燃料電池的商業用途突破點在哪？

燃料電池的商用突破就在便攜產品

和CDMA,GpS這些受到歡迎的技術一樣，燃料電池同樣經歷了由特種或者特種轉向民用的過程，并且燃料電池的發展歷程已經超過100年，在技術和安全方面已經得到驗證。現在研究人員需要考慮的是，如何讓它順利地走進人們的日常生活中。大多數從事燃料電池研發的公司都認為便攜式消費電子是一個絕佳的突破口。

我們在準備長途旅行之前，總是不會忘記檢查是否隨身攜帶了信用卡或者錢包，當然還有手機或者筆記本電腦的備用電池和充電器，它們的重要性伴隨著人們對手機和筆記本電腦的依賴日益彰顯。其癥結所在就是電池的有限的工作時間，目前便攜式電子產品使用的鋰離子電池已經無法應付長時間操作的需求。一塊手機普通的鋰電池只能維持幾天時間，筆記本電腦的電池也就幾個小時。而隨著無線技術和音視頻功能越來越受歡迎，對電池的工作時間的要求與日俱增，傳統二次電池(包括鋰電池和鎳電池)已經成為瓶頸，桎梏了便攜式產品向更豐富功能的方向發展。

與傳統二次電池相比，燃料電池的能量至少要高10倍。一個鋰離子電池能提供300Whr/L的電量密度，而甲醇燃料電池的電量密度卻高達4800Whr/L，10ml的甲醇可以保證13.5小時的通話時間或者642小時的待機時間。因此，東芝、IBM、NEC等許多國際著名的電子公司都傾注精力和財力研究燃料電池，目前世界前十大營收企業，除Walmart外，均有投資氫能或燃料電池產業。

專攻便攜式應用的DMFC

理論上，燃料電池(FuelCell)并不是電池，只是把燃料(例如氫氣)和氧化劑通過電極反應直接生成電流的裝置，由于它的生成物是水，因而具有相當的環保優勢。燃料電池的典型結構就是層迭電池單元的堆棧(Stack)，一個堆棧可以包含多個單獨的燃料單元(圖1)。而每個單元的基本結構與電解水裝置相類似，包含2個正負電極(陽極和陰極)，電解質以及催化劑。陽極為氫電極，陰極為氧電極，陽極和陰極上都含有一定量的催化劑，目的是用來加速電極上發生的電化學反應。以氫氧反應為例，在陰極催化劑的作用下，一個氫分子分解成2個氫離子，同時釋放出2個電子，由于阻隔膜對電子的過濾作用，電子無法通過電解質只能繞行，從而形成電流。而氫離子可以順利通過電解質達到陰極和空氣中的氧原子反應生成水(圖2)。

圖2燃料電池的基本工作原理

從工作原理不難看出，催化劑、電極、隔膜和電解質是燃料電池的主要材料。各種燃料電池工作原理基本相似，其分類是由電解質的材料決定的。目前廣泛研發的燃料電池有質子交換膜燃料電池(pEMFC)、直接甲醇燃料電池(DMFC)、堿性燃料電池(AFC)、磷酸鹽型燃料電池(pAFC)、熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)等。另外，由于工作溫度和發電功率的不同(表1)，燃料電池的應用領域也可以分為四種：便攜式電子產品，包括筆記型計算機、數字相機、手機、pDA等；住宅發電，既是住宅或備用電源；運輸交通工具，汽車、巴士等；大型發電大樓發電、小型及大型發電廠。

其中，pEMFC因其不經過燃燒直接以電化學反應連續地把燃料和氧化劑中的化學能直接轉換成電能，具有能量轉換效率高(一般都在40%~60%，而內燃機僅為18%~24%)的優點，成為應用非常廣泛的技術，尤其是在汽車用燃料方面，pEMFC的應用接近該市場的100%。

另外頗受關注的是DMFC，它同屬于pEMFC，都是采用聚合物阻隔膜，但是DMFC以液態甲醇為燃料，與氫燃料電池相比，DMFC在電池系統構造、燃料來源等諸多方面均有一定的優勢。其陽極催化劑可以直接從液態甲醇中提取氫分子無需燃料重組器(Reformer)，所以高純度甲醇可以直接用作電池的燃料。同時還能有效減少電池的尺寸，簡化系統結構，因而更適合作為便攜式電源用于民用工業和特種工業中，如可用于電動汽車、電動自行車、移動電話、筆記本電腦中。

和目前的二次電池相比，DMFC具備燃料電池的一貫優勢。DMFC的理論功率密度是4780Whr/L，遠高于鎳氫的200Whr/L、鋰離子的310Whr/L，因而可以支持更長的工作時間。另外有別于二次電池蓄電/放電的工作機制，燃料電池可以說是能源轉換器，只要將燃料持續供應即可源源不絕的持續產生電力，不會有電力中斷或更換電池的考慮。并且DMFC公司也在考慮通過混合電源的方式逐步讓人們接受燃料電池，這種方式混合動力汽車中已經得到積極的驗證。混合電源是將燃料電池和儲能裝置(如超級電容或電池)組合，燃料電池將提供恒定的功率，而靠電容或電池來滿足峰值功率方面的要求。

燃料電池的產業鏈包括材料、組件、子系統和系統四部分，多數著名的電子消費品公司都在從事DMFC燃料電池系統的研究，以便保證自己的電子產品在未來的競爭力，例如日本的三洋、索尼、東芝和富士通韓國的三星和LG，中國的比亞迪。也有一些專門從事系統開發的公司，包括美國的MTIMicroFuelCells、Angstrompower、我國臺灣的AnTIg公司、摩托羅拉投資的加拿大TekionInc公司等等。這類公司大都通過和大型電子公司合作的方式共同開發，像MTIMicro就和韓國三星結成獨家聯盟，MTIMicro將利用名為“Mobion”的DMFC技術為三星的手機業務開發下一代燃料電池原型。