綠色動力新潮流――燃料電池

隨著能源緊張、油價攀升，環(huán)境污染嚴(yán)重，節(jié)能環(huán)保成為人類不懈努力的方向。燃料電池以其效率高、零污染、使用方便等特點進(jìn)入人類的視野，在諸多領(lǐng)域的應(yīng)用也應(yīng)運而生，成為人們關(guān)注的熱點。

工作原理

1839年英國的Grove發(fā)明了燃料電池，并用這種以鉑黑為電極催化劑的簡單氫氧燃料電池點亮了倫敦講演廳的照明燈。燃料電池（FuelCell），是一種將氫和氧的化學(xué)能通過電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置，含有陰陽兩個電極，分別充滿電解液，而兩個電極間則為具有滲透性的薄膜所構(gòu)成（見圖1）。氫氣由燃料電池的陽極進(jìn)入，氧氣（或空氣）則由陰極進(jìn)入燃料電池。經(jīng)催化劑的作用，陽極的氫原子分解成兩個氫質(zhì)子與兩個電子，質(zhì)子被氧“吸引”到薄膜的另一邊，電子則由外電路形成電流后，到達(dá)陰極。在陰極催化劑作用下，氫質(zhì)子、氧及電子，發(fā)生反應(yīng)形成水分子，因此水是燃料電池唯一的排放物。

圖1 燃料電池工作原理

DMFC――便攜式設(shè)備的綠色動力

燃料電池種類繁多，直接甲醇燃料電池（DMFC）在便攜式設(shè)備中的發(fā)展?jié)摿薮?。直接甲醇燃料電池以液態(tài)甲醇為燃料，體積能量密度約為液態(tài)氫的3～4倍，操作溫度在80℃，儲存與運送遠(yuǎn)較氫氣方便及安全，且取得容易，成本低、體積小、重量輕，因此更符合便攜式電子產(chǎn)品的需求。

DMFC系統(tǒng)由四部分組成：由數(shù)片燃料電池堆疊成的燃料電池本體，包含電力轉(zhuǎn)換、能源管理控制、濕度控制、負(fù)載控制等元件的電能控制系統(tǒng)，燃料供應(yīng)與水、熱管理元件等周邊設(shè)備，主要構(gòu)成元件是負(fù)責(zé)甲醇燃料輸送的壓力泵、風(fēng)扇、送風(fēng)機、監(jiān)控甲醇濃度的傳感器，以及包括甲醇燃料罐及純水罐燃料供應(yīng)系統(tǒng)。為適應(yīng)便攜式設(shè)備的應(yīng)用，直接甲醇燃料電池還可細(xì)分為主動式直接甲醇燃料電池與被動式直接甲醇燃料電池兩種。早期開發(fā)多集中在主動式DMFC，但由于甲醇水溶液的循環(huán)系統(tǒng)較為復(fù)雜，體積重量不易縮減，被動式DMFC也漸被重視。

現(xiàn)階段，用于便攜式設(shè)備的燃料電池的不斷出新：2008年4月在美國亞特蘭大召開的便攜式產(chǎn)品燃料電池大會（Small Fuel Cells 2008）期間，夏普表示已經(jīng)在直接甲醇燃料電池方面取得相當(dāng)大的進(jìn)步，其DMFC實現(xiàn)超高密度的容量，與普通的鋰電池相比，同樣的密度下容量提升了5倍，將面向PDA、筆記本電腦、手機、數(shù)碼相機等消費電子市場。索尼研制出的超小混合燃料電池同樣具有顛覆性，大小僅為50mm30mm，集成了燃料電池和傳統(tǒng)電池以及控制電路，該電池系統(tǒng)同樣以甲醇為燃料，可以滿足大流量的移動設(shè)備供電需求。同時，各大公司不斷進(jìn)行新技術(shù)新材料的研發(fā)，三星公司針對手機研制出水燃料電池，只需加水就可以工作，并稱其續(xù)航時間比普通充電電池長一倍，預(yù)計于2010年投入市場。

盡管直接甲醇燃料電池在便攜式設(shè)備中的應(yīng)用層出不窮，但是在大眾生活中普及仍面臨諸多挑戰(zhàn)。暫且不說如何克服其在甲醇穿透問題、水滿溢現(xiàn)象等技術(shù)難題，單從消費者而言，它的成本，安全性、標(biāo)準(zhǔn)化等問題都制約著它的發(fā)展。業(yè)界樂觀預(yù)期，燃料電池量產(chǎn)化后，2010年價格有機會降到每瓦發(fā)電成本只要3美元。整體而言，直接甲醇燃料電池技術(shù)發(fā)展的腳步，除技術(shù)提升外，也需要完善的DMFC產(chǎn)業(yè)鏈支撐。

實際應(yīng)用

自1839年燃料電池問事以來，直到20世紀(jì)50年代，有關(guān)燃料電池的研究才有了實質(zhì)性的進(jìn)展，英國劍橋大學(xué)的Bacon用高壓氫氧制成了具有實用功率水平的燃料電池。60年代，這種電池成功地應(yīng)用于阿波羅(Appollo)登月飛船。從60年代開始，氫氧燃料電池廣泛應(yīng)用于宇航領(lǐng)域，同時，兆瓦級的磷酸燃料電池也研制成功。80年代以后，各種小功率電池在宇航、軍事、交通等各個領(lǐng)域中得到應(yīng)用?，F(xiàn)階段，憑借燃料電池具有節(jié)能、轉(zhuǎn)換效率高、排放零污染、結(jié)構(gòu)簡單、運行平穩(wěn)等特點，其在固定發(fā)電系統(tǒng)、交通工具用電源及便攜式設(shè)備電源等方面占有了廣闊的應(yīng)用空間。

在發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用中，傳統(tǒng)的火力發(fā)電站的燃燒能量大約有70%要消耗在鍋爐和汽輪發(fā)電機這些龐大的設(shè)備上，燃燒時還會排放大量的有害物質(zhì)。而使用燃料電池發(fā)電，不受卡諾循環(huán)（由兩個絕熱過程和兩個等溫過程構(gòu)成的循環(huán)過程）的限制，將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，不需要進(jìn)行燃燒，沒有轉(zhuǎn)動部件，理論上能量轉(zhuǎn)換率為100%，整個發(fā)電系統(tǒng)無論大小實際發(fā)電效率可達(dá)40%～60%，可以實現(xiàn)直接進(jìn)入企業(yè)、飯店、賓館、家庭實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)用，沒有輸電輸熱損失，綜合能源效率可達(dá)80%。

作為汽車的動力裝置，燃料電池的優(yōu)點是低排放，綠色環(huán)保。盡管燃料的種類只有氫，但是來源豐富，可取自天然氣、丙烷、甲醇、汽油、柴油、煤以及再生能源。由于燃料電池沒有活塞或渦輪等機械部件及中間環(huán)節(jié)，其效率大為提高，約為內(nèi)燃機的2～3倍，在成本和整體性能上(特別是行程和補充燃料時間上)也明顯優(yōu)于其他電池的電動汽車，因此自20世紀(jì)90年代起，歐美和日本的各大汽車生產(chǎn)廠家看到燃料電池汽車巨大的市場潛力，紛紛投入巨資，進(jìn)行燃料電池車的相關(guān)研究、試驗與生產(chǎn)，到現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出數(shù)百輛燃料電池汽車樣車，預(yù)計2015年燃料電池車將商業(yè)化生產(chǎn)。

近年來便攜式電子產(chǎn)品快速發(fā)展，包括手機、筆記本電腦、個人數(shù)字助理（PDA），乃至數(shù)碼相機及攝像機等，造就龐大的市場和商機。然而，隨著產(chǎn)品功能的增強，系統(tǒng)對于電池的需求越來越高，一個小而輕、續(xù)電時間更長的電池，將是所有消費者一致的要求。以往我們使用的干電池或充電電池在輸出電能后，陰極與陽極會產(chǎn)生化學(xué)變化而逐漸消耗掉。而燃料電池只需要補充燃料，不但環(huán)保方便，還可以省去電池充電浪費的時間，非常符合現(xiàn)代人生活的需求。

國內(nèi)燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀

中國早在20世紀(jì)50年代就開展燃料電池方面的研究，一直以來都非常重視燃料電池技術(shù)的研究和開發(fā)，并取得了蓬勃發(fā)展。近年來，中國在燃料電池關(guān)鍵材料、關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新方面取得了許多突破，如陸續(xù)開發(fā)出百瓦級～30kW級氫氧燃料電極、燃料電池電動汽車等。燃料電池技術(shù)特別是質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，開發(fā)出60kW、75kW等多種規(guī)格的質(zhì)子交換膜燃料電池組?？傮w來說，中國燃料電池的研究與國外水平和實際應(yīng)用還存在一定的差距，必須加快追趕的步伐。

值得關(guān)注的是我國的氫燃料電池汽車的開發(fā)目前與世界相差不大，在上海、北京等城市已經(jīng)出現(xiàn)燃料電池汽車的試運行。前不久，中國自主研制的20輛氫燃料電池轎車走出實驗室，駛進(jìn)奧運會場，作為2008北京奧運“綠色車隊”中的重要成員。據(jù)悉，經(jīng)過一代代的改進(jìn)、優(yōu)化，這些最新一代的燃料電池轎車動力性能持續(xù)增強，最高時速近150km，一次性充氫連續(xù)行駛里程超過300km，整車的可靠性、穩(wěn)定性也不斷得到提升。

市場預(yù)測及展望

據(jù)ABI公司的保守估計，到2013年全球燃料電池市場將達(dá)380億美元。SRI咨詢公司預(yù)測，2008年燃料電池市場約50億美元，到2013年預(yù)計市場價值將達(dá)456億美元。靜止式燃料電池市場將從2008年20億美元增大到2013年100億美元，便攜式燃料電池2013年市場將達(dá)250億美元，汽車燃料電池市場將從2008年6億美元增大到2013年100億美元。由此可見，燃料電池作為繼水力、火力、核能之后新一代能源技術(shù)，其廣闊的應(yīng)用前景不容忽視。