（Motorola）和韓國的三星（Samsung）也在積極的開發(fā)燃料電池的原型。三星設(shè)在漢城以外的高級技術(shù)研究院（the Samsung Advanced Institute of Technology）的首席研究人員Hyuk Chang說，三星公司的目標(biāo)是在一年的時間內(nèi)論證一些可行的模型，此外會利用加料裝置來帶路。Chang說，“我認(rèn)為從實驗室到消費者手中需要再花費兩年的時間，最困難的問題在于知道首先被應(yīng)用的是什么?！?nbsp;
    在摩托羅拉，燃料電池的項目領(lǐng)導(dǎo)者Jerry Hallmark正在尋求一種策略以生產(chǎn)更小的燃料筒。他說公司已經(jīng)開發(fā)了小型的可流動的系統(tǒng)，可以持續(xù)地循環(huán)利用甲醇/水燃料混合物中的水。取消燃料筒之后能攜帶的就僅僅是純的甲醇。他說，“燃料電池不能利用濃縮的甲醇工作；它需要一個稀釋的解決方案。但是又不想攜帶一個稀釋的電池?！盚allmark補充到，包括摩托羅拉在內(nèi)的任何公司將需要花費大約3到5年的時間才能開始賣這種產(chǎn)品。 

有力出擊 

    盡管如此，摩托羅拉和其他公司最想要的都是像傳統(tǒng)電池一樣工作的燃料電池，它可以很合適地插入到手機和其他的電子設(shè)備中，直接為它們提供電能。Hallmark說，“用于手機是最困難的，因為人們想用同樣大小的燃料電池來取代他們原來使用的傳統(tǒng)的電池。我們也很樂意為他們提供這樣的電池，但是我們提供這樣的電池仍然需要付出很大的努力?！?nbsp;
    意識到這樣的現(xiàn)實，各個公司紛紛尋求各種各樣的策略。紐約的Medis Technologies公司相信它可以生產(chǎn)一種能替代手機電池的燃料電池，使用單個燃料筒可以提供20小時的手機通話時間和幾百小時的待機時間。Medis公司的首席執(zhí)行官Robert K. Lifton說，公司正在利用一種本公司發(fā)明的電解液，利用它可以使用更高濃度的燃料進行工作，相對常規(guī)的解決方案，它可以產(chǎn)生更多的電能。但是Medis并沒有確切地說明說明它是如何工作的。Lifton說，“我們有17項注冊的專利，在我們討論細(xì)節(jié)問題之前我們就在等待獲得它們?！北M管商業(yè)戰(zhàn)略不可能是坦途：它是充滿荊棘的道路?！拔覀兊氖找嬖谟谠俪涮睿╮efill）”，Lifton解釋說，每充填一次大約1美元。他說到今年年底，Medis將會確定一個原型。 
    另一種策略是把甲醇作為一種燃料來攜帶，在需要的時候?qū)⑺D(zhuǎn)換成氫。因為按重量計算氫比甲醇能產(chǎn)生更大的能量，這個方案能夠生產(chǎn)出能量更大的和更有效率的燃料電池。Case Western Reserve University 的一名化學(xué)工程教授Robert Savinell，正努力的制造這樣的一個如此小的燃料電池；到目前為止，他的研究團隊已經(jīng)制造了一個25平方厘米的原型。 
    從甲醇到氫的化學(xué)轉(zhuǎn)換常常被工程師們稱為“重整（reforming)”，這在技術(shù)上非常地簡單，但是當(dāng)你試圖在一個指甲蓋大小的裝置上實現(xiàn)它的時候就另當(dāng)別論了。摩托羅拉的Hallmark說“人們已經(jīng)在大型的功率為幾千瓦的應(yīng)用中實現(xiàn)了這個轉(zhuǎn)換，所以問題不是是否這個方案可行。關(guān)鍵的問題是你是否能夠把它做的足夠的小，使它能夠放在手機里面或者是筆記本電腦里面?！?nbsp;
    在電子設(shè)備使用植入的燃料電池取代傳統(tǒng)電池到來之后，另一項前沿的技術(shù)將會迫近：直接在芯片上嵌上燃料電池。Case Western Reserve University大學(xué)Savinell的研究小組已經(jīng)制造了一個1.5厘米長2厘米寬的原型。他的研究小組使用微制造技術(shù)（microfabrication）在陶瓷和硅晶片上刷了五到六層的燃料電池成分――隔膜、電極和催化劑，最近的工作是刷在一個柔軟的聚合體材料上。在這樣的規(guī)模上，他使用氫作為燃料，他所使用的氫是以硼氫化鈉（或氫化硼鈉）的形式保存的，使用鉑催化劑來釋放能量。Savinell說，“我們希望為裝有傳感器和發(fā)送器的芯片提供能量，使之成為一種完全自給的裝置?！?nbsp;
    在佐治亞理工學(xué)院（the Georgia Institute of Technology）、麻省理工學(xué)院（MIT）、斯坦福大學(xué)（Stanford University）和位于加利福尼亞州利弗莫爾（Livermore）的Sandia國家實驗室（Sandia National Laboratories）都在從事研究芯片大小的燃料電池。為使這些裝置能利用容易保存的甲醇進行工作，佐治亞理工學(xué)院化學(xué)工程的教授Paul A. Kohl在硅片上打了一些小的通道，使甲醇和水得以通過。這些通道可以在一個傳統(tǒng)的硅芯片生產(chǎn)流水線上很容易地打造出來。Kohl說，“你可以設(shè)計出準(zhǔn)確地提供你所需能源的燃料電池，也可以設(shè)計出大小完全符合你需要的燃料電池?！?nbsp;
    在將燃料電池的大小壓縮到芯片大小之外，另一個長期的目標(biāo)是使燃料電池直接選擇利用氫作為原料，但是要避免使用高壓的容器。一個雄心勃勃的計劃是要利用碳毫微管（carbon nanotubes），它是像管子一樣的碳分子，它可以存儲和釋放氫。位于哥倫比亞地區(qū)戈爾登（Golden）的美國能源部所屬的國家可更新能源實驗室（the U.S. Department of Energys National Renewable Energy Laboratory）的毫微結(jié)構(gòu)材料小組的領(lǐng)導(dǎo)者Michael Heben說，研究人員預(yù)期使用充滿氫的毫微管能夠保持燃料電池的持續(xù)的原料，但是這要求在材料和制造方法上的突破。他說，“或許在下個星期就會有人來做這件事情，但也許它需要花費20年的時間?！?nbsp;
    密歇根州立大學(xué)（Michigan State University）的物理學(xué)教授David Tomanek說，到目前為止最可信的并且經(jīng)過反復(fù)檢驗的成果是由麻省理工學(xué)院（MIT）的一位物理學(xué)家Mildred Dresselhaus和中國科學(xué)院的一些研究人員得到的，他們找到一種碳毫微管的方法可以儲存重量的4.2%的氫。Tomanek說，這對于微燃料電池來說足夠了，他說，“比起儲存氫的高壓的大容器來講，它更輕、更小并且更安全，幾年之后將可以實現(xiàn)。我對此很樂觀?！钡獶resselhaus本人卻很謹(jǐn)慎，“目前，我們并沒有什么魔棒。我們僅僅是有了一個開端，那也就是說這是尋找到的一些東西，下一步還不明確。”她補充說，下一步在十年內(nèi)可以解決，但是“我們需要有一個大的突破”。 
    其他的電子設(shè)備巨頭也在嘗試?yán)锰挤肿觼砀倪M微燃料電池。據(jù)報道日本電氣公司（NEC）采用稱作碳毫微角（carbon nanohorns）的喇叭狀的分子來作為鉑金催化劑的底層，為更激烈的化學(xué)反應(yīng)提供更大的接觸表面區(qū)域從而產(chǎn)生更高的電能。索尼則是利用一種稱作“fullerenes”的足球狀的分子來作為碳毫微管的基本組成部分。 
    與此同時，第一代微燃料電池已經(jīng)迅速地接近市場。當(dāng)然，原型需要不斷地完善以確保不產(chǎn)生泄漏和提高它們的效率。產(chǎn)業(yè)觀察家認(rèn)為，但是這些障礙相對比較小。畢竟，傳統(tǒng)的電池也有他們自己發(fā)展的問題。高能的鋰電電池有可能著火甚至爆炸。任何一個手機的擁有者都知道，這些問題需要被解決。 
    有太多的原因，事實上是大約60億美元的價值，暗示著微燃料電池的前景，這些值得注意的小的電源組件將會被放在數(shù)百萬的消費者的口袋里。確實，當(dāng)微燃料電池在類似于洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）社區(qū)的Manhattan Scientifics公司的混亂的實驗室里出現(xiàn)的時候，它們就把傳統(tǒng)的電池，它們有限的能量及重的金屬廢棄物的難題，都扔到了技術(shù)的“回收站”里了。