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燃料电池走向实用化技术汇总

2014-06-12 11:49
夜隼008
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  随着新能源汽车的大力推广,燃料电池汽车在燃料电池技术上也通过不断的改进,得到飞速的进展,以下是这些年来日本在燃料电池上所取得的进步。

  便携燃料电池实用化元年(一)首先作为锂离子电池的充电器

  携终端用小型燃料电池终于进入了实用化阶段。东芝于2009年3月在该公司的手机上采用,美国MTI MicroFuel Cells计划在2009年内、意法半导体计划在2010年分别量产。其他的日本电子大厂则力争在2012年以后实用化。用于便携终端的燃料电池首先将作为便携终端内置锂离子充电电池的充电器投放市场。然后将应用范围扩展至一次电池(干电池)的替代用途。

  便携终端用燃料电池开始步入实用化阶段。2009年3月,东芝率先在该公司的手机上采用。之后,美国燃料电池供应商MTI MicroFuel Cells(以下简称MTI)和意法半导体也表明了实用化意向,前者将在2009年底、后者将在2010年推出产品。

  此前也有企业宣布将使便携终端用燃料电池实现实用化。不过目标都是替代锂离子充电电池,由于门槛较高,这些计划大都受挫 (注1)。而此次配备燃料电池的目的并不是替代锂离子充电电池,而是通过与锂离子充电电池结合,延长便携终端的驱动时间。通过降低燃料电池业务的门槛来启动业务,思路与原来不同。

  (注1)近10年来一直在推动开发的日本电子大厂商纷纷表示,“研发已告一段落,实用化时期尚未确定”(卡西欧计算机公关室),“目前正致力于小型固定型产品”(日立制作所公关室)。

  东芝、MTI及意法半导体3公司的实用化产品均为与锂离子充电电池并用的产品。将燃料电池作为锂离子充电电池的充电电源嵌入到产品里。如此一来,与仅使用锂离子充电电池时相比,可将电池寿命(容量)延长至两倍以上。即使在不能为锂离子充电电池充电的环境下,也可减轻对电池电量耗尽的担心。当电池电量耗尽时,填充燃料后就能立即驱动。这样便可省去携带备用电池的麻烦。而且,还可凭借锂离子充电电池的功率输出来弥补燃料电池最大输出功率较低的缺点。与只使用锂离子充电电池相比,虽然成本升高、尺寸变大,但却能享受到寿命延长、无需充电等待时间等优点。

  瞄准未来的主导权

  东芝的主要目标首先瞄准的是重度用户,这些用户在使用便携终端时,往往半天即可将锂离子充电电池充满的电量用光。对象包括便携网络终端及便携音视频播放器的内置充电器 注2)。在这一领域积累经验后,再将燃料电池应用于商用个人电脑(PC)等。通过提高燃料电池的认知度,使用户形成注入燃料而非插入AC适配器的习惯,建立起使用燃料电池的环境。

  (注2)为了实用化,东芝使燃料电池乃至燃料注入用连接器及燃料盒等,在尺寸未加大的情况下确保了安全性及可靠性。在连接器方面,开发了能够高可靠性连接燃料盒的形状以及阀门开闭方法。而燃料盒则达到了可在便利店销售的安全性和可靠性。

  另外,还通过在燃料电池市场创立期便开始涉足该业务,“在便携终端、燃料盒及燃料浓度标准化方面先行一步”(东芝显示器部件材料总工程师上野文雄)注3)。便携燃料电池今后将有望在手机内置及替代一次电池(干电池)等方面形成巨大市场。通过在实用化上先行一步,作为开拓者掌握市场主导权。

  注3)对于连接器,东芝参照了标准化推进机构——国际电工委员会(IEC)的标准,东芝一直积极参加IEC的标准制定活动。有关标准由东芝主导制定概要,预定2009年上半年确定。

  MTI及意法半导体并非便携终端厂商,与东芝能够在自己的便携终端上配备相比,情况有所不同。因此打算以内置于便携终端为目标,最初向外置充电器用途供应燃料电池。

  MTI计划在2009年底之前面向外置充电器用途投产燃料电池单元,意法半导体也计划在2010年投产类似的产品。之后,两公司将推进在手机中的内置业务。目前,MTI已开始与韩国三星电子展开合作。意法半导体正在以2012年前后实用化为目标,与芬兰诺基亚等推进开发。

  便携燃料电池实用化元年(二)仅靠锂离子电池还不行

  “仅靠锂离子电池则无法解决”

  近10年来,便携终端用小型燃料电池的开发企业曾多次表示要实现燃料电池的实用化,但计划却一再延期。造成这种情况的原因在于,最初一直将目光放在对锂离子充电电池的替代上,但这种单纯替代几乎看不到什么好处。

  但是近来,便携锂离子充电电池充满的电量只经半天即被耗光的重度使用已相当普遍,这一问题到了必须立即解决的程度。对于这一需求,仅靠技术上无望迅速进步的锂离子充电电池本身已无法满足。NTT DoCoMo就曾表示,“锂离子充电电池无法解决这个问题。由于别无选择,因此期待燃料电池能够化解该问题”(NTT DoCoMo移动设备开发部技术推进部部长竹野和彦)。

  市场悄然形成

  用于便携终端的小型燃料电池有两种方式。一种是将甲醇直接作为燃料,使之与氧发生化学反应并发电的直接甲醇燃料电池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)。另一种是以氢为燃料,使之与氧发生化学反应并发电的质子交换膜燃料电池(PEFC:Proton Exchange Membrane Fuel Cell)。其中,DMFC虽然构造简单,容易实现小型化,但难以提高输出功率。而PEFC虽然容易提高输出功率,但难以实现小型化。

  DMFC、PEFC的应用从便携音视频播放器开始,最终将迎来替代干电池这一巨大市场。“将来要想替代干电池,就必须大幅降低成本。虽然需要跨越的障碍还很高,不过,在材料成本方面相对于干电池已经具有竞争力,只要制造技术能够开发出来,便可实现与干电池相同水平的价格”(燃料电池的技术人员)。

  要想替代干电池,就必须依靠产量来大幅降低成本。但最近有预测认为,由于涉足的厂商有限,进入大量生产阶段还需时日。调查公司富士经济表示,便携终端用DMFC及PEFC的市场规模最初在2009年以10万个起步,2010年为100万个,2016年为1000万个。而锂离子充电电池市场2007年为24亿个,2009年为30亿个,2010年为33亿个。

  富士经济表示,如果这一市场规模的差距反映在单价上,便携终端用燃料电池2010年度为每瓦时(Wh)3000日元,2020年度为每瓦时1000日元,而手机锂离子充电电池的供货价格为每瓦时300日元。燃料电池要想替代干电池,涉足的厂商至少要增加到与锂离充电电池同等的数量。

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