燃料电池将带来手机电池的革命

摘要：一种新型的电源组件正在准备向市场大力推广，这将会导致电池这种世界上最为普遍的一种技术的消亡。这些小型的发电装置称为微燃料电池，它为从手机到笔记本电脑再到未来的手持上网设备的能量供给做出了巨大的改进。在燃料电池的众多的优点之中，值得提起的是，燃料电池使用非常容易获得的能源，也就是氢或者甲醇，并且反应之后的废弃物只是水、二氧化碳和热量。实际制造这些功率在1/10瓦特到50瓦特大小的小型燃料电池对工程和材料领域都提出了很大的挑战，但这个潜在的市场是巨大的。    你是否已经对电池很短的使用寿命感到不耐烦？以甲醇为能源的微燃料电池（micro fuel cell）正在加速推进市场，使用这种微燃料电池，可以使手机的通话时间延长到20小时。 

    在美国新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）社区，工业区距离原子弹诞生的实验室并不远。Robert Hockaday的公司叫做Manhattan Scientifics，现在他正坐在公司的略显混乱的实验室中，手里拿着一块名片大小的光亮的塑料片。仔细地观察这块塑料片，你会发现它是类似电路板的模型，塑料片的两侧涂有黑色的铂金和钌。这个设计精巧的塑料片是一个5厘米宽13厘米长的发电装置的核心部分，它以甲醇作为燃料来产生电流。也许乍看之下它不是很像，然而，它是新型的电源组中的一员，正准备大力的推向市场，它可能会完全取代电池（battery）这种世界上最广泛采用的技术。 
    这些小型的发电装置称为微燃料电池（fuel cells），它是对移动电子设备的所使用的电源的一次巨大的推进，这些移动设备不仅包括手机、笔记本电脑，甚至也包括未来的能耗比较大的手持设备上网设备。目前，最好的锂离子的电池仅仅可以供给手机4个小时的通话时间；而微燃料电池可以提供20个小时的通话时间。而且，你无须在头天晚上就把它插入手机之中，也无须更换电池，你所要做的仅仅是插上一个新的甲醇燃料筒。 
    当然，燃料电池已经以别的方式和更大的规模进入了市场。燃料电池的使用首先是在公共汽车上，其次是小汽车。为家庭和办公室提供后备能源的燃料电池也已经出现。Electrolux已经发明了一种无线的燃料电池真空吸尘器的原型。在众多的优势中，最为重要的是燃料电池使用很容易获得的能源，也就是氢和甲醇，而且使用之后反应之后产生的废弃物只是水、二氧化碳和热量。 
    现在，产业界正在加速努力使燃料电池的体积变得足够的小以适用于消费者现有的电子设备。实际制造这些功率在1/10瓦特到50瓦特大小的小型燃料电池对工程和材料领域都提出了很大的挑战，但这个潜在的市场是巨大的。Allied Business Intelligence，是一家在纽约Oyster Bay的技术研究公司，它的副总裁Atakan Ozbek先生说，“移动燃料电池（或叫便携燃料电池）比起任何一种固定的或自动的燃料电池的应用，在短期内都有更真实的获利的潜力，五年之后，将会有一个潜在的每年10亿美元的市场。” 
    一点也不奇怪，一场商业化燃料电池技术的竞赛正在全面展开，包括了从摩托罗拉（Motorola）、韩国的电子巨人三星（Samsung）甚至像Hockaday的新公司。这些竞争者采用不同的设计或是使用有些微不同的化学材料，但是他们有一个共同的目标：要在可充电电池的60亿美元的国际市场上占有一席之地。 
    燃料电池的第一个成功地应用大概要算是甲醇燃料电池了，它的功率大约是1/10瓦特，而且可以对传统的电池进行充电，使得消费者从指示灯和墙壁上的固定插座中解放出来。下一步应用的燃料电池将会足够的小，能准确的装在现有手机的电池插槽中，并且为用做直接电源，功率应该足够的大，用于手机的燃料电池的功率有1瓦特，用于笔记本电脑的功率有50瓦特。 
    在上述讨论的范围之外，微芯片（microchips）将会采用植入燃料电池来直接提供电能，这些燃料电池，不再像原来那样需要将电源独立出来，从而可以做到小型化。他们可以被定制设计以精确地提供所需要的电能。当芯片和电源被集成到一个单元里的时候，生产的成本就会下降。由于芯片可以靠自身来提供电能，因此就可能设计出未来自给的配件，可以远距离控制的小的连网的传感器，检测污染物质，生物战的毒素或者其它的什么需要检测并在一段时间内发送数据的东西。 

小型化 

    传统的电池存在的问题在于它们是建立在电化学基础之上的。电化学可以追溯到18世纪末期，并且它们存在一些致命地局限。最为显著的是，一旦电池里面存放的化学药品反应结束，电池就没有用了。这时候，你要么把它和一个充电器相连，插入到墙上的固定插座去充电，要么就把它扔掉，因为有有毒的成分比如镉和汞，所以最好扔到可回收利用的垃圾桶里。位于纽约奥尔巴尼（Albany）的，Mechanical Technology，是一家开发微燃料电池的公司。该公司的首席技术官Shimshon Gottesfeld说，电池不可能变得更好了，实际上，曾经对任何一种化合作用都进行过尝试，按重量计算“即使是最好的电池也不大可能提供更高功率的电能了”。 
    燃料电池更为复杂，但是它们有一些最为基本的优势，只要提供氢或者甲醇，燃料电池就能够产生电能。而且，我们应该庆幸它们使用的是高能的燃料，同等重量的情况下燃料电池可以比普通电池产生更多的能量。 
但是对于工程师来说，燃料电池的难度比较大，体积越小其难度就越高。设计微燃料电池的挑战开始于对燃料的选择。氢不太实际，因为它是一种气体，需要以非常大的压强被压缩，对于移动电子设备来讲，它所需要的用来装氢的容器太大了。甲醇/水混合物更容易储存在小型的燃料电池中，但是使用甲醇/水混合物将产生新的设计上的障碍。为运用液体燃料就需要使用小型的泵和管子，而且还会产生废水。即便是最热衷使用手机的用户也无法容忍他们所承受的这种麻烦，因此燃料电池必须将水蒸发掉。所有的燃料电池都会产生热；小的燃料电池可以在15度到60度之间的任何一个温度上正常工作。在采用一种蒸发废水的方案的时候，应当考虑在绝缘和通风之间寻找一个平衡点。 
    把所有的这些都放到一个非常小的精巧的部件内的确是一个很大的挑战。在商业化微燃料电池的激烈的竞争之下，绝大多数的竞争者在考虑如何开始解决这些问题的时候都非常的精明和谨慎。Journal of Power Sources的主编，燃料电池的观察评论家Chris Dyer说，“在公司之间有许多不同的心态，但是这是能够想象到的，在早期阶段，这些公司因为要尽力保持自己的位置而发生的。”他又补充道，“这不是烟幕和镜子（smoke and mirrors），它是一种真正的技术，需要一些非常聪明的工程人员来实现它。” 
    大部分的观察家预言，首先出现在商店架子上的第一代微燃料电池将会是一个使用甲醇的加料装置（charging device）。包括Manhattan Scientifics在内的半打的公司正在研究燃料电池的其他应用的方面。在Hockaday的设计中，燃料电池的成分不像传统的自动推进的燃料电池那样被安放在一个堆栈之中。相反地，它们被并排安放，就像微处理器的各个组件一样，从而使得它们可以融入到半导体制造技术中。 
    Mechanical Technology公司已经同时建立了一家公司出售电冰箱大小的商用和家用的燃料电池发电设备。现在，该公司正把它的注意力集中在更小的产品上，开始关注加料装置。洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）社区实验室燃料电池研究项目的前任主管，目前在Mechanical Technology 工作的Gottesfeld说，“我们对于把它商业化的前景非常的乐观，我们不仅注意到了加料装置而且也关注用于手机的完整的系统。我们也会注意其他的可能用途比如笔记本电脑、玩具市场和电器设备。” 
    摩托罗拉（Motorola）和韩国的三星（Samsung）也在积极的开发燃料电池的原型。三星设在汉城以外的高级技术研究院（the Samsung Advanced Institute of Technology）的首席研究人员Hyuk Chang说，三星公司的目标是在一年的时间内论证一些可行的模型，此外会利用加料装置来带路。Chang说，“我认为从实验室到消费者手中需要再花费两年的时间，最困难的问题在于知道首先被应用的是什么。” 
    在摩托罗拉，燃料电池的项目领导者Jerry Hallmark正在寻求一种策略以生产更小的燃料筒。他说公司已经开发了小型的可流动的系统，可以持续地循环利用甲醇/水燃料混合物中的水。取消燃料筒之后能携带的就仅仅是纯的甲醇。他说，“燃料电池不能利用浓缩的甲醇工作；它需要一个稀释的解决方案。但是又不想携带一个稀释的电池。”Hallmark补充到，包括摩托罗拉在内的任何公司将需要花费大约3到5年的时间才能开始卖这种产品。 

有力出击 

    尽管如此，摩托罗拉和其他公司最想要的都是像传统电池一样工作的燃料电池，它可以很合适地插入到手机和其他的电子设备中，直接为它们提供电能。Hallmark说，“用于手机是最困难的，因为人们想用同样大小的燃料电池来取代他们原来使用的传统的电池。我们也很乐意为他们提供这样的电池，但是我们提供这样的电池仍然需要付出很大的努力。” 
    意识到这样的现实，各个公司纷纷寻求各种各样的策略。纽约的Medis Technologies公司相信它可以生产一种能替代手机电池的燃料电池，使用单个燃料筒可以提供20小时的手机通话时间和几百小时的待机时间。Medis公司的首席执行官Robert K. Lifton说，公司正在利用一种本公司发明的电解液，利用它可以使用更高浓度的燃料进行工作，相对常规的解决方案，它可以产生更多的电能。但是Medis并没有确切地说明说明它是如何工作的。Lifton说，“我们有17项注册的专利，在我们讨论细节问题之前我们就在等待获得它们。”尽管商业战略不可能是坦途：它是充满荆棘的道路。“我们的收益在于再充填（refill）”，Lifton解释说，每充填一次大约1美元。他说到今年年底，Medis将会确定一个原型。 
    另一种策略是把甲醇作为一种燃料来携带，在需要的时候将它转换成氢。因为按重量计算氢比甲醇能产生更大的能量，这个方案能够生产出能量更大的和更有效率的燃料电池。Case Western Reserve University 的一名化学工程教授Robert Savinell，正努力的制造这样的一个如此小的燃料电池；到目前为止，他的研究团队已经制造了一个25平方厘米的原型。 
    从甲醇到氢的化学转换常常被工程师们称为“重整（reforming)”，这在技术上非常地简单，但是当你试图在一个指甲盖大小的装置上实现它的时候就另当别论了。摩托罗拉的Hallmark说“人们已经在大型的功率为几千瓦的应用中实现了这个转换，所以问题不是是否这个方案可行。关键的问题是你是否能够把它做的足够的小，使它能够放在手机里面或者是笔记本电脑里面。” 
    在电子设备使用植入的燃料电池取代传统电池到来之后，另一项前沿的技术将会迫近：直接在芯片上嵌上燃料电池。Case Western Reserve University大学Savinell的研究小组已经制造了一个1.5厘米长2厘米宽的原型。他的研究小组使用微制造技术（microfabrication）在陶瓷和硅晶片上刷了五到六层的燃料电池成分――隔膜、电极和催化剂，最近的工作是刷在一个柔软的聚合体材料上。在这样的规模上，他使用氢作为燃料，他所使用的氢是以硼氢化钠（或氢化硼钠）的形式保存的，使用铂催化剂来释放能量。Savinell说，“我们希望为装有传感器和发送器的芯片提供能量，使之成为一种完全自给的装置。” 
    在佐治亚理工学院（the Georgia Institute of Technology）、麻省理工学院（MIT）、斯坦福大学（Stanford University）和位于加利福尼亚州利弗莫尔（Livermore）的Sandia国家实验室（Sandia National Laboratories）都在从事研究芯片大小的燃料电池。为使这些装置能利用容易保存的甲醇进行工作，佐治亚理工学院化学工程的教授Paul A. Kohl在硅片上打了一些小的通道，使甲醇和水得以通过。这些通道可以在一个传统的硅芯片生产流水线上很容易地打造出来。Kohl说，“你可以设计出准确地提供你所需能源的燃料电池，也可以设计出大小完全符合你需要的燃料电池。” 
    在将燃料电池的大小压缩到芯片大小之外，另一个长期的目标是使燃料电池直接选择利用氢作为原料，但是要避免使用高压的容器。一个雄心勃勃的计划是要利用碳毫微管（carbon nanotubes），它是像管子一样的碳分子，它可以存储和释放氢。位于哥伦比亚地区戈尔登（Golden）的美国能源部所属的国家可更新能源实验室（the U.S. Department of Energys National Renewable Energy Laboratory）的毫微结构材料小组的领导者Michael Heben说，研究人员预期使用充满氢的毫微管能够保持燃料电池的持续的原料，但是这要求在材料和制造方法上的突破。他说，“或许在下个星期就会有人来做这件事情，但也许它需要花费20年的时间。” 
    密歇根州立大学（Michigan State University）的物理学教授David Tomanek说，到目前为止最可信的并且经过反复检验的成果是由麻省理工学院（MIT）的一位物理学家Mildred Dresselhaus和中国科学院的一些研究人员得到的，他们找到一种碳毫微管的方法可以储存重量的4.2%的氢。Tomanek说，这对于微燃料电池来说足够了，他说，“比起储存氢的高压的大容器来讲，它更轻、更小并且更安全，几年之后将可以实现。我对此很乐观。”但Dresselhaus本人却很谨慎，“目前，我们并没有什么魔棒。我们仅仅是有了一个开端，那也就是说这是寻找到的一些东西，下一步还不明确。”她补充说，下一步在十年内可以解决，但是“我们需要有一个大的突破”。 
    其他的电子设备巨头也在尝试利用碳分子来改进微燃料电池。据报道日本电气公司（NEC）采用称作碳毫微角（carbon nanohorns）的喇叭状的分子来作为铂金催化剂的底层，为更激烈的化学反应提供更大的接触表面区域从而产生更高的电能。索尼则是利用一种称作“fullerenes”的足球状的分子来作为碳毫微管的基本组成部分。 
    与此同时，第一代微燃料电池已经迅速地接近市场。当然，原型需要不断地完善以确保不产生泄漏和提高它们的效率。产业观察家认为，但是这些障碍相对比较小。毕竟，传统的电池也有他们自己发展的问题。高能的锂电电池有可能着火甚至爆炸。任何一个手机的拥有者都知道，这些问题需要被解决。 
    有太多的原因，事实上是大约60亿美元的价值，暗示着微燃料电池的前景，这些值得注意的小的电源组件将会被放在数百万的消费者的口袋里。确实，当微燃料电池在类似于洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）社区的Manhattan Scientifics公司的混乱的实验室里出现的时候，它们就把传统的电池，它们有限的能量及重的金属废弃物的难题，都扔到了技术的“回收站”里了。