DMFC燃料电池便携式应用前景

2 DMFC市场近况

2008年4月，美国交通部(DOT)公布了一项最终规定，允许在客机上携带甲醇燃料电池和甲醇燃料。根据规定，乘客可在搭乘飞机时携带微型燃料电池，且每人最多只能带两个备用燃料盒。该规定继美国交通部于2007年9月20日公布的提议后制定，它将使美国的交通规章与2007年1月1日起生效的国际民航组织(International Civil Aviation Organization)采用的全球规章保持一致。包括加拿大、中国、日本 和英国在内的全球许多国家已将该乘客限制纳入各自的国家标准。

这一法规还将为甲醇燃料盒的基础设施建设开启大门，这需要与消费市场上DMFC技术的商业化同步实现。通过与Gillette / Duracell就甲醇燃料盒的生产和经销建立合作伙伴关系，我们将在该行业的这个方面发挥作用。MTI Micro将与Methanol Institute建立伙伴关系，开发代码与标准，解决法规问题。Methanol Institute是一个非赢利性的科教组织，致力于将甲醇作为一种清洁能源进行使用。

尽管人们对适用于消费应用的微型燃料电池技术的上市时间仍存在批评意见，但供应链仍在继续发展，可以佐证的是，我们目前可从几家膜电极组件(MEA)供应商和质子交换膜(PEM)供应商中进行选择。

供应链已完成面向直接甲醇燃料电池技术的整合，大型消费电子公司正在从事直接甲醇燃料电池的设计工作，并已于今年在技术上取得突破性进展。

美国能源部(DOE)氢能、燃料电池和基础设施技术项目等联邦机构的政府经费也突出强调对直接甲醇燃料电池市场的支持。MTI Micro公司从该项目中获得一笔分摊费用的经费补贴，致力于实现燃料电池的尽早上市。除固定/分散和便携式应用外，它主要聚焦适用于轻型车辆的质子交换膜燃料电池。美国能源部发动全国实验室和大学以及一流的行业合作伙伴，以解决燃料电池商业化带来的技术障碍。

3 技术难题

在开拓诸如便携式电子产品等市场时，我们必须思考制造意义上的新兴技术。为了解决与商业化相关的难题，MTI Micro 将思路从让直接甲醇燃料电池工作变为借助直接甲醇燃料电池让生产和工作变得轻松。最终，MTI Micro设计出了自己的Mobion直接甲醇燃料电池技术，以自然的方式解决了几大关键的制造和性能难题，同时注重保持尺寸、简单性和能量密度的优先级。

在直接甲醇燃料电池中，甲醇被用作一种燃料。为了引起化学反应，产生能量，需要在甲醇中加入水。阳极消耗水，阴极产生水。在处理电池中的水循环时有几种方法。

在典型的主动式直接甲醇燃料电池系统中，利用外置水泵将水从阴极抽到阳极一侧，引起化学反应，产生能量(图4)。然而，这需要另带微型水泵和微型管道，以形成水循环，这就会在尺寸、复杂性和成本方面增加难度。

另一种方法是采用低内能被动式直接甲醇燃料电池系统，无须使用微型水泵或管道，但需在一个水箱内同时携带在阳极一侧发生化学反应所需的水以及燃料(图5)。然而，水与甲醇混合可能稀释燃料，导致能量密度降低。

图 4 低内能直接甲醇燃料电池(DMFC)主动系统

图 5 低内能直接甲醇燃料电池(DMFC)被动系统

对于在消费装置中集成燃料电池技术构成挑战的另一项重要的技术要求是电池必须在规定的湿度和温度范围内才能有效地发挥作用。直接甲醇燃料电池技术的价值主张是让手持电子装置真正便携，这样，您就可以随时随地使用手持装置。这意味着，电池需要在锂离子技术能够容忍的极端气候中发挥作用。

MTI Micro为开发Mobion无电网便携式电源解决方案所做的工作直接解决了这些技术难题。我们认为，我们在直接甲醇燃料电池设计的开发方面面临一个转折点。直接甲醇燃料电池的设计不仅拥有为未来的手持式电子装置提供电力所需的性能，同时还展出了在消费市场的各细分市场上进行商业化所需的工艺性特点。

MTI Micro的Mobion DMFC技术允许将100%甲醇直接注入直接甲醇燃料电池的阳极一侧，因而无须在系统内携带水或微型泵与微型管道子系统(图5)。这种方法的一个重要特点是如何通过在电池内的均匀分布适当控制电池内100% 甲醇的供应，以及如何在不使用水泵的情况下让水在电池内从阴极(空气)一侧流动到阳极(燃料)一侧。

MTI Micro的这项专利技术可免予使用微型泵和微型管道，电池在进行水流管理时不消耗能量，因而可使设备更加小巧、高效。此外，我们的设计可在整个PEM 内均匀地分布甲醇，从而优化表面积的使用。这些特点均有助于缩小被动式微型燃料系统的总体尺寸，同时可在为消费装置供电时确保出色的运行时间。

根据《Journal of Power Sources》发表的一份行业报告，对直接甲醇微型燃料电池所做的测试表明，电池在运转360个小时后，电力损耗最高达35%。在测试中，Mobion的一款实验室电池于今年七月份获得连续运转2,700 个小时的佳绩。这成功地表明，电力损耗不到15%，这是一项具有重要意义的成就。我们认为，这也是微型燃料电池行业的一大突破。

就我们的被动式直接甲醇燃料电池而言，在工艺性和性能方面的一项重大决策是在一个状如芯片的模组式结构内放置MEA，该结构相当于燃料电池的心脏或引擎。Mobion芯片经注塑成形，可将16个部件有效地减少为一个。这种方法的成功之处在于创造了一个简单的“一块芯片适用所有”的解决方案，使批量生产更加轻松，费用更低。

在6个月的时间里，我们将芯片的尺寸缩小了40%，达到9cc。为了进一步小型化，我们通过设计对芯片进行了优化。芯片的性能表明，能量密度为50mW/cm2，燃料的效率为1.4whr。芯片的重量不足1盎司，能够解决被动式设计中由重力引起的定位问题，确保灵活的直接甲醇燃料电池解决方案适合手持式设备生产商。此外，芯片还使我们的Mobion平台能够在宽泛的环境范围内运转，这包括温度介于0C 到 40C之间，湿度水平不限。对于有意在产品中应用微型燃料电池的OEM而言，这是一项标准和规定。