燃料電池作為氫能直接轉(zhuǎn)化為電能的潔凈發(fā)電裝置，必將成為這種替代能源裝置的最佳選擇。它既是繼蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)之后的第三代動(dòng)力裝置，又是繼水力、火力、核能之后的第四代發(fā)電設(shè)備。燃料電池不僅可以為現(xiàn)代交通工具提供理想的動(dòng)力源，消除對(duì)環(huán)境的污染，也可以對(duì)分散的小型發(fā)電裝置，為數(shù)以億計(jì)的用電設(shè)備和千百萬(wàn)家庭提供電能。因此，燃料電池技術(shù)是21世紀(jì)對(duì)人類生活具有最重大影響的十大技術(shù)之一。
燃料電池具有組件性好、環(huán)保性能好、效率高、部分負(fù)荷時(shí)性能優(yōu)異、功率范圍廣、響應(yīng)速度快、燃料多樣化、維修性好、使用方便等性能特點(diǎn)，非常適合作為移動(dòng)式和分散式電源使用。它在使用氫能產(chǎn)生電能的過(guò)程中不產(chǎn)生任何污染物，而且氫是取之不盡的能源。隨著世界礦物資源的逐漸枯竭和國(guó)際社會(huì)對(duì)自身環(huán)境的不斷關(guān)注，人類迫切需要一種既環(huán)保又高效的可再生能源發(fā)電裝置，來(lái)取代現(xiàn)有的礦物燃料發(fā)電設(shè)備和石化燃料動(dòng)力設(shè)備。
燃料電池具有組件性好、環(huán)保性能好、效率高、部分負(fù)荷時(shí)性能優(yōu)異、功率范圍廣、響應(yīng)速度快、燃料多樣化、維修性好、使用方便等性能特點(diǎn)，非常適合作為移動(dòng)式和分散式電源使用。它在使用氫能產(chǎn)生電能的過(guò)程中不產(chǎn)生任何污染物，而且氫是取之不盡的能源。隨著世界礦物資源的逐漸枯竭和國(guó)際社會(huì)對(duì)自身環(huán)境的不斷關(guān)注，人類迫切需要一種既環(huán)保又高效的可再生能源發(fā)電裝置，來(lái)取代現(xiàn)有的礦物燃料發(fā)電設(shè)備和石化燃料動(dòng)力設(shè)備。燃料電池作為氫能直接轉(zhuǎn)化為電能的潔凈發(fā)電裝置，必將成為這種替代能源裝置的最佳選擇。它既是繼蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)之后的第三代動(dòng)力裝置，又是繼水力、火力、核能之后的第四代發(fā)電設(shè)備。燃料電池不僅可以為現(xiàn)代交通工具提供理想的動(dòng)力源，消除對(duì)環(huán)境的污染，也可以對(duì)分散的小型發(fā)電裝置，為數(shù)以億計(jì)的用電設(shè)備和千百萬(wàn)家庭提供電能。因此，燃料電池技術(shù)是21世紀(jì)對(duì)人類生活具有最重大影響的十大技術(shù)之一。
燃料電池的基本工作原理很簡(jiǎn)單，與普通電池相似。它是一種不經(jīng)過(guò)燃燒而通過(guò)化學(xué)反應(yīng)把富氫燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變成電能的發(fā)電裝置。燃料電池的化學(xué)反應(yīng)是放熱反應(yīng)，所以在產(chǎn)生電能的同時(shí)還產(chǎn)生了熱能。普通電池的反應(yīng)物質(zhì)一般是難以補(bǔ)充的，反應(yīng)物質(zhì)消耗完了，電池也就壽終正寢了；燃料電池在電化學(xué)反應(yīng)中所消耗掉的物質(zhì)是不斷補(bǔ)充的，從而可源源不斷地產(chǎn)生電能，而無(wú)須進(jìn)行充電。燃料電池所使用的氫可取自天然氣、丙烷、甲醇、汽油、柴油、煤以及可再生能源。氧化劑一般用空氣或純氧氣。因此一個(gè)燃料電池系統(tǒng)就相當(dāng)于一個(gè)自動(dòng)運(yùn)行的小型發(fā)電廠，它高效且無(wú)污染地將貯存在燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能和熱能。
第一代燃料電池是堿性電池，但由于其應(yīng)用條件很苛刻，必須使用純氫和純氧作為還原劑和氧化劑，而且只要存在微量的二氧化碳就會(huì)使這種燃料電池的電解質(zhì)變質(zhì)。在這種燃料電池的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了第二代燃料電池——磷酸燃料電池。磷酸燃料電池是目前技術(shù)最成熟、商業(yè)化應(yīng)用最廣泛的燃料電池。磷酸燃料電池的缺點(diǎn)是，需要使用貴重的鉑系金屬做催化劑，還需要使用外部的燃料處理器來(lái)對(duì)燃料進(jìn)行重整，以提高燃料的含氫量，這將會(huì)降低電池的效率，增加設(shè)備的成本和占地面積。20世紀(jì)70年代末開始開發(fā)第三代燃料電池—— 熔融碳酸鹽燃料電池。熔融碳酸鹽燃料電池的工作溫度較高，一般在600～700℃。在這樣的溫度下，燃料的重整可在電池內(nèi)部進(jìn)行，從而提高了效率，降低了成本。這種燃料電池可用在大大型發(fā)電廠。固體氧化物燃料電池是第四代燃料電池。它具有效率高、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，目前正處于千瓦級(jí)的試驗(yàn)階段。20世紀(jì)80年代后期，汽車領(lǐng)域燃料電池的開發(fā)工作全面展開，90年代中期，各國(guó)汽車制造廠商開始逐步加快了燃料電池的商業(yè)化進(jìn)程。質(zhì)子交換膜燃料電池汽車是第五代燃料電池，也是近幾年備受關(guān)注的新型燃料電池。這種電池的電解質(zhì)采用高分子聚合物膜，構(gòu)造簡(jiǎn)單，工作溫度低，因而電池啟動(dòng)很快。這些得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn)，使其在為汽車等交通工具提供無(wú)污染動(dòng)力源方面獨(dú)占鰲頭。
一、電力供應(yīng)用燃料電池的發(fā)展動(dòng)向
燃料帶年齒由于具有能量轉(zhuǎn)換效率高、污染小、用水少、占地小等突出優(yōu)點(diǎn)，多年來(lái)一直成為替代傳統(tǒng)發(fā)電廠設(shè)備的最佳選擇。日本的富士電機(jī)、東芝、三菱電機(jī)等公司在政府支持下，自20世紀(jì)60年代開始，繼美國(guó)之后大力研發(fā)燃料電池技術(shù)，運(yùn)行中的磷酸燃料電池技術(shù)，運(yùn)行中的磷酸燃料電池發(fā)電廠已超過(guò)100座，發(fā)電能力在30兆瓦以上。1996年美國(guó)利用熔融碳酸燃料電池技術(shù)，僅用了2個(gè)月的時(shí)間就建成了Santa Clara發(fā)電廠，并投入運(yùn)行。該廠發(fā)電量達(dá)2兆瓦級(jí)，使用天然氣和液化氣作為燃料，發(fā)電效率達(dá)53.7%，單位造價(jià)為1700美元/千瓦，目前，美國(guó)、歐洲諸國(guó)和日本等國(guó)投入運(yùn)行的磷酸燃料電池發(fā)電廠數(shù)以百計(jì)，其中容量最大的是東京電力公司的五井發(fā)電廠，容量達(dá)11兆瓦。
近幾年利用燃料電池提供優(yōu)質(zhì)電力和熱電聯(lián)產(chǎn)的推廣工作已取得很大進(jìn)展。被推廣使用典型燃料電池是系統(tǒng)可發(fā)電200千瓦、生產(chǎn)260千瓦的熱能，溫度為60℃，該典型設(shè)備的外形尺寸為3*5.5*3米。全世界目前已安裝類似此種規(guī)格的設(shè)備200多臺(tái)，這些設(shè)備尚處于初期發(fā)展階段，有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)也正在制訂之中。美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)、美國(guó)電氣和電子工程學(xué)會(huì)以及美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)等機(jī)構(gòu)已在制訂生產(chǎn)、標(biāo)定、安裝燃料電池系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。
各國(guó)工業(yè)界人士普遍對(duì)于燃料電池在發(fā)電廠的應(yīng)用前景看好。美國(guó)預(yù)計(jì)，到2017年美國(guó)30%的電能將由燃料電池提供。2001年全球燃料電池的發(fā)電能力為75兆瓦，未來(lái)10年中，全球燃料電池的發(fā)電能力將會(huì)上升到1.5萬(wàn)兆瓦。預(yù)計(jì)在今后若干年中，美國(guó)、德國(guó)和日本在燃料電池發(fā)電能力上將處于世界領(lǐng)先地位。
電力工業(yè)屬技術(shù)和資金密集型行業(yè)，電能生產(chǎn)、輸送、使用是在同一時(shí)間內(nèi)完成的。傳統(tǒng)的供電模式是，使用輸變電網(wǎng)絡(luò)把大型火電場(chǎng)、水電站、核電站與用戶連接起來(lái)，把發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能通過(guò)電網(wǎng)輸送給用戶的各種用電設(shè)備。這種以大機(jī)組、大電網(wǎng)、高電壓為基礎(chǔ)的保中供電電力系統(tǒng)，運(yùn)行技術(shù)復(fù)雜，管理難度大，電網(wǎng)上任何一點(diǎn)的故障所產(chǎn)生的擾動(dòng)都會(huì)在瞬間波及整個(gè)電網(wǎng)。尤其是在遭遇洪水、地震等自然災(zāi)害及戰(zhàn)爭(zhēng)浩劫時(shí)難以保證電力的持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)，甚至?xí)斐呻娋W(wǎng)的全面崩潰和大面積停電，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成災(zāi)難性后果?？扑魑謶?zhàn)爭(zhēng)中，美國(guó)用石墨炸彈破壞了南聯(lián)盟的電力系統(tǒng)，從而破壞了南聯(lián)盟的國(guó)民經(jīng)濟(jì)，給予南聯(lián)盟致命一擊。這就是電網(wǎng)集中供電存在致命弱點(diǎn)的最好例證。如何保證大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，如何保證電力的連續(xù)生產(chǎn)和穩(wěn)定供應(yīng)已成為新世紀(jì)電力工業(yè)面臨的重大課題。很明顯，使用燃料電池，建設(shè)分散的燃料電池發(fā)電設(shè)施，形成分散電源供電系統(tǒng)，在自然災(zāi)害和戰(zhàn)爭(zhēng)破壞下具有任何其他系統(tǒng)無(wú)法比擬的可靠性。燃料電池由于具有無(wú)與倫比的諸多優(yōu)越性，必將成為21世紀(jì)電力行業(yè)的主力軍。
二、車用燃料電池的發(fā)展動(dòng)向
1、廣闊的發(fā)展前景
車用燃料電池所具有效率高、啟動(dòng)快、環(huán)保性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)使其當(dāng)仁不讓地成為21世紀(jì)汽車動(dòng)力源的最佳選擇，是取代汽車內(nèi)燃機(jī)十分理想的解決方案。不久的將來(lái)，汽油機(jī)和柴油機(jī)只能退避三舍了。從燃料電池的發(fā)展勢(shì)頭看，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)將會(huì)21世紀(jì)中葉終止。燃料電池汽車在最大優(yōu)點(diǎn)是清潔、無(wú)污染，所推出的惟一廢氣物是水。在全球環(huán)境保護(hù)問(wèn)題困擾人類的今天，燃料電池作為環(huán)保型汽車越來(lái)越受到人們的重視。世界各大汽車制造廠商都認(rèn)為，近期內(nèi)真正有可能取代傳統(tǒng)汽車的清潔交通工具，只能是燃料電池汽車，“燃料電池就是汽車工業(yè)的未來(lái)”。近幾年燃料電池汽車的發(fā)展勢(shì)頭大大超過(guò)了蓄電池電動(dòng)汽車。隨著大規(guī)模應(yīng)用前景的顯現(xiàn)，美國(guó)、歐洲和日本的汽車制造廠商都在加緊開發(fā)車用燃料電池技術(shù)，預(yù)計(jì)三四年后，燃料電池汽車將會(huì)進(jìn)入批量生產(chǎn)階段，并投放市場(chǎng)。
加拿大巴拉德公司計(jì)劃到2005年前后逐漸將燃料電池的年產(chǎn)量提高到30萬(wàn)臺(tái)。該公司2002年將增加公共汽車用燃料電池的生產(chǎn)，2003年將開始小批量生產(chǎn)轎車用燃料電池。日本于20世紀(jì)80年代初開始發(fā)展燃料電池，1996年豐田汽車公司研制成功了以氫為燃料的車用燃料電池，計(jì)劃在2002年使這種燃料電池汽車實(shí)用化。美國(guó)通用汽車公司已經(jīng)制定了在未來(lái)10年內(nèi)大量發(fā)展燃料電池汽車的計(jì)劃，該公司生產(chǎn)的汽車將逐步轉(zhuǎn)向燃料電池汽車，最終全部淘汰內(nèi)燃機(jī)汽車。其他主要汽車制造廠商也有類似計(jì)劃。這將是世界汽車工業(yè)的又一次重大技術(shù)變革。
在燃料電池汽車技術(shù)的開發(fā)競(jìng)爭(zhēng)中，各國(guó)政府紛紛制定相應(yīng)的政策。美國(guó)能源部制定了氫能計(jì)劃，提出要在2010年讓燃料電池汽車的市場(chǎng)占有率達(dá)25%。日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省提出的發(fā)展目標(biāo)是，在2010年前要把汽車用燃料電池的價(jià)格降到普通汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的水平，并且要首先從政府機(jī)關(guān)開始普及燃料電池汽車。冰島政府計(jì)劃最遲于2003年在首都地區(qū)使用燃料電池公共汽車，并在2030～2040年間在所有交通工具上推廣使用燃料電池。
2、大量資金注入車用燃料電池研發(fā)工作
過(guò)去10年中西方汽車制造廠商大型在研究開發(fā)燃料電池技術(shù)上的投入高達(dá)100億美元，其中80%用于開發(fā)車用燃料電池。未來(lái)5年西方國(guó)家在車用燃料電池領(lǐng)域的研發(fā)投入至少還將會(huì)增加40億美元。自20世紀(jì)90年代起，一些發(fā)達(dá)國(guó)家的汽車制造廠商和石油、電力公司憑借強(qiáng)大的研發(fā)能力和雄厚的資金實(shí)力，在政府的大力支持下，迅速推進(jìn)了燃料電池的研發(fā)工作，質(zhì)子交換膜燃料電池的研發(fā)工作更是取得了突破性的進(jìn)展。戴姆斯—奔馳、大眾、通用、福特、豐田、日產(chǎn)等世界主要汽車制造廠商紛紛致力于這種燃料電池的研發(fā)工作。1997年，奔馳中投資2億加元與加拿大巴拉德公司合資開發(fā)燃料電池。1998年，福特汽車公司斥資4.2億美元加入了巴拉德—奔馳聯(lián)盟，組建了質(zhì)子交換膜燃料電池公司。美國(guó)等國(guó)的風(fēng)險(xiǎn)投資基金也將大量資金投入車用燃料電池的研發(fā)。面對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池和電動(dòng)汽車的研制熱潮，世界大型電力公司和石油公司也不甘落后，相繼加入燃料電池研發(fā)行列。1999年，世界著名的石油公司——?dú)づ乒驹O(shè)立了“殼牌氫氣公司”，專門研制車用氫氣發(fā)生器及儲(chǔ)氫容器。
3、困擾車用燃料電池推廣的成本問(wèn)題
目前，阻礙燃料電池商業(yè)化的主要問(wèn)題是燃料電池的高成本問(wèn)題。雖然燃料電池發(fā)電成本已大幅度地下降，但每千瓦電的發(fā)電成本仍然非常高，難與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)相抗衡。目前，聚合薄膜的價(jià)格也很昂貴。造成成本居高不下的主要原因是，燃料電池還沒有實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。隨著燃料電池在汽車工業(yè)的大規(guī)模推廣，價(jià)格必然也會(huì)進(jìn)一步大幅度下降。加拿大巴拉德公司擬將該公司研制的“馬克900”型燃料電池的價(jià)格降低41%。巴拉德公司動(dòng)用了一大筆資金來(lái)開發(fā)批量生產(chǎn)技術(shù)，這項(xiàng)舉措得到了戴姆斯勒和福特的大力資助。巴拉德公司生產(chǎn)的質(zhì)子交換膜燃料電池，目前每千瓦的制造成本超過(guò)2000美元。該公司需要將成本降到每千瓦50多美元的水平，才能贏得汽車制造廠商的垂青。汽車是燃料電池最大的潛在用戶，如果把80千瓦功率的車用燃料電池的價(jià)格降到能與價(jià)格為3500美元的汽油機(jī)相抗衡，燃料電池汽車就能占領(lǐng)汽車市場(chǎng)。盡管生產(chǎn)燃料電池需要付出艱苦的努力，然而其潛在的市場(chǎng)之大（全世界的汽車總產(chǎn)量大約為5700萬(wàn)輛/年），足以讓汽車制造廠商垂涎三尺。以每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)價(jià)值3500美元計(jì)算，每年將有近2000億美元的車用燃料電池的潛在市場(chǎng)銷售額，這一數(shù)值將超過(guò)所有其他用途燃料用途燃料電池市場(chǎng)銷售額的總和。
4、車用燃料電池的燃料多樣化
燃料電池是以氫氣和氧氣為原料，利用它們?cè)诟邷叵掳l(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的原理制成的裝置。燃料電池所需的氧氣可以從空氣中獲得，較大的技術(shù)難點(diǎn)在于怎樣獲得所需的燃料——?dú)錃?。燃料電池汽車將以多快的速度在全世界普及，取決于所使用的氫燃料的類型。理想的解決方案是使用純凈的氫氣，但是這將需要很大的存儲(chǔ)空間，并且要以很大的成本在世界各地建立一套新的燃料供應(yīng)系統(tǒng)。另一種解決方案是，使用普通汽油或者甲烷等燃料，通過(guò)燃料處理器使它們產(chǎn)生氫氣。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是，可以利用原有的汽油供應(yīng)系統(tǒng)而無(wú)須興建新的燃料供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施。
為此，作為燃料電池汽車技術(shù)開發(fā)競(jìng)爭(zhēng)兩大集團(tuán)之一的豐田和通用集團(tuán)所采用的方式是，從一種名為清潔碳?xì)浠衔锶剂系男滦推椭兄迫?。采用這種制氫方式的燃料電池，其優(yōu)點(diǎn)是硫磺含量少，既清潔，又可延長(zhǎng)燃料電池自身的壽命，并且便于維修。由于使用汽油，現(xiàn)有的汽油加油站仍可得到充分使用，并可節(jié)省巨額基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資，安全性也有保證。該技術(shù)還能夠被現(xiàn)有的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)所用。美國(guó)埃克森—莫比爾石油公司已與通用和豐田公司應(yīng)開發(fā)采用這種制氫方式的燃料電池達(dá)成協(xié)議，并計(jì)劃在2003年將其推向市場(chǎng)。作為另一大燃料電池汽車技術(shù)開發(fā)競(jìng)爭(zhēng)集團(tuán)的戴姆斯—克萊斯勒、福特及三菱汽車公司則以天然氣為原料制取氫氣。這是因?yàn)闅W洲有著發(fā)達(dá)的天然氣供應(yīng)網(wǎng)，可以大大降低基礎(chǔ)設(shè)施的投資成本。日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省認(rèn)為，豐田和通用公司采用的從新型汽油中制取氫氣的方法具有現(xiàn)實(shí)性，并建議由日本、美國(guó)、歐洲等國(guó)家聯(lián)合制定有關(guān)燃料電池汽車的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
歐洲已有五家汽車廠商對(duì)研發(fā)燃料電池汽車進(jìn)行投資。奔馳公司已試驗(yàn)了多種燃料，它希望趕在美、日的前面將燃料電池汽車投放市場(chǎng)，目前已有公交型和小型商用燃料電池汽車進(jìn)入半商業(yè)性試驗(yàn)。法國(guó)的雷諾公司已研制成功長(zhǎng)距離燃料電池汽車。這種汽車靠低溫下的液態(tài)氫來(lái)產(chǎn)生電力，可持續(xù)行駛500千米。
德國(guó)、美國(guó)等國(guó)已開始著手解決汽車的氫燃料供應(yīng)問(wèn)題。1999年5月，德國(guó)人在慕尼黑國(guó)際機(jī)場(chǎng)建成了世界上第一個(gè)加氫站，使用液氫燃料的改裝寶馬車來(lái)到這座加氫站，只需大約3分鐘就可將儲(chǔ)氫罐加滿，每加一次液氫可行駛300千米。寶馬公司對(duì)氫能汽車非常有信心，計(jì)劃到2005年在歐洲各國(guó)的首都都建立一個(gè)加氫站，到2010年在歐洲形成一個(gè)加氫站網(wǎng)絡(luò)。寶馬公司的目標(biāo)是，2020年在歐洲出售的寶馬汽車中，有三分之一使用燃料電池作為動(dòng)力源。美國(guó)也不甘落后，1999年8月福特汽車公司在美國(guó)底特律也開設(shè)了一個(gè)加氫站。
5、不同類型的燃料電池汽車
加拿大的巴拉德公司成功研制出了包括250千瓦在內(nèi)的系列質(zhì)子交換膜燃料電池，并將質(zhì)子交換膜燃料電池裝配到有關(guān)汽車公司的氫能汽車上，從而使質(zhì)子交換膜燃料電池在氫能開發(fā)利用中一展身手，引起了國(guó)際社會(huì)的極大關(guān)注。該公司1994年研制出的可載75人的質(zhì)子交換膜交換膜燃料電池型電動(dòng)客車，一次添加燃料可連續(xù)行駛400多千米。巴拉德公司在車用燃料電池方面擁有專長(zhǎng)，不久前該公司簽定了一項(xiàng)合同，為10座歐洲城市中的30輛公交汽車提供燃料電池。至今，燃料電池公交車在發(fā)達(dá)國(guó)家的一些城市已試運(yùn)行好幾年，總行駛里程達(dá)幾十萬(wàn)千米。
在2001年月舉辦低特律汽車展上，通用、福特、戴姆勒—克萊斯、本田、豐田等汽車制造廠商均推出了以燃料電池為動(dòng)力源的大功率電動(dòng)汽車。這種汽車將在2003年或2004年投放市場(chǎng)。通用汽車公司在此次汽車展中推出的5輛燃料電池概念車，更換一次燃料可行駛800千米，最高時(shí)速達(dá)190千米。在2000年悉尼奧運(yùn)會(huì)的賽場(chǎng)上，通用汽車公司的“氫動(dòng)一號(hào)”燃料電池汽車曾作為馬拉松比賽的開道車進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)展示。
現(xiàn)在，巴拉德公司與奔馳、福特等公司已著手在加拿大的溫哥華、多倫多等地興建年產(chǎn)20萬(wàn)臺(tái)質(zhì)子交換膜燃料電池的企業(yè)。這標(biāo)志著這種燃料電池的利用已走出實(shí)驗(yàn)室，開始進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化的階段。據(jù)預(yù)測(cè)，到2003年，使用燃料電池的公共汽車將投入商業(yè)運(yùn)行，到2005年，使用燃料電池的轎車也將進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行階段。
三、家用燃料電池的發(fā)展方向
近年來(lái)燃料電池技術(shù)出現(xiàn)了新的突破，各大公司對(duì)家用燃料電池的開發(fā)產(chǎn)生了極大興趣。目前正在開發(fā)用于為居民供電的低成本質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)和只需要簡(jiǎn)單燃料處理的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)。但是，家用燃料電池目前仍然不適合大批量上市，主要原因是家用燃料電池發(fā)電裝置的價(jià)格依然過(guò)高。目前，一臺(tái)家用燃料電池發(fā)電裝置的價(jià)格大約為1萬(wàn)美元，預(yù)計(jì)到2005年左右家用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的價(jià)格可降到5000美元以下 。許多公司正在投入資金，對(duì)家用燃料電池進(jìn)行進(jìn)一步研究，力圖在成本和性能上有更大突破。家用燃料電池一般都是質(zhì)子交換膜燃料電池。這種燃料電池是一種快速啟動(dòng)電池，在相當(dāng)?shù)偷臏囟葧r(shí)就可以發(fā)電，而且不會(huì)產(chǎn)生有毒和腐蝕性的物質(zhì)，使用安全可靠。
最近，美國(guó)紐約的Plug Power公司成功地演示了一種利用天然氣的燃料電池系統(tǒng)，向燃料電池家用化的目標(biāo)邁出了重要一步。這種燃料電池系統(tǒng)是質(zhì)子交換膜燃料系統(tǒng)。它包括燃料電池倉(cāng)、電力穩(wěn)定器以及燃料處理器。利用天然氣是燃料電池技術(shù)的突破，這為美國(guó)的7000多萬(wàn)個(gè)家庭展示了用天然氣供電的美好前景。這些家庭目前已經(jīng)在使用天然氣做飯和取暖。天然氣的成本相對(duì)較低，用其作燃料，利用高效燃料電池發(fā)電，可使用戶的電費(fèi)開支減少20%。美國(guó)的Avist Labs公司也在開發(fā)家用燃料電池發(fā)電裝置。它所開發(fā)的燃料電池發(fā)電裝置，功率為4千瓦，完全可以滿足一個(gè)家庭對(duì)電能的全部需求。
在日本，供家庭使用的燃料電池已經(jīng)投放市場(chǎng)。三洋電機(jī)公司也研制成功了家用小型燃料電池，其輸出功率為1000瓦，投放市場(chǎng)后頗受用戶歡迎。這種燃料電池也是質(zhì)子交換膜燃料電池，采用氟樹脂類高分子膜。與磷酸燃料電池相比，這種燃料電池在電解質(zhì)處于低溫時(shí)也能有效使用，而且啟動(dòng)時(shí)間短，適合家庭使用，也可作為商店的應(yīng)急備用電源，作為戶外作業(yè)的移動(dòng)電源使用使用也很方便。隨著家庭燃料電池的商業(yè)化推廣，其成本價(jià)格還會(huì)迅速降低，燃料電池民用市場(chǎng)的前景也將十分廣闊。
四、微型燃料電池的發(fā)展動(dòng)向
微型燃料電池主要用于需要小功率和長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的地方。摩托羅拉公司等移動(dòng)通信公司是推動(dòng)這一研究項(xiàng)目的急先鋒。摩托羅拉等公司擬把甲醇燃料電池技術(shù)推向市場(chǎng)。近年來(lái)手機(jī)普及加快，全世界使用手機(jī)數(shù)以億計(jì)。每部手機(jī)都需要靠電池供電，如果能用燃料電池取代普通帶年齒，就會(huì)形成一個(gè)驚人的微型燃料電池市場(chǎng)，燃料電池制造廠商對(duì)這一巨大市場(chǎng)早已虎視耽耽。
美國(guó)曼哈頓科學(xué)公司正在致力于開發(fā)可在所有便攜式電器上使用的微型燃料電池。這種微型燃料電池既可以為設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間供電，又可以減少對(duì)環(huán)境的危害。它的電能容量令普通電池望塵莫及，它可使一部手機(jī)的待機(jī)時(shí)間達(dá)6個(gè)月之久。相比之下，采用鋰電池的手機(jī)，待機(jī)時(shí)間保持兩個(gè)星期已屬不易。此外，這種燃料電池可保證維持長(zhǎng)達(dá)一周之久的持續(xù)通話時(shí)間，而一般那鋰電池至多可保證持續(xù)通話5個(gè)小時(shí)。兩者電能容量上的差距非同一般。
目前因特網(wǎng)正向移動(dòng)式終端方向發(fā)展，網(wǎng)民不僅可以用辦公室和家中的電腦上網(wǎng)，而且可以在移動(dòng)狀態(tài)下通過(guò)手機(jī)、掌上電腦、手提電腦進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)世界。今后的發(fā)展趨勢(shì)是利用手提電腦或手機(jī)等設(shè)備在因特網(wǎng)上漫游，通過(guò)移動(dòng)通信中的新的傳輸技術(shù)，人們可以晝夜同因特網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。上述便攜設(shè)備的使用無(wú)疑都離不開微型便攜式電源。這些便攜式電器對(duì)電源的要求很苛刻，不僅要求重量輕、體積小，而且要求容量大、供電質(zhì)量高，以確保設(shè)備持續(xù)、穩(wěn)定工作。普通電池雖然在性能方面不斷改進(jìn)，但就目前發(fā)展?fàn)顩r而言，仍然難以擔(dān)當(dāng)此任。經(jīng)過(guò)研究人員多年的研究，適用于這些設(shè)備的微型燃料電池應(yīng)運(yùn)而生。這種微型燃料電池能夠提供高容量的電能，而且可以隨時(shí)補(bǔ)充。當(dāng)儲(chǔ)存在金屬管中的氫消耗殆盡時(shí)，可以馬上更換新金屬管，為燃料電池補(bǔ)充燃料。德國(guó)弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)太陽(yáng)能研究所在質(zhì)子交換膜燃料電池的基礎(chǔ)上推出的微型燃料電池電源，其功率為20瓦，為手提電腦供電的持續(xù)時(shí)間相當(dāng)鉀電池的2～3倍。
五、生物燃料電池的發(fā)展方向
最近，燃料電池技術(shù)又有了新的突破，英國(guó)科學(xué)家研制成功了生物燃料電池。一般燃料電池都用貴金屬作為催化劑。這類催化劑都是稀有金屬，因而價(jià)格昂貴。這一狀況嚴(yán)重妨礙了大功率燃料電池和大型燃料電池的推廣，對(duì)大型燃料電池發(fā)電廠的發(fā)展有著很大的負(fù)面影響。不久以前，英國(guó)肯特大學(xué)和牛津大學(xué)的科學(xué)家們合作，從細(xì)菌細(xì)胞中提煉出一種叫做甲醇脫氫酶的生物催化劑。這種酶能夠加速氫氣的釋放，從而加快電子數(shù)目大大增加。在酶催化劑的作用下，剛剛問(wèn)世的生物燃料電池顯示出功率大、體積小、效率高、成本低等突出優(yōu)點(diǎn)。其能量轉(zhuǎn)化效率高達(dá)60%～70%。生物燃料電池發(fā)展前途廣闊，其實(shí)用化和商業(yè)化問(wèn)題正處于進(jìn)一步研究之中。
21世紀(jì)，氫能將灰取代煤、石油、天然氣等礦物能源，人類將告別礦物能源時(shí)代，步入氫能時(shí)代。燃料電池作為把氫能直接轉(zhuǎn)化為電能的潔凈發(fā)電裝置即將大規(guī)模全面進(jìn)入社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。
當(dāng)然，人類在氫能利用方面還有不少問(wèn)題需要解決，但是燃料電池大顯身手，進(jìn)入尋常百姓家的日子已為期不遠(yuǎn)。本世紀(jì)的頭十年，將是燃料電池發(fā)電技術(shù)商品化和產(chǎn)業(yè)化的重要階段，在提高技術(shù)實(shí)用性和降低生產(chǎn)成本方面都將取得重大突破。燃料電池的普遍推廣使用，必將在能源及相關(guān)領(lǐng)域引發(fā)一場(chǎng)深刻的革命。不久的將來(lái)。分散的燃料電池發(fā)電廠供電模式必將取代大機(jī)組、大電網(wǎng)、高電壓的傳統(tǒng)供電模式，人們將生活在無(wú)須擔(dān)心大面積斷電的時(shí)代。居民只需購(gòu)買一臺(tái)家用交換膜燃料電池，在自己家里就可自行發(fā)電，而且可通過(guò)接入器與外電網(wǎng)聯(lián)接起來(lái)，調(diào)節(jié)電力供應(yīng)。自產(chǎn)電力不足時(shí)，可從外電網(wǎng)購(gòu)入電力；自產(chǎn)電力過(guò)剩時(shí)，則可向外電網(wǎng)出售電力。出行時(shí)，人們可以駕駛?cè)剂想姵仄?，而不必?fù)?dān)心會(huì)給生存環(huán)境造成污染；在家時(shí)，人們又可以把燃料電池汽車當(dāng)成一部發(fā)電機(jī)，為家庭提供所需的電能。一個(gè)“氫能經(jīng)濟(jì)”的時(shí)代即將到來(lái)。
燃料電池具有組件性好、環(huán)保性能好、效率高、部分負(fù)荷時(shí)性能優(yōu)異、功率范圍廣、響應(yīng)速度快、燃料多樣化、維修性好、使用方便等性能特點(diǎn)，非常適合作為移動(dòng)式和分散式電源使用。它在使用氫能產(chǎn)生電能的過(guò)程中不產(chǎn)生任何污染物，而且氫是取之不盡的能源。隨著世界礦物資源的逐漸枯竭和國(guó)際社會(huì)對(duì)自身環(huán)境的不斷關(guān)注，人類迫切需要一種既環(huán)保又高效的可再生能源發(fā)電裝置，來(lái)取代現(xiàn)有的礦物燃料發(fā)電設(shè)備和石化燃料動(dòng)力設(shè)備。燃料電池作為氫能直接轉(zhuǎn)化為電能的潔凈發(fā)電裝置，必將成為這種替代能源裝置的最佳選擇。它既是繼蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)之后的第三代動(dòng)力裝置，又是繼水力、火力、核能之后的第四代發(fā)電設(shè)備。燃料電池不僅可以為現(xiàn)代交通工具提供理想的動(dòng)力源，消除對(duì)環(huán)境的污染，也可以對(duì)分散的小型發(fā)電裝置，為數(shù)以億計(jì)的用電設(shè)備和千百萬(wàn)家庭提供電能。因此，燃料電池技術(shù)是21世紀(jì)對(duì)人類生活具有最重大影響的十大技術(shù)之一。
燃料電池的基本工作原理很簡(jiǎn)單，與普通電池相似。它是一種不經(jīng)過(guò)燃燒而通過(guò)化學(xué)反應(yīng)把富氫燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變成電能的發(fā)電裝置。燃料電池的化學(xué)反應(yīng)是放熱反應(yīng)，所以在產(chǎn)生電能的同時(shí)還產(chǎn)生了熱能。普通電池的反應(yīng)物質(zhì)一般是難以補(bǔ)充的，反應(yīng)物質(zhì)消耗完了，電池也就壽終正寢了；燃料電池在電化學(xué)反應(yīng)中所消耗掉的物質(zhì)是不斷補(bǔ)充的，從而可源源不斷地產(chǎn)生電能，而無(wú)須進(jìn)行充電。燃料電池所使用的氫可取自天然氣、丙烷、甲醇、汽油、柴油、煤以及可再生能源。氧化劑一般用空氣或純氧氣。因此一個(gè)燃料電池系統(tǒng)就相當(dāng)于一個(gè)自動(dòng)運(yùn)行的小型發(fā)電廠，它高效且無(wú)污染地將貯存在燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能和熱能。
第一代燃料電池是堿性電池，但由于其應(yīng)用條件很苛刻，必須使用純氫和純氧作為還原劑和氧化劑，而且只要存在微量的二氧化碳就會(huì)使這種燃料電池的電解質(zhì)變質(zhì)。在這種燃料電池的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了第二代燃料電池——磷酸燃料電池。磷酸燃料電池是目前技術(shù)最成熟、商業(yè)化應(yīng)用最廣泛的燃料電池。磷酸燃料電池的缺點(diǎn)是，需要使用貴重的鉑系金屬做催化劑，還需要使用外部的燃料處理器來(lái)對(duì)燃料進(jìn)行重整，以提高燃料的含氫量，這將會(huì)降低電池的效率，增加設(shè)備的成本和占地面積。20世紀(jì)70年代末開始開發(fā)第三代燃料電池—— 熔融碳酸鹽燃料電池。熔融碳酸鹽燃料電池的工作溫度較高，一般在600～700℃。在這樣的溫度下，燃料的重整可在電池內(nèi)部進(jìn)行，從而提高了效率，降低了成本。這種燃料電池可用在大大型發(fā)電廠。固體氧化物燃料電池是第四代燃料電池。它具有效率高、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，目前正處于千瓦級(jí)的試驗(yàn)階段。20世紀(jì)80年代后期，汽車領(lǐng)域燃料電池的開發(fā)工作全面展開，90年代中期，各國(guó)汽車制造廠商開始逐步加快了燃料電池的商業(yè)化進(jìn)程。質(zhì)子交換膜燃料電池汽車是第五代燃料電池，也是近幾年備受關(guān)注的新型燃料電池。這種電池的電解質(zhì)采用高分子聚合物膜，構(gòu)造簡(jiǎn)單，工作溫度低，因而電池啟動(dòng)很快。這些得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn)，使其在為汽車等交通工具提供無(wú)污染動(dòng)力源方面獨(dú)占鰲頭。
一、電力供應(yīng)用燃料電池的發(fā)展動(dòng)向
燃料帶年齒由于具有能量轉(zhuǎn)換效率高、污染小、用水少、占地小等突出優(yōu)點(diǎn)，多年來(lái)一直成為替代傳統(tǒng)發(fā)電廠設(shè)備的最佳選擇。日本的富士電機(jī)、東芝、三菱電機(jī)等公司在政府支持下，自20世紀(jì)60年代開始，繼美國(guó)之后大力研發(fā)燃料電池技術(shù)，運(yùn)行中的磷酸燃料電池技術(shù)，運(yùn)行中的磷酸燃料電池發(fā)電廠已超過(guò)100座，發(fā)電能力在30兆瓦以上。1996年美國(guó)利用熔融碳酸燃料電池技術(shù)，僅用了2個(gè)月的時(shí)間就建成了Santa Clara發(fā)電廠，并投入運(yùn)行。該廠發(fā)電量達(dá)2兆瓦級(jí)，使用天然氣和液化氣作為燃料，發(fā)電效率達(dá)53.7%，單位造價(jià)為1700美元/千瓦，目前，美國(guó)、歐洲諸國(guó)和日本等國(guó)投入運(yùn)行的磷酸燃料電池發(fā)電廠數(shù)以百計(jì)，其中容量最大的是東京電力公司的五井發(fā)電廠，容量達(dá)11兆瓦。
近幾年利用燃料電池提供優(yōu)質(zhì)電力和熱電聯(lián)產(chǎn)的推廣工作已取得很大進(jìn)展。被推廣使用典型燃料電池是系統(tǒng)可發(fā)電200千瓦、生產(chǎn)260千瓦的熱能，溫度為60℃，該典型設(shè)備的外形尺寸為3*5.5*3米。全世界目前已安裝類似此種規(guī)格的設(shè)備200多臺(tái)，這些設(shè)備尚處于初期發(fā)展階段，有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)也正在制訂之中。美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)、美國(guó)電氣和電子工程學(xué)會(huì)以及美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)等機(jī)構(gòu)已在制訂生產(chǎn)、標(biāo)定、安裝燃料電池系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。
各國(guó)工業(yè)界人士普遍對(duì)于燃料電池在發(fā)電廠的應(yīng)用前景看好。美國(guó)預(yù)計(jì)，到2017年美國(guó)30%的電能將由燃料電池提供。2001年全球燃料電池的發(fā)電能力為75兆瓦，未來(lái)10年中，全球燃料電池的發(fā)電能力將會(huì)上升到1.5萬(wàn)兆瓦。預(yù)計(jì)在今后若干年中，美國(guó)、德國(guó)和日本在燃料電池發(fā)電能力上將處于世界領(lǐng)先地位。
電力工業(yè)屬技術(shù)和資金密集型行業(yè)，電能生產(chǎn)、輸送、使用是在同一時(shí)間內(nèi)完成的。傳統(tǒng)的供電模式是，使用輸變電網(wǎng)絡(luò)把大型火電場(chǎng)、水電站、核電站與用戶連接起來(lái)，把發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能通過(guò)電網(wǎng)輸送給用戶的各種用電設(shè)備。這種以大機(jī)組、大電網(wǎng)、高電壓為基礎(chǔ)的保中供電電力系統(tǒng)，運(yùn)行技術(shù)復(fù)雜，管理難度大，電網(wǎng)上任何一點(diǎn)的故障所產(chǎn)生的擾動(dòng)都會(huì)在瞬間波及整個(gè)電網(wǎng)。尤其是在遭遇洪水、地震等自然災(zāi)害及戰(zhàn)爭(zhēng)浩劫時(shí)難以保證電力的持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)，甚至?xí)斐呻娋W(wǎng)的全面崩潰和大面積停電，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成災(zāi)難性后果?？扑魑謶?zhàn)爭(zhēng)中，美國(guó)用石墨炸彈破壞了南聯(lián)盟的電力系統(tǒng)，從而破壞了南聯(lián)盟的國(guó)民經(jīng)濟(jì)，給予南聯(lián)盟致命一擊。這就是電網(wǎng)集中供電存在致命弱點(diǎn)的最好例證。如何保證大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，如何保證電力的連續(xù)生產(chǎn)和穩(wěn)定供應(yīng)已成為新世紀(jì)電力工業(yè)面臨的重大課題。很明顯，使用燃料電池，建設(shè)分散的燃料電池發(fā)電設(shè)施，形成分散電源供電系統(tǒng)，在自然災(zāi)害和戰(zhàn)爭(zhēng)破壞下具有任何其他系統(tǒng)無(wú)法比擬的可靠性。燃料電池由于具有無(wú)與倫比的諸多優(yōu)越性，必將成為21世紀(jì)電力行業(yè)的主力軍。
二、車用燃料電池的發(fā)展動(dòng)向
1、廣闊的發(fā)展前景
車用燃料電池所具有效率高、啟動(dòng)快、環(huán)保性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)使其當(dāng)仁不讓地成為21世紀(jì)汽車動(dòng)力源的最佳選擇，是取代汽車內(nèi)燃機(jī)十分理想的解決方案。不久的將來(lái)，汽油機(jī)和柴油機(jī)只能退避三舍了。從燃料電池的發(fā)展勢(shì)頭看，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)將會(huì)21世紀(jì)中葉終止。燃料電池汽車在最大優(yōu)點(diǎn)是清潔、無(wú)污染，所推出的惟一廢氣物是水。在全球環(huán)境保護(hù)問(wèn)題困擾人類的今天，燃料電池作為環(huán)保型汽車越來(lái)越受到人們的重視。世界各大汽車制造廠商都認(rèn)為，近期內(nèi)真正有可能取代傳統(tǒng)汽車的清潔交通工具，只能是燃料電池汽車，“燃料電池就是汽車工業(yè)的未來(lái)”。近幾年燃料電池汽車的發(fā)展勢(shì)頭大大超過(guò)了蓄電池電動(dòng)汽車。隨著大規(guī)模應(yīng)用前景的顯現(xiàn)，美國(guó)、歐洲和日本的汽車制造廠商都在加緊開發(fā)車用燃料電池技術(shù)，預(yù)計(jì)三四年后，燃料電池汽車將會(huì)進(jìn)入批量生產(chǎn)階段，并投放市場(chǎng)。
加拿大巴拉德公司計(jì)劃到2005年前后逐漸將燃料電池的年產(chǎn)量提高到30萬(wàn)臺(tái)。該公司2002年將增加公共汽車用燃料電池的生產(chǎn)，2003年將開始小批量生產(chǎn)轎車用燃料電池。日本于20世紀(jì)80年代初開始發(fā)展燃料電池，1996年豐田汽車公司研制成功了以氫為燃料的車用燃料電池，計(jì)劃在2002年使這種燃料電池汽車實(shí)用化。美國(guó)通用汽車公司已經(jīng)制定了在未來(lái)10年內(nèi)大量發(fā)展燃料電池汽車的計(jì)劃，該公司生產(chǎn)的汽車將逐步轉(zhuǎn)向燃料電池汽車，最終全部淘汰內(nèi)燃機(jī)汽車。其他主要汽車制造廠商也有類似計(jì)劃。這將是世界汽車工業(yè)的又一次重大技術(shù)變革。
在燃料電池汽車技術(shù)的開發(fā)競(jìng)爭(zhēng)中，各國(guó)政府紛紛制定相應(yīng)的政策。美國(guó)能源部制定了氫能計(jì)劃，提出要在2010年讓燃料電池汽車的市場(chǎng)占有率達(dá)25%。日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省提出的發(fā)展目標(biāo)是，在2010年前要把汽車用燃料電池的價(jià)格降到普通汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的水平，并且要首先從政府機(jī)關(guān)開始普及燃料電池汽車。冰島政府計(jì)劃最遲于2003年在首都地區(qū)使用燃料電池公共汽車，并在2030～2040年間在所有交通工具上推廣使用燃料電池。
2、大量資金注入車用燃料電池研發(fā)工作
過(guò)去10年中西方汽車制造廠商大型在研究開發(fā)燃料電池技術(shù)上的投入高達(dá)100億美元，其中80%用于開發(fā)車用燃料電池。未來(lái)5年西方國(guó)家在車用燃料電池領(lǐng)域的研發(fā)投入至少還將會(huì)增加40億美元。自20世紀(jì)90年代起，一些發(fā)達(dá)國(guó)家的汽車制造廠商和石油、電力公司憑借強(qiáng)大的研發(fā)能力和雄厚的資金實(shí)力，在政府的大力支持下，迅速推進(jìn)了燃料電池的研發(fā)工作，質(zhì)子交換膜燃料電池的研發(fā)工作更是取得了突破性的進(jìn)展。戴姆斯—奔馳、大眾、通用、福特、豐田、日產(chǎn)等世界主要汽車制造廠商紛紛致力于這種燃料電池的研發(fā)工作。1997年，奔馳中投資2億加元與加拿大巴拉德公司合資開發(fā)燃料電池。1998年，福特汽車公司斥資4.2億美元加入了巴拉德—奔馳聯(lián)盟，組建了質(zhì)子交換膜燃料電池公司。美國(guó)等國(guó)的風(fēng)險(xiǎn)投資基金也將大量資金投入車用燃料電池的研發(fā)。面對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池和電動(dòng)汽車的研制熱潮，世界大型電力公司和石油公司也不甘落后，相繼加入燃料電池研發(fā)行列。1999年，世界著名的石油公司——?dú)づ乒驹O(shè)立了“殼牌氫氣公司”，專門研制車用氫氣發(fā)生器及儲(chǔ)氫容器。
3、困擾車用燃料電池推廣的成本問(wèn)題
目前，阻礙燃料電池商業(yè)化的主要問(wèn)題是燃料電池的高成本問(wèn)題。雖然燃料電池發(fā)電成本已大幅度地下降，但每千瓦電的發(fā)電成本仍然非常高，難與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)相抗衡。目前，聚合薄膜的價(jià)格也很昂貴。造成成本居高不下的主要原因是，燃料電池還沒有實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。隨著燃料電池在汽車工業(yè)的大規(guī)模推廣，價(jià)格必然也會(huì)進(jìn)一步大幅度下降。加拿大巴拉德公司擬將該公司研制的“馬克900”型燃料電池的價(jià)格降低41%。巴拉德公司動(dòng)用了一大筆資金來(lái)開發(fā)批量生產(chǎn)技術(shù)，這項(xiàng)舉措得到了戴姆斯勒和福特的大力資助。巴拉德公司生產(chǎn)的質(zhì)子交換膜燃料電池，目前每千瓦的制造成本超過(guò)2000美元。該公司需要將成本降到每千瓦50多美元的水平，才能贏得汽車制造廠商的垂青。汽車是燃料電池最大的潛在用戶，如果把80千瓦功率的車用燃料電池的價(jià)格降到能與價(jià)格為3500美元的汽油機(jī)相抗衡，燃料電池汽車就能占領(lǐng)汽車市場(chǎng)。盡管生產(chǎn)燃料電池需要付出艱苦的努力，然而其潛在的市場(chǎng)之大（全世界的汽車總產(chǎn)量大約為5700萬(wàn)輛/年），足以讓汽車制造廠商垂涎三尺。以每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)價(jià)值3500美元計(jì)算，每年將有近2000億美元的車用燃料電池的潛在市場(chǎng)銷售額，這一數(shù)值將超過(guò)所有其他用途燃料用途燃料電池市場(chǎng)銷售額的總和。
4、車用燃料電池的燃料多樣化
燃料電池是以氫氣和氧氣為原料，利用它們?cè)诟邷叵掳l(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的原理制成的裝置。燃料電池所需的氧氣可以從空氣中獲得，較大的技術(shù)難點(diǎn)在于怎樣獲得所需的燃料——?dú)錃?。燃料電池汽車將以多快的速度在全世界普及，取決于所使用的氫燃料的類型。理想的解決方案是使用純凈的氫氣，但是這將需要很大的存儲(chǔ)空間，并且要以很大的成本在世界各地建立一套新的燃料供應(yīng)系統(tǒng)。另一種解決方案是，使用普通汽油或者甲烷等燃料，通過(guò)燃料處理器使它們產(chǎn)生氫氣。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是，可以利用原有的汽油供應(yīng)系統(tǒng)而無(wú)須興建新的燃料供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施。
為此，作為燃料電池汽車技術(shù)開發(fā)競(jìng)爭(zhēng)兩大集團(tuán)之一的豐田和通用集團(tuán)所采用的方式是，從一種名為清潔碳?xì)浠衔锶剂系男滦推椭兄迫?。采用這種制氫方式的燃料電池，其優(yōu)點(diǎn)是硫磺含量少，既清潔，又可延長(zhǎng)燃料電池自身的壽命，并且便于維修。由于使用汽油，現(xiàn)有的汽油加油站仍可得到充分使用，并可節(jié)省巨額基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資，安全性也有保證。該技術(shù)還能夠被現(xiàn)有的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)所用。美國(guó)埃克森—莫比爾石油公司已與通用和豐田公司應(yīng)開發(fā)采用這種制氫方式的燃料電池達(dá)成協(xié)議，并計(jì)劃在2003年將其推向市場(chǎng)。作為另一大燃料電池汽車技術(shù)開發(fā)競(jìng)爭(zhēng)集團(tuán)的戴姆斯—克萊斯勒、福特及三菱汽車公司則以天然氣為原料制取氫氣。這是因?yàn)闅W洲有著發(fā)達(dá)的天然氣供應(yīng)網(wǎng)，可以大大降低基礎(chǔ)設(shè)施的投資成本。日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省認(rèn)為，豐田和通用公司采用的從新型汽油中制取氫氣的方法具有現(xiàn)實(shí)性，并建議由日本、美國(guó)、歐洲等國(guó)家聯(lián)合制定有關(guān)燃料電池汽車的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
歐洲已有五家汽車廠商對(duì)研發(fā)燃料電池汽車進(jìn)行投資。奔馳公司已試驗(yàn)了多種燃料，它希望趕在美、日的前面將燃料電池汽車投放市場(chǎng)，目前已有公交型和小型商用燃料電池汽車進(jìn)入半商業(yè)性試驗(yàn)。法國(guó)的雷諾公司已研制成功長(zhǎng)距離燃料電池汽車。這種汽車靠低溫下的液態(tài)氫來(lái)產(chǎn)生電力，可持續(xù)行駛500千米。
德國(guó)、美國(guó)等國(guó)已開始著手解決汽車的氫燃料供應(yīng)問(wèn)題。1999年5月，德國(guó)人在慕尼黑國(guó)際機(jī)場(chǎng)建成了世界上第一個(gè)加氫站，使用液氫燃料的改裝寶馬車來(lái)到這座加氫站，只需大約3分鐘就可將儲(chǔ)氫罐加滿，每加一次液氫可行駛300千米。寶馬公司對(duì)氫能汽車非常有信心，計(jì)劃到2005年在歐洲各國(guó)的首都都建立一個(gè)加氫站，到2010年在歐洲形成一個(gè)加氫站網(wǎng)絡(luò)。寶馬公司的目標(biāo)是，2020年在歐洲出售的寶馬汽車中，有三分之一使用燃料電池作為動(dòng)力源。美國(guó)也不甘落后，1999年8月福特汽車公司在美國(guó)底特律也開設(shè)了一個(gè)加氫站。
5、不同類型的燃料電池汽車
加拿大的巴拉德公司成功研制出了包括250千瓦在內(nèi)的系列質(zhì)子交換膜燃料電池，并將質(zhì)子交換膜燃料電池裝配到有關(guān)汽車公司的氫能汽車上，從而使質(zhì)子交換膜燃料電池在氫能開發(fā)利用中一展身手，引起了國(guó)際社會(huì)的極大關(guān)注。該公司1994年研制出的可載75人的質(zhì)子交換膜交換膜燃料電池型電動(dòng)客車，一次添加燃料可連續(xù)行駛400多千米。巴拉德公司在車用燃料電池方面擁有專長(zhǎng)，不久前該公司簽定了一項(xiàng)合同，為10座歐洲城市中的30輛公交汽車提供燃料電池。至今，燃料電池公交車在發(fā)達(dá)國(guó)家的一些城市已試運(yùn)行好幾年，總行駛里程達(dá)幾十萬(wàn)千米。
在2001年月舉辦低特律汽車展上，通用、福特、戴姆勒—克萊斯、本田、豐田等汽車制造廠商均推出了以燃料電池為動(dòng)力源的大功率電動(dòng)汽車。這種汽車將在2003年或2004年投放市場(chǎng)。通用汽車公司在此次汽車展中推出的5輛燃料電池概念車，更換一次燃料可行駛800千米，最高時(shí)速達(dá)190千米。在2000年悉尼奧運(yùn)會(huì)的賽場(chǎng)上，通用汽車公司的“氫動(dòng)一號(hào)”燃料電池汽車曾作為馬拉松比賽的開道車進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)展示。
現(xiàn)在，巴拉德公司與奔馳、福特等公司已著手在加拿大的溫哥華、多倫多等地興建年產(chǎn)20萬(wàn)臺(tái)質(zhì)子交換膜燃料電池的企業(yè)。這標(biāo)志著這種燃料電池的利用已走出實(shí)驗(yàn)室，開始進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化的階段。據(jù)預(yù)測(cè)，到2003年，使用燃料電池的公共汽車將投入商業(yè)運(yùn)行，到2005年，使用燃料電池的轎車也將進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行階段。
三、家用燃料電池的發(fā)展方向
近年來(lái)燃料電池技術(shù)出現(xiàn)了新的突破，各大公司對(duì)家用燃料電池的開發(fā)產(chǎn)生了極大興趣。目前正在開發(fā)用于為居民供電的低成本質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)和只需要簡(jiǎn)單燃料處理的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)。但是，家用燃料電池目前仍然不適合大批量上市，主要原因是家用燃料電池發(fā)電裝置的價(jià)格依然過(guò)高。目前，一臺(tái)家用燃料電池發(fā)電裝置的價(jià)格大約為1萬(wàn)美元，預(yù)計(jì)到2005年左右家用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的價(jià)格可降到5000美元以下 。許多公司正在投入資金，對(duì)家用燃料電池進(jìn)行進(jìn)一步研究，力圖在成本和性能上有更大突破。家用燃料電池一般都是質(zhì)子交換膜燃料電池。這種燃料電池是一種快速啟動(dòng)電池，在相當(dāng)?shù)偷臏囟葧r(shí)就可以發(fā)電，而且不會(huì)產(chǎn)生有毒和腐蝕性的物質(zhì)，使用安全可靠。
最近，美國(guó)紐約的Plug Power公司成功地演示了一種利用天然氣的燃料電池系統(tǒng)，向燃料電池家用化的目標(biāo)邁出了重要一步。這種燃料電池系統(tǒng)是質(zhì)子交換膜燃料系統(tǒng)。它包括燃料電池倉(cāng)、電力穩(wěn)定器以及燃料處理器。利用天然氣是燃料電池技術(shù)的突破，這為美國(guó)的7000多萬(wàn)個(gè)家庭展示了用天然氣供電的美好前景。這些家庭目前已經(jīng)在使用天然氣做飯和取暖。天然氣的成本相對(duì)較低，用其作燃料，利用高效燃料電池發(fā)電，可使用戶的電費(fèi)開支減少20%。美國(guó)的Avist Labs公司也在開發(fā)家用燃料電池發(fā)電裝置。它所開發(fā)的燃料電池發(fā)電裝置，功率為4千瓦，完全可以滿足一個(gè)家庭對(duì)電能的全部需求。
在日本，供家庭使用的燃料電池已經(jīng)投放市場(chǎng)。三洋電機(jī)公司也研制成功了家用小型燃料電池，其輸出功率為1000瓦，投放市場(chǎng)后頗受用戶歡迎。這種燃料電池也是質(zhì)子交換膜燃料電池，采用氟樹脂類高分子膜。與磷酸燃料電池相比，這種燃料電池在電解質(zhì)處于低溫時(shí)也能有效使用，而且啟動(dòng)時(shí)間短，適合家庭使用，也可作為商店的應(yīng)急備用電源，作為戶外作業(yè)的移動(dòng)電源使用使用也很方便。隨著家庭燃料電池的商業(yè)化推廣，其成本價(jià)格還會(huì)迅速降低，燃料電池民用市場(chǎng)的前景也將十分廣闊。
四、微型燃料電池的發(fā)展動(dòng)向
微型燃料電池主要用于需要小功率和長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的地方。摩托羅拉公司等移動(dòng)通信公司是推動(dòng)這一研究項(xiàng)目的急先鋒。摩托羅拉等公司擬把甲醇燃料電池技術(shù)推向市場(chǎng)。近年來(lái)手機(jī)普及加快，全世界使用手機(jī)數(shù)以億計(jì)。每部手機(jī)都需要靠電池供電，如果能用燃料電池取代普通帶年齒，就會(huì)形成一個(gè)驚人的微型燃料電池市場(chǎng)，燃料電池制造廠商對(duì)這一巨大市場(chǎng)早已虎視耽耽。
美國(guó)曼哈頓科學(xué)公司正在致力于開發(fā)可在所有便攜式電器上使用的微型燃料電池。這種微型燃料電池既可以為設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間供電，又可以減少對(duì)環(huán)境的危害。它的電能容量令普通電池望塵莫及，它可使一部手機(jī)的待機(jī)時(shí)間達(dá)6個(gè)月之久。相比之下，采用鋰電池的手機(jī)，待機(jī)時(shí)間保持兩個(gè)星期已屬不易。此外，這種燃料電池可保證維持長(zhǎng)達(dá)一周之久的持續(xù)通話時(shí)間，而一般那鋰電池至多可保證持續(xù)通話5個(gè)小時(shí)。兩者電能容量上的差距非同一般。
目前因特網(wǎng)正向移動(dòng)式終端方向發(fā)展，網(wǎng)民不僅可以用辦公室和家中的電腦上網(wǎng)，而且可以在移動(dòng)狀態(tài)下通過(guò)手機(jī)、掌上電腦、手提電腦進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)世界。今后的發(fā)展趨勢(shì)是利用手提電腦或手機(jī)等設(shè)備在因特網(wǎng)上漫游，通過(guò)移動(dòng)通信中的新的傳輸技術(shù)，人們可以晝夜同因特網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。上述便攜設(shè)備的使用無(wú)疑都離不開微型便攜式電源。這些便攜式電器對(duì)電源的要求很苛刻，不僅要求重量輕、體積小，而且要求容量大、供電質(zhì)量高，以確保設(shè)備持續(xù)、穩(wěn)定工作。普通電池雖然在性能方面不斷改進(jìn)，但就目前發(fā)展?fàn)顩r而言，仍然難以擔(dān)當(dāng)此任。經(jīng)過(guò)研究人員多年的研究，適用于這些設(shè)備的微型燃料電池應(yīng)運(yùn)而生。這種微型燃料電池能夠提供高容量的電能，而且可以隨時(shí)補(bǔ)充。當(dāng)儲(chǔ)存在金屬管中的氫消耗殆盡時(shí)，可以馬上更換新金屬管，為燃料電池補(bǔ)充燃料。德國(guó)弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)太陽(yáng)能研究所在質(zhì)子交換膜燃料電池的基礎(chǔ)上推出的微型燃料電池電源，其功率為20瓦，為手提電腦供電的持續(xù)時(shí)間相當(dāng)鉀電池的2～3倍。
五、生物燃料電池的發(fā)展方向
最近，燃料電池技術(shù)又有了新的突破，英國(guó)科學(xué)家研制成功了生物燃料電池。一般燃料電池都用貴金屬作為催化劑。這類催化劑都是稀有金屬，因而價(jià)格昂貴。這一狀況嚴(yán)重妨礙了大功率燃料電池和大型燃料電池的推廣，對(duì)大型燃料電池發(fā)電廠的發(fā)展有著很大的負(fù)面影響。不久以前，英國(guó)肯特大學(xué)和牛津大學(xué)的科學(xué)家們合作，從細(xì)菌細(xì)胞中提煉出一種叫做甲醇脫氫酶的生物催化劑。這種酶能夠加速氫氣的釋放，從而加快電子數(shù)目大大增加。在酶催化劑的作用下，剛剛問(wèn)世的生物燃料電池顯示出功率大、體積小、效率高、成本低等突出優(yōu)點(diǎn)。其能量轉(zhuǎn)化效率高達(dá)60%～70%。生物燃料電池發(fā)展前途廣闊，其實(shí)用化和商業(yè)化問(wèn)題正處于進(jìn)一步研究之中。
21世紀(jì)，氫能將灰取代煤、石油、天然氣等礦物能源，人類將告別礦物能源時(shí)代，步入氫能時(shí)代。燃料電池作為把氫能直接轉(zhuǎn)化為電能的潔凈發(fā)電裝置即將大規(guī)模全面進(jìn)入社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。
當(dāng)然，人類在氫能利用方面還有不少問(wèn)題需要解決，但是燃料電池大顯身手，進(jìn)入尋常百姓家的日子已為期不遠(yuǎn)。本世紀(jì)的頭十年，將是燃料電池發(fā)電技術(shù)商品化和產(chǎn)業(yè)化的重要階段，在提高技術(shù)實(shí)用性和降低生產(chǎn)成本方面都將取得重大突破。燃料電池的普遍推廣使用，必將在能源及相關(guān)領(lǐng)域引發(fā)一場(chǎng)深刻的革命。不久的將來(lái)。分散的燃料電池發(fā)電廠供電模式必將取代大機(jī)組、大電網(wǎng)、高電壓的傳統(tǒng)供電模式，人們將生活在無(wú)須擔(dān)心大面積斷電的時(shí)代。居民只需購(gòu)買一臺(tái)家用交換膜燃料電池，在自己家里就可自行發(fā)電，而且可通過(guò)接入器與外電網(wǎng)聯(lián)接起來(lái)，調(diào)節(jié)電力供應(yīng)。自產(chǎn)電力不足時(shí)，可從外電網(wǎng)購(gòu)入電力；自產(chǎn)電力過(guò)剩時(shí)，則可向外電網(wǎng)出售電力。出行時(shí)，人們可以駕駛?cè)剂想姵仄?，而不必?fù)?dān)心會(huì)給生存環(huán)境造成污染；在家時(shí)，人們又可以把燃料電池汽車當(dāng)成一部發(fā)電機(jī)，為家庭提供所需的電能。一個(gè)“氫能經(jīng)濟(jì)”的時(shí)代即將到來(lái)。
（轉(zhuǎn)載）
