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《苹果公司正研究在移动设备中使用氢燃料电池》

  • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
  • 编译者： guokm
  • 发布时间：2020-10-04

  • 苹果公司正在研究在移动设备中使用氢燃料电池，作为目前电池充电技术的替代方案，部分原因是为了实现高电池寿命，同时也是为了更加环保。苹果新获得的这项专利名为 "用于外部燃料电池控制的便携式计算设备"。
    苹果在专利当中表示，由于消费者意识的提高，电子制造商对开发产品的可再生能源非常感兴趣，它们一直在探索一些有前景的可再生能源，例如氢燃料电池。苹果并没有确切地说氢燃料电池是未来的完美电池，但它确实列出了这项技术如此有前途的原因。
    苹果表示，氢燃料电池具有许多优势，这种燃料电池和相关燃料有可能实现高能量密度，这有可能使便携式电子设备在没有电源的情况下持续运行数天甚至数周。但是要设计出足够便携且具有成本效益的氢燃料电池系统，以便与便携式电子设备一起使用，极具挑战性。
    这正是这项专利所要解决的问题。它为便携式计算设备设计一种便携且具有成本效益的燃料电池系统，该系统可将燃料，如氢基转化为电能。该研究包含了许多不同的可能的解决方案，以产生电力，并将其输送到设备中，包括提到一个类似MagSafe的连接器。但在每一种情况下，其想法都是 燃料电池堆将源燃料..转化为电流来产生电力。
    专利的不同之处在于这个燃料电池堆的精确细节，以及如何产生电力。例如，一个例子提出，燃料电池可以是使用氢气作为燃料的质子交换膜(PEM)燃料电池。另一个提出，燃料电池堆可以对应于固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、直接甲醇燃料电池、碱性燃料电池或其他类型的燃料电池。
    除了声称这样的工作系统可以为设备提供 "数天甚至数周的电力 "之外，苹果没有进一步估计电池寿命。也没有任何迹象表明，苹果在实施该专利的解决方案方面究竟会走多远。苹果长期以来一直在研究电源和电池技术。它甚至早在8年前就曾申请过关于使用氢气的专利。

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相关报告

  • 《燃料电池：信息化战场的“新能源”》
    • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2019-02-26
    • 信息化条件下的高技术战争，士兵除携带武器弹药外，还将配备头盔显示器、激光测距仪、卫星定位终端以及高性能作战计算机等，这些设备每时每刻都需要充足的电量供应。美国陆军曾预测，未来单兵装备的平均耗电功率将达到100瓦，传统的干电池、蓄电池等早已“不堪重负”。 日前，在美国能源部耗资3400万美元资助的科技创新项目中，就包括4个与燃料电池高度相关的项目。连宝马等汽车公司都在跃跃欲试，将在2020年后正式发行搭载燃料电池的汽车。 燃料电池是一种直接把化学能转化为电能的装置，不仅不需要反复充电，还更加清洁高效。事实上，燃料电池正在成为军用电源领域的“明日之星”，将在未来战场发挥重要作用。 随身携带的“发电厂” 打赢未来信息化战争，需要高效可靠的“能量源”。近年来，信息化战场上竞相涌现的先进武器装备，对战场电力供应提出了新的更高要求。以美国为首的西方国家尤其重视燃料电池技术发展，从为单兵装备供电，到电推动军用卡车，更甚至是驱动无人航潜器和无人机，处处可见燃料电池的身影。 说起燃料电池中的“燃料”，当然不同于生活中常见的煤、油、天然气等传统燃料。我们都知道，让强大的电流从水中经过，水便会分解为氢和氧。燃料电池的原理正好与此过程相反，是通过特殊装置使氢和氧作为“燃料”发生反应，最终产生电能。因此，与干电池、蓄电池等储能装置在需要时才把储存的电能释放出来不同，燃料电池更像是一座把化学能直接转化成电能的“发电厂”。这也难怪燃料电池被认为是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。 对于燃料电池而言，只要含有氢原子的物质就可以作为燃料。这就大大增加了“燃料”的来源范围，使燃料电池成为军用电源装备领域的“红人”。燃料电池投入军事应用，还有许多“先天性优势”。燃料电池在使用时能量转换效率高、系统反应快、运行可靠性强、维护方便。与其他电池相比，燃料电池的发电效率可以达到85%-90%。由于燃料电池的内部结构相对简单，工作时噪声很低，散热量和红外辐射较少。 近年来，包括美国国防部、美国陆军研究实验室、美国海军研究实验室等，都高度重视并全程参与了燃料电池的研发过程。从制订研制计划、明确技术指标，到研制后续环节安排部队进行试验，再到相关产品投入战场进行实战检验，燃料电池的研制都离不开美国军方的倾力支持。美国很多燃料电池产品的研发经历十几年时间，也与美国军方坚持将最新技术加以应用的决心不无关联。 “上天下海”无所不能 未来的燃料电池，将越来越轻型便携，并朝着移动式电池供电系统方向加速发展，必将成为信息化战场当之无愧的“能量源”。 燃料电池除可作为海面舰艇的辅助动力源外，还能为无人潜航器和潜艇提供驱动动力。美国海军已经完成了用作船用电网和推进系统的燃料电池系统研发，目前正逐步尝试将燃料电池用于驱逐舰。早在2005年，德国就试航了第一艘现代化的燃料电池潜艇。2016年获得澳大利亚海军潜艇项目大单的“梭鱼”级潜艇，也装备了由法国研制的燃料电池系统。2017年，美国国防部批准600万美元经费，专门用于研发无人潜航器的静音推进系统，或将采用由美国陆军研究实验室研制的燃料电池供电推进系统。此外，美国海军研究实验室还与通用汽车公司合作，正在致力于将车用燃料电池移植到下一代无人潜航器中，以大力提升无人潜航器的航程和持久力。 燃料电池也将助力飞行器展翅高飞。现有的无人机电池主要为锂离子电池，供电缺口较大，尤其需要研制供电时间更长、更安全可靠的供电系统。加拿大巴拉德公司为美军战术无人机研制了氢燃料电池，具有适应能力强、安全可靠、重量轻等特点，目前已经在洛克希德·马丁公司的系列产品中得到应用。美国国家航空航天局研制的使用燃料电池推进的太阳能无人机，一度创造出3.2万米的世界飞行高度纪录。目前，美国国防部正致力于使用燃料电池动力装置的长航时无人机项目，将尽快装备美军各军兵种。 早在20世纪60年代，由于载人航天器对特殊性能电池的迫切需求，美国曾研制出氢燃料电池。此后往返于太空和地球之间的“阿波罗”系列飞船，就专门安装这种体积小、容量大的供电系统。此外，美国通用汽车公司也在持续挖掘燃料电池在陆上军事应用中的潜力，已经推出使用氢燃料电池的“通用静音多功能电动平台”计划。该平台理论续航里程超过460千米，越野能力较强，还具备运送集装箱、作战方舱和医疗方舱等能力。 战场应用驶入“快车道” 随着战场军用电源系统要求的不断提升，燃料电池不仅为各类武器装备提供了强劲的供电能力、低热辐射和电磁辐射的使用环境，还具有高效、清洁、经济以及安全等优点，正逐步打开军事领域应用的大门。 现有的单兵可穿戴系统，士兵们背负的作战装备往往令人不堪重负。美国陆军目前正在尝试使用燃料电池取代传统锂离子电池，将减少约50%的负荷。美国陆军通信与电子研发和工程中心，同通用汽车公司合作，已经推出了一款用于单兵可穿戴设备的新型氢燃料电池系统。美军目前装备的军用燃料电池，尺寸与传统的一次性小型电池相同，输出的电流量却提高了1倍。韩国三星公司研发的单兵燃料电池系统，一次产生的电量高达1.8千瓦时，可满足士兵连续执行72小时任务需求。德国SFC公司研制的燃料电池系统，已经交付英国、挪威、比利时和荷兰等多国军队使用。 燃料电池系统的出现，对武器装备性能的提升也大有裨益。美军在燃料电池研发过程中遵循的“先易后难、先小后大”原则，不仅推动了燃料电池从单兵装备和野战携行电源，到无人机、无人潜航器以及作战车辆动力系统的升级，也在逐步积累技术和经验的过程中，为今后装备燃料电池武器装备性能的提升奠定了基础。野战条件下夜间作战时，对武器装备的隐蔽性要求极高，普通车辆发动机产生的热能会直接暴露于红外夜视仪中。对此，美国陆军与通用汽车公司联合研制出使用氢燃料电池驱动的轻型作战卡车，噪声水平明显降低，热能排放也非常少，极大地提高了战场生存能力。由于燃料电池反应后副产物是水，该型作战卡车还能为士兵进行战场供水。 目前，阻碍燃料电池实用化的主要问题，在于燃料电池的环境适用性、使用寿命和经济成本。近年来，尽管燃料电池的使用寿命有所提升，但绝大多数仅维持在2200小时左右，与实用化5000小时的目标寿命还有不小差距。同时，燃料电池的生产和使用成本比较高，人们试图通过使用廉价替代材料、改进制备工艺、加速批量化生产等方式，使燃料电池的军事应用走上“快车道”。
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  • 《氢燃料电池汽车“领跑”氢能应用》
    • 来源专题：能源情报网信息监测服务平台
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2023-02-01
    • 编者按：氢燃料电池汽车的应用推广正在为氢能发展奠定良好的产业基础。作为氢能应用的先导领域，氢燃料电池汽车在全球受到高度重视，我国也已在氢燃料电池汽车的应用推广领域不断取得新进展，并初步掌握了关键零部件等核心技术。随着氢能基础设施建设的不断完善，以及氢能产业链企业加紧补链强链，氢燃料电池汽车正在向更多场景推广示范应用，并带动氢能产业发展打开更大空间。 图为在张家港朝阳综合加能站投入运营的中国石化苏州首座对外商用油氢电综合加能站 氢燃料电池车加速“跑”进多场景 在北京市延庆区，一批绿色涂装的公交车正行驶在街头。作为2022年冬奥会和冬残奥会的“遗产”，延庆赛区赛时使用的212辆燃料电池车，赛后被用于区内、与市区连接的公交服务用车。截至2022年10月底，这批氢燃料电池公交车行驶里程累计超过了600万公里。 目前，北京市氢燃料电池汽车已经覆盖了公交、物流、环卫、摆渡等各类车辆。业内人士指出，相关政策的出台，以及技术创新和成本降低，共同推动氢燃料电池汽车推广数量不断增加，并进一步向更多领域渗透。 氢燃料电池车推广加速 统计数据显示，截至2022年8月，北京市投入应用1528辆氢燃料电池汽车，其中包括大中客车845辆，普通物流车272辆，冷链物流车203辆，重卡202辆。 近年来北京市氢燃料电池汽车的加速推广，离不开国家及地方相关政策的推动与支持。 2022年3月，国家发展改革委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，明确了氢的能源属性，是未来国家能源体系的组成部分，充分发挥氢能清洁低碳特点，推动交通、工业等用能终端和高耗能、高排放行业绿色低碳转型。 为了贯彻落实上述规划目标，北京市印发了《北京市关于支持氢能产业发展的若干政策措施》《北京市氢燃料电池汽车车用加氢站发展规划（2021-2025年）》等多项政策文件。加上此前印发的《北京市氢燃料电池汽车产业发展规划（2020-2025年）》《北京市氢能产业发展实施方案（2021-2025年）》等文件，北京市对氢能产业的支持政策愈加完善。 此外，北京市交通委员会日前发布的关于2022年度包车客运运力投放情况的通告指出，由各相关区交通运输主管部门负责完成2022年度包车客运运力投放氢燃料电池客车250辆。 多场景应用渐成趋势 相关政策的支持及基础设施建设的不断完善，推动氢燃料电池汽车逐步从此前较单一的应用场景向多场景示范应用转变。 《北京市关于支持氢能产业发展的若干政策措施》要求以省际间专线货运、城市重型货物运输、城市物流配送、城市客运等场景为重点，积极推动京津冀燃料电池汽车示范城市群建设，开展氢燃料电池汽车示范应用。 《北京市氢燃料电池汽车产业发展规划（2020-2025年）》则提出，要打造氢燃料城区公交、城郊公交、市政环卫示范车队，设立机场巴士示范线，组织开展京津冀地区重型车示范；重点完善公交车始末站点、环卫车停靠场站附近及城市物流集散地加氢站建设。该规划还要求，南部区域依托中国（河北）自由贸易试验区大兴片区，通过氢燃料电池汽车在机场巴士、货运物流等领域的推广应用，进一步将大兴区打造成为国际氢能示范区。 根据相关要求，2025年前北京市力争在各应用场景实现氢燃料电池汽车累计推广量突破1万辆。 对此，清华大学核能与新能源技术研究院教授、国际氢能协会副主席毛宗强在接受《经济参考报》记者采访时表示，北京市设立的1万辆目标基于现有基础，具有较强的可操作性。“目前冬奥会期间已经投入使用的氢燃料电池车超过1000辆，大兴、昌平等区域也在兴建相关产业园区；此外，北京路政还计划在‘十四五’期间引入共计550辆氢燃料电池重卡。因此，甚至可以预计这个目标将可超额完成。” 记者了解到，在具体落地方面，北京市要求以“宜电则电，宜氢则氢”为推广原则，聚焦物流配送、市政环卫、通勤客运、机场快线、公交、乘用车等共十类以中远途、中重型为主的应用场景，完成5300辆自主化燃料电池汽车的示范应用。 氢能利用前景广阔 对于未来氢燃料电池公交车的发展情况，《北京市氢燃料电池汽车车用加氢站发展规划（2021-2025年）》指出，现阶段市郊山区线路、远郊山区线路的传统燃油车辆，均具备氢燃料电池汽车替换潜力。预计北京市氢燃料电池汽车在七类应用场景的可推广潜力规模为13.70万辆，其中公交客运领域潜力规模近4万辆。该规划预测，2023年前北京市公交客运领域氢燃料电池汽车预计规模超1100辆，2025年前预计规模近5000辆。 值得一提的是，除了汽车领域，北京市还将推动氢能用于多个领域。比如，北京市将依托大兴、房山、经开区，开展氢动力无人机、船舶、轨道交通等产业全场景应用示范。 “近年来，国内各地开始加快推进氢能轨道交通相关项目，不少地方也已经开始试运行。比如，2019年开通的佛山高明有轨电车，作为国内最早的商业运营氢能源有轨电车，其运营情况表现出色。”毛宗强表示，“从目前的技术和发展情况来看，氢能源在轨道交通领域的应用，未来将迎来很大的发展。”（记者 袁小康 北京报道） 交通先导应用奠定氢能发展产业基础 2022年，我国在氢燃料电池车应用领域取得新进展。随着交通领域成为氢能应用重要领域，多国先后制定大力发展氢燃料电池车目标，我国也制定了中长期发展规划。目前，我国已初步掌握了氢燃料电池及其关键零部件、动力系统、整车集成和氢能基础设施等核心技术。业内人士指出，交通领域作为先导，为氢能发展奠定了很好的产业基础。 交通成氢能应用先导领域 目前，交通领域是氢能应用的重要领域、先导领域，受到多国高度重视。 2022年下半年，印度、法国、新加坡和韩国都提出大力发展氢燃料电池车。其中，韩国计划到2030年，普及3万辆氢燃料电池商用车。 国际能源署（IEA）预测，到2060年交通运输领域对氢气的需求量，将比2030年增长近30倍。还有机构预计，到2030年全球氢燃料电池车保有量将超过890万辆。 2022年，我国氢燃料电池车的应用取得新进展。冬奥会期间，超过1000辆氢燃料电池车投入运营、服务冬奥；宜家、必胜客、京东等多个知名品牌，在2022年公布了氢燃料电池车的投放计划；2022年9月，80辆氢燃料电池网约车在上海投入运营…… 氢燃料电池车的推广应用，降低成本是关键。国际氢能燃料电池协会秘书长王菊表示，氢燃料电池车的成本一直在大幅度下降，预计到2030年，氢燃料电池车的成本与纯电池电动车、柴油车相比将具有竞争力。 氢燃料电池车发展空间巨大 数据显示，截至2022年8月，中国燃料电池汽车保有量达到11138辆。中国汽车工程学会编制的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》预测，到2035年氢燃料电池车保有量将达到100万辆左右，未来发展空间巨大。 北京清华工业开发研究院副院长付小龙认为，我国已经初步掌握氢燃料电池及其关键零部件、动力系统、整车集成和氢能基础设施等核心技术，基本形成氢气制备、储运、加注、燃料电池、应用等完整的产业链，但在液氢、加注设备、燃料电池基础材料和关键零部件方面与国外最高水平相比仍有一定差距。 “目前我国氢燃料电池车的膜电极、催化剂等核心零部件、基础材料仍依赖进口，我国应力争在2030年将其全部实现国产化。此外，目前国内氢燃料电池电堆的寿命为1万至2万小时，相较于国外2万至3万小时的水平仍有较大差距，因此我国应着力提高电堆的寿命。”王菊说。 氢能深度应用前景广阔 “交通领域作为先导，为氢能发展奠定了很好的产业基础。但氢能不等同于氢燃料电池，更不等同于氢燃料电池车。”中国国际经济交流中心能源政策研究部部长、研究员景春梅说。 景春梅介绍，我国80%的碳排放来自工业，而超过80%的氢气消费也在工业。 中国氢能联盟发布的数据显示，预计到2030年，我国工业领域氢气需求量为3559万吨，远高于交通领域156万吨的需求量。到2060年，交通和工业领域的氢气需求量分别为4051万吨和7794万吨。 “国内外关于氢气需求量的预测均表明，未来氢气消费量最大的领域依然是工业。”景春梅说。 业内专家认为，在工业领域，氢在零碳生产、原料和热源的替代方面扮演着重要角色。 景春梅表示，氢作为工业原料、还原剂或高品质热源，可以替代煤炭等化石原料，是新型能源体系中不可或缺的组成部分。 “化工生产是以氢、氮、碳等为基础元素的有机转化过程，而中国化工行业能源消耗占工业能耗总量的28%。零碳化工产品的生产路径，需要使用绿色电力和绿色氢能作为主要能源，同时氢作为原材料可以直接合成绿色材料。”付小龙说，“因此，以氢气、氮气和碳为原料进行的合成反应，形成化工行业的主要产品，是化工行业零碳转型升级的主要路径。而且，氢气在工业领域的规模化应用，将带动大功率绿氢制备技术及装备、管道输送及大规模储氢技术发展。” “氢能脱碳的最大‘战场’在工业，产业政策应关注氢能在工业领域的应用。建议出台相关扶持政策，促进绿氢在工业领域的规模化应用，以实现工业领域的深度脱碳。”付小龙说。（记者 余蕊 北京报道） 氢能产业链企业加紧补链强链 申能集团和法国彼欧集团近日在上海签署合作谅解备忘录，双方将成立合资公司，为我国商用车市场生产和提供三型及四型高压储氢瓶及储氢系统。作为国内较早布局氢能全产业链的地方能源企业，此举将进一步完善申能的氢能产业布局，发挥全产业链协同效应。 作为零碳二次能源，氢能已逐渐成为全球能源转型的载体之一。氢能的使用过程包括制氢、储存运输和应用等方面，而从制氢到氢能利用的产业链中，储氢技术都贯穿其中，是控制氢气使用成本的重要环节。 在储运环节，申能集团此前已投资控股国内高压氢气储运装备龙头企业浙江蓝能燃气设备有限公司。此次申能集团与彼欧集团战略合作，浙江蓝能将与彼欧集团设立合资公司，结合彼欧集团在高压储氢瓶领域的领先技术实力和蓝能在中国市场的氢气储运系统生产制造优势，发挥强强联合的协同效应。 据介绍，该合资公司将在上海嘉定氢能港投资建设首个生产基地，从2023年开始生产和销售高压储氢系统，未来还将建设年产可达6万支四型高压储氢瓶的超级工厂。 申能集团总裁倪斌表示，彼欧集团作为汽车行业清洁能源及移动互联全球领导者，在汽车核心零部件产业及氢能核心装备领域具有强大的技术优势和市场资源。申能与彼欧在氢能领域的合作将为氢能行业的技术进步和效率提升做出贡献。 彼欧集团首席执行官劳伦特·法夫雷表示，申能集团拥有在中国大力发展氢能业务的宏伟战略和丰富经验，合资项目以及与申能集团的战略合作将加快彼欧集团在中国氢燃料电池商用车市场的发展步伐，并为两集团未来在中国氢能生态圈中共同探索新的合作机会奠定基础。 上海嘉定区副区长李峰表示，在氢能及燃料电池汽车产业上，嘉定区已初步形成比较领先的产业生态。申能集团与彼欧集团是推动国家绿色能源产业发展的重要力量，下阶段嘉定将加快建设国家燃料电池示范城市，打造国内领先的燃料电池汽车产业集聚区。 在氢能业务上，申能集团是时下大热的氢能产业发展“先锋”。此前，申能集团提出“三纵三横”氢能发展战略，在氢能发展的“制-储-运-加-用”等关键环节都进行了前瞻性布局。 所谓“三纵”，是着眼于高端制造领域，在氢气制备、储运设备、燃料电池三大产品上进行布局。目前申能集团在氢能“制储运加用”环节投资了瑞必科、浙江蓝能、氢晨科技、鲲华科技、氢蓝时代等一批氢能行业领先企业。其中，此次参与合资的浙江蓝能就在氢能的“储运加”多个环节进行布局，其站用储氢瓶组已覆盖国内80%以上市场。 值得一提的是，在氢能“卡脖子”项目上，申能集团也进行了较全方位的布局。比如，2021年6月，申能对关键核心零部件燃料电池催化剂和膜电极研发企业擎动科技进行了独家投资，同时基于前期的协同效应，2022年，申能集团旗下的燃料电池制造商氢晨科技通过换股形式收购擎动科技100%股权，率先开启了行业整合序幕。 而“三横”则是在氢能的应用场景领域，打造上海、省外一体化基地，并积极关注氢能在钢铁、热电联产等多场景的应用。目前，申能集团在上海临港、山西吕梁、内蒙古包头等多地推进建设一体化示范项目，由于一体化项目涉及氢能产业的多个环节，“申能系”氢能企业将发挥集群效应，一方面助力当地的产业升级和能源转型，另一方面也有助于形成可复制推广的氢能发展模式。 目前在申能集团的氢能规划中，旗下的申能能创能源发展有限公司已基本成为“旗舰投资平台”。“申能的投资更多是产业投资，而不是财务投资，财务投资是以退出为目标，而产业投资是以发展壮大长期持有为目标。”申能集团副总裁宋雪枫说，氢能的发展没有任何可复制的经验，在边实践边学习中，申能已基本具备氢能全产业链核心技术和运营的能力。 “氢能是申能集团发展战略性新兴产业的重要一环，是未来重要的新增长点。”申能集团董事长黄迪南此前在接受记者采访时表示，“十四五”期间，申能集团将按照既定战略，形成氢能上中下游高端制造产业集群，努力构建具有申能特色的氢能全产业链，助力我国氢能尽快实现产业化发展、规模化应用。
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