綠色動(dòng)力新潮流――燃料電池

隨著能源緊張、油價(jià)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(diǎn)進(jìn)入人類的視野，在諸多領(lǐng)域的應(yīng)用也應(yīng)運(yùn)而生，成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。

工作原理

1839年英國(guó)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(jiǎn)單氫氧燃料電池點(diǎn)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(guò)電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置，含有陰陽(yáng)兩個(gè)電極，分別充滿電解液，而兩個(gè)電極間則為具有滲透性的薄膜所構(gòu)成（見(jiàn)圖1）。氫氣由燃料電池的陽(yáng)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(yáng)極的氫原子分解成兩個(gè)氫質(zhì)子與兩個(gè)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(dòng)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(chǔ)存與運(yùn)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(jī)、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(dòng)式直接甲醇燃料電池與被動(dòng)式直接甲醇燃料電池兩種。早期開(kāi)發(fā)多集中在主動(dòng)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(dòng)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(guó)亞特蘭大召開(kāi)的便攜式產(chǎn)品燃料電池大會(huì)（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(shí)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(jī)、數(shù)碼相機(jī)等消費(fèi)電子市場(chǎng)。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(dòng)設(shè)備供電需求。同時(shí)，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(duì)手機(jī)研制出水燃料電池，只需加水就可以工作，并稱其續(xù)航時(shí)間比普通充電電池長(zhǎng)一倍，預(yù)計(jì)于2010年投入市場(chǎng)。

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(shuō)如何克服其在甲醇穿透問(wèn)題、水滿溢現(xiàn)象等技術(shù)難題，單從消費(fèi)者而言，它的成本，安全性、標(biāo)準(zhǔn)化等問(wèn)題都制約著它的發(fā)展。業(yè)界樂(lè)觀預(yù)期，燃料電池量產(chǎn)化后，2010年價(jià)格有機(jī)會(huì)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(shí)際應(yīng)用

自1839年燃料電池問(wèn)事以來(lái)，直到20世紀(jì)50年代，有關(guān)燃料電池的研究才有了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，英國(guó)劍橋大學(xué)的Bacon用高壓氫氧制成了具有實(shí)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(kāi)始，氫氧燃料電池廣泛應(yīng)用于宇航領(lǐng)域，同時(shí)，兆瓦級(jí)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(gè)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(jiǎn)單、運(yùn)行平穩(wěn)等特點(diǎn)，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(jī)這些龐大的設(shè)備上，燃燒時(shí)還會(huì)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(gè)絕熱過(guò)程和兩個(gè)等溫過(guò)程構(gòu)成的循環(huán)過(guò)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(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，理論上能量轉(zhuǎn)換率為100%，整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)無(wú)論大小實(shí)際發(fā)電效率可達(dá)40%～60%，可以實(shí)現(xiàn)直接進(jìn)入企業(yè)、飯店、賓館、家庭實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)用，沒(méi)有輸電輸熱損失，綜合能源效率可達(dá)80%。

作為汽車的動(dòng)力裝置，燃料電池的優(yōu)點(diǎn)是低排放，綠色環(huán)保。盡管燃料的種類只有氫，但是來(lái)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(méi)有活塞或渦輪等機(jī)械部件及中間環(huán)節(jié)，其效率大為提高，約為內(nèi)燃機(jī)的2～3倍，在成本和整體性能上(特別是行程和補(bǔ)充燃料時(shí)間上)也明顯優(yōu)于其他電池的電動(dòng)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(chǎng)潛力，紛紛投入巨資，進(jìn)行燃料電池車的相關(guān)研究、試驗(yàn)與生產(chǎn)，到現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)發(fā)出數(shù)百輛燃料電池汽車樣車，預(yù)計(jì)2015年燃料電池車將商業(yè)化生產(chǎn)。

近年來(lái)便攜式電子產(chǎn)品快速發(fā)展，包括手機(jī)、筆記本電腦、個(gè)人數(shù)字助理（PDA），乃至數(shù)碼相機(jī)及攝像機(jī)等，造就龐大的市場(chǎng)和商機(jī)。然而，隨著產(chǎn)品功能的增強(qiáng)，系統(tǒng)對(duì)于電池的需求越來(lái)越高，一個(gè)小而輕、續(xù)電時(shí)間更長(zhǎng)的電池，將是所有消費(fèi)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(yáng)極會(huì)產(chǎn)生化學(xué)變化而逐漸消耗掉。而燃料電池只需要補(bǔ)充燃料，不但環(huán)保方便，還可以省去電池充電浪費(fèi)的時(shí)間，非常符合現(xiàn)代人生活的需求。

國(guó)內(nèi)燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀

中國(guó)早在20世紀(jì)50年代就開(kāi)展燃料電池方面的研究，一直以來(lái)都非常重視燃料電池技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)，并取得了蓬勃發(fā)展。近年來(lái)，中國(guó)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(kāi)發(fā)出百瓦級(jí)～30kW級(jí)氫氧燃料電極、燃料電池電動(dòng)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(kāi)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(lái)說(shuō)，中國(guó)燃料電池的研究與國(guó)外水平和實(shí)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(guó)的氫燃料電池汽車的開(kāi)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(yùn)行。前不久，中國(guó)自主研制的20輛氫燃料電池轎車走出實(shí)驗(yàn)室，駛進(jìn)奧運(yùn)會(huì)場(chǎng)，作為2008北京奧運(yùn)“綠色車隊(duì)”中的重要成員。據(jù)悉，經(jīng)過(guò)一代代的改進(jìn)、優(yōu)化，這些最新一代的燃料電池轎車動(dòng)力性能持續(xù)增強(qiáng)，最高時(shí)速近150km，一次性充氫連續(xù)行駛里程超過(guò)300km，整車的可靠性、穩(wěn)定性也不斷得到提升。

市場(chǎng)預(yù)測(cè)及展望

據(jù)ABI公司的保守估計(jì)，到2013年全球燃料電池市場(chǎng)將達(dá)380億美元。SRI咨詢公司預(yù)測(cè)，2008年燃料電池市場(chǎng)約50億美元，到2013年預(yù)計(jì)市場(chǎng)價(jià)值將達(dá)456億美元。靜止式燃料電池市場(chǎng)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(chǎng)將達(dá)250億美元，汽車燃料電池市場(chǎng)將從2008年6億美元增大到2013年100億美元。由此可見(jiàn)，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。