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最近一段時間，作為下一代便攜電子產品電源的微型燃料電池吸引了眾多關注，並引發大量討論。人們之所以如此關注微型燃料電池，是因為NEC和東芝在技術方面的突破刺激了人們的興趣，而且人們普遍認識到，有限的電池壽命可能阻礙無線生活方式的進程。
人們對於微型燃料電池的關注是有根據的。電源產業需要為移動電子產品開發更好的、工作時間更長的解決方案。除了這方面的需求以外，基於傳統設計的商業化燃料電池產品尚未面市。雖然微型燃料電池的發展潛力和前景巨大，但需要尋找新的方法來克服所面臨的技術和商業挑戰。
電源缺口問題
便攜電子產品在全球的大量普及，已經導致對於外觀緊湊、重量輕便和功率強勁的電池的大量需求。現有的充電電池技術已非常成熟，但完全不能滿足用戶的需求。預計這種差距將在未來幾年裏繼續擴大，因為各種設備還在不斷增加新的耗電型功能。
除了筆記本電腦、手機和數碼相機以外，其他產品領域也存在類似的電源供應缺口。預計在未來幾年，目前的鋰離子充電電池技術的容量沒有太大的改進空間(每年小於5%)，在滿足日益增長的電能需求時將感到吃力。這為新型電源技術和產品創造了巨大的機會。
同時，人們的移動性比以前更大，進而擴大了上述電源缺口。筆記本電腦是增長最快的電腦領域，預計2006年出貨量將超過5,000萬個。廣泛採用Wi-Fi技術實際上砍掉了乙太網的束縛，而用戶希望去掉最後一根通向AC電源的連接線。
一個可行的解決方案
許多產業觀察家認為，直接甲醇燃料電池(DMFC)是最有希望的微型燃料電池技術之一，它可以彌補便攜電子產品的功率缺口。通過把氫或甲醇等燃料與氧氣相結合，燃料電池就能產生電力，並能持續發電，只要能夠從外部來源獲得燃料和氧氣。由於甲醇具有很高的能量密度，燃料電池的前景非常誘人。當燃料電池在不遠的將來實現商業化時，它們在能量存儲方面將會取得顯著改善，允許電子產品增加新的功能，並延長其工作時間。同樣重要的是，用戶可以更換燃料盒，在幾秒鐘內“補充彈藥”。相比之下，為傳統的電池充電需要幾個小時的時間。
如果你需要設備能夠運行更長的時間，為什麼不多帶幾個鋰離子電池呢？實際上，現在許多移動辦公的專業人員正是這麼做的。據估計，有30%的筆記本電腦用戶至少購買了一塊備用充電電池。但這很不方便，它導致人們需要攜帶的重量增加，而且需要多花很多錢。電池工作時間與其體積及重量之間存在線性關係。如果想把電池工作時間增加一倍，就必須帶兩塊電池，而攜帶的體積和重量也要加倍。
如果利用燃料電池，你只需攜帶一個燃料電池系統，以及幾個燃料盒用來延長運行時間。不用帶三塊電池，可以帶三個燃料盒，預計至少比等同的電池組輕50%，而且體積也要小得多。為筆記本電腦另配的鋰離子電池零售價一般為150美元或者更貴，預計燃料盒的價格將與一次性鹼性電池相似，每個也許是1~3美元。因此，它將具有顯著的價格優勢。
技術難題影響商業化進程
儘管最近幾年取得了一些進展，但燃料電池在商業化方面仍然面臨巨大的技術挑戰，包括其總體效率和功率密度較低、小型化、水蒸氣排放和成本等。雖然燃料電池“堆疊”中的每個單元的理論電壓應該是1.24V，但基於傳統質子交換膜(PEM)的DMFC只能達到上述水平的30%左右。這種低效率現象是由幾個因素導致的，這些因素作為基本設計的組成部分需要加以解決，以提高整個系統的效率。
所有的燃料電池都產生水和二氧化碳，這些都是反應的副產品。目前的許多燃料電池設計都排出水蒸氣，就像是PC上的一個小排氣管。由於它接近其他電子元件，這可能會造成問題，起碼對於用戶來說極不方便。對於某些應用來說，比如軍用設備，這是不能容忍的問題。此外，多數基於PEM的燃料電池設計使小型化變得更加困難。
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圖1：隨著技術問題逐步解決，
燃料電池商用化進程明顯加快。 |
大型燃料電池“引擎”不能有效地使用昂貴的催化材料，而且它的尺寸較大，這些因素導致基於PEM的燃料電池設計成本上升。必須尋找開發燃料電池的其他方法，以克服上述根本性局限。例如，Neah Power Systems正在開發一種基於一個神奇的矽結構的微型燃料電池，預計將會解決在效率、尺寸和成本等方面面臨的挑戰。這種方式具有顯著提高功率密度的潛力，這是提高燃料電池系統總體效率的關鍵。效率提高後，整個燃料電池就可以實現小型化，以及大幅降低成本。
對於所有的燃料電池系統，功率密度(每平方釐米電極面積所能提供的功率)決定總體效率和系統的尺寸。Neah Power採用的一種方式，放棄了了PEM，可能使功率密度比傳統的基於PEM的設計提高一個數量級。它試圖通過採用一種高導電性的多孔矽催化劑支援結構擴大反應區。多孔矽的表面積與體積比高達10,000cm2/cm3，這樣可以形成一定的“厚度”，基於PEM的系統不可能做到這點。預計利用這種方法能夠在尺寸更小的電池中實現更高水準的接觸反應表面積和電化學活動。重要的是，採用這種方式製造的燃料電池可以捕獲水蒸氣，不必排氣,反應所生成的副產品全部被限制在燃料盒內部。
商業挑戰確實存在，但能夠克服
不同於其他的許多科技產品，微型燃料電池需要跨組織的協調，以確保其能被市場接受和獲得商業成功。雖然這些障礙都很大，但是可以克服。其中有些挑戰包括監管方面的調整、安全性、標準、燃料盒發送和OEM產品改造。
首先，甲醇燃料盒的包裝必須保證安全，這樣才能供消費者使用。好消息是，電池和消費產品產業在安全包裝各種化學品和材料方面具有良好記錄，而且包裝費用比較合理。安全包裝燃料盒將是監管審批程式中的第一步。根據目前的規定，甲醇燃料盒不准被帶上飛機。這很正常――當新能源被採用時，通常要求制訂新的規則和標準。
最終，還必須在尺寸、形狀和其他外形要素方面進行一定的標準化，這樣該產業才能騰飛。零售商不想保存幾十個或幾百個存貨單位(SKU)，因為這樣將佔用寶貴的貨架空間，並且會影響其庫存周轉。一種雙管齊下的方法將最有可能推動這種標準化進程。首先，市場將對哪種技術勝出(相互競爭的公司的燃料盒一般在燃料盒的化學成分方面有所不同)發揮重大影響。與此同時，燃料電池和電子產品廠商將在一些共同格式方面進行合作，以保證SKU增長在短期內是有限的，而且是可以應付的。目前，標準化組織NEMA已經開始這項工作。
零售市場能否普遍供應燃料盒對於其能否被主流用戶所接受非常關鍵，這是典型的先有雞還是先有蛋的問題。零售商在市場上出現相當數量的燃料電池驅動的產品和實際需求以前，不願意銷售燃料盒。而因為可用於更換的燃料盒供應有限，OEM製造商可能不願意採用燃料電池。那麼產業該怎麼辦呢？很可能採取分步推進的策略，從比較特殊的垂直市場開始著手，最終進入廣闊的水平市場和大眾主流分銷渠道。
包括PC廠商和其他生產便攜電子產品的OEM，需要設計能夠支援具體的燃料電池系統的產品。許多OEM，特別是PC產業中的OEM，對於這種新技術正在採取觀望態度，這是可以理解的。
潛在的發展路線圖
聰明的市場定位將是推動燃料電池產業發展，以及創造增長基礎的最有效途徑。首先專注於對燃料電池需求最大並可能通過採用燃料電池而獲得最大收益的市場領域及應用領域，這是謹慎的做法。軍事應用看來是燃料電池的早期接受者，因為它需要連續運行，並希望減輕士兵背負的電池重量。它在工業方面的用途，如遠端監控設備或者倉庫掃描，也是很有希望的應用領域。從這些早期應用領域入手，將為向更廣闊的市場滲透積累經驗和奠定基礎，如筆記本電腦和平板電腦，可能在2005年或2006年進入這些領域。
早期的產業樣品演示也展出了一些外部燃料電池單元，可以用作充電器和為可充電手機、PDA及筆記本電腦的電池提供能量。這些可能是一些最先出現的微型燃料電池，已經在2004年面世。但它們的吸引力可能有限，因為最初的時候尺寸龐大，而且能量密度有限。真正的贏家將是成功地把燃料電池整合進產品內部的廠商。為了實現這個目標，需要通過創造性的技術創新來提高性能和縮小尺寸和成本。同時，必須通過跨行業合作，以及目標專注的市場定位和營銷來消除商業障礙。
作者：Gregg Makuch
Neah Power Systems公司產品市場總監
上網時間：2005年05月02日
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