綠色動(dòng)力新潮流——燃料電池

　　DMFC——便攜式設備的綠色動(dòng)力

　　燃料電池種類(lèi)繁多，直接甲醇燃料電池（DMFC）在便攜式設備中的發(fā)展潛力巨大。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系統由四部分組成：由數片燃料電池堆疊成的燃料電池本體，包含電力轉換、能源管理控制、濕度控制、負載控制等元件的電能控制系統，燃料供應與水、熱管理元件等周邊設備，主要構成元件是負責甲醇燃料輸送的壓力泵、風(fēng)扇、送風(fēng)機、監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系統。為適應便攜式設備的應用，直接甲醇燃料電池還可細分為主動(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)系統較為復雜，體積重量不易縮減，被動(dòng)式DMFC也漸被重視。

　　現階段，用于便攜式設備的燃料電池的不斷出新：2008年4月在美國亞特蘭大召開(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大的進(jìn)步，其DMFC實(shí)現超高密度的容量，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、數碼相機等消費電子市場(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50mm×30mm，集成了燃料電池和傳統電池以及控制電路，該電池系統同樣以甲醇為燃料，可以滿(mǎn)足大流量的移動(dòng)設備供電需求。同時(shí)，各大公司不斷進(jìn)行新技術(shù)新材料的研發(fā)，三星公司針對手機研制出水燃料電池，只需加水就可以工作，并稱(chēng)其續航時(shí)間比普通充電電池長(cháng)一倍，預計于2010年投入市場(chǎng)。

　　盡管直接甲醇燃料電池在便攜式設備中的應用層出不窮，但是在大眾生活中普及仍面臨諸多挑戰。暫且不說(shuō)如何克服其在甲醇穿透問(wèn)題、水滿(mǎn)溢現象等技術(shù)難題，單從消費者而言，它的成本，安全性、標準化等問(wèn)題都制約著(zhù)它的發(fā)展。業(yè)界樂(lè )觀(guān)預期，燃料電池量產(chǎn)化后，2010年價(jià)格有機會(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)際應用

　　自1839年燃料電池問(wèn)事以來(lái)，直到20世紀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用于宇航領(lǐng)域，同時(shí)，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(gè)領(lǐng)域中得到應用?，F階段，憑借燃料電池具有節能、轉換效率高、排放零污染、結構簡(jiǎn)單、運行平穩等特點(diǎn)，其在固定發(fā)電系統、交通工具用電源及便攜式設備電源等方面占有了廣闊的應用空間。

　　在發(fā)電系統應用中，傳統的火力發(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)程構成的循環(huán)過(guò)程）的限制，將燃料的化學(xué)能直接轉換為電能，不需要進(jìn)行燃燒，沒(méi)有轉動(dòng)部件，理論上能量轉換率為100%，整個(gè)發(fā)電系統無(wú)論大小實(shí)際發(fā)電效率可達40%～60%，可以實(shí)現直接進(jìn)入企業(yè)、飯店、賓館、家庭實(shí)現熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)用，沒(méi)有輸電輸熱損失，綜合能源效率可達80%。

　　作為汽車(chē)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(lèi)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)有活塞或渦輪等機械部件及中間環(huán)節，其效率大為提高，約為內燃機的2～3倍，在成本和整體性能上(特別是行程和補充燃料時(shí)間上)也明顯優(yōu)于其他電池的電動(dòng)汽車(chē)，因此自20世紀90年代起，歐美和日本的各大汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)家看到燃料電池汽車(chē)巨大的市場(chǎng)潛力，紛紛投入巨資，進(jìn)行燃料電池車(chē)的相關(guān)研究、試驗與生產(chǎn)，到現在已經(jīng)開(kāi)發(fā)出數百輛燃料電池汽車(chē)樣車(chē)，預計2015年燃料電池車(chē)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、筆記本電腦、個(gè)人數字助理（PDA），乃至數碼相機及攝像機等，造就龐大的市場(chǎng)和商機。然而，隨著(zhù)產(chǎn)品功能的增強，系統對于電池的需求越來(lái)越高，一個(gè)小而輕、續電時(shí)間更長(cháng)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(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充燃料，不但環(huán)保方便，還可以省去電池充電浪費的時(shí)間，非常符合現代人生活的需求。

　　國內燃料電池發(fā)展現狀

　　中國早在20世紀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，如陸續開(kāi)發(fā)出百瓦級～30kW級氫氧燃料電極、燃料電池電動(dòng)汽車(chē)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等多種規格的質(zhì)子交換膜燃料電池組?？傮w來(lái)說(shuō)，中國燃料電池的研究與國外水平和實(shí)際應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(chē)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)出現燃料電池汽車(chē)的試運行。前不久，中國自主研制的20輛氫燃料電池轎車(chē)走出實(shí)驗室，駛進(jìn)奧運會(huì )場(chǎng)，作為2008北京奧運“綠色車(chē)隊”中的重要成員。據悉，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(chē)動(dòng)力性能持續增強，最高時(shí)速近150km，一次性充氫連續行駛里程超過(guò)300km，整車(chē)的可靠性、穩定性也不斷得到提升。

　　市場(chǎng)預測及展望

　　據ABI公司的保守估計，到2013年全球燃料電池市場(chǎng)將達380億美元。SRI咨詢(xún)公司預測，2008年燃料電池市場(chǎng)約50億美元，到2013年預計市場(chǎng)價(jià)值將達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250億美元，汽車(chē)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)，其廣闊的應用前景不容忽視。