下一代電池技術(shù)燃料電池
2006/5/22 15:13:27 電源在線網(wǎng)
隨著自然資源的日益缺乏和人們環(huán)保意識(shí)的提高，當(dāng)今燃料電池的研制得到了更多的重視和快速發(fā)展，燃料電池是一種直接將化學(xué)能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿碾娀瘜W(xué)器件，是一種綠色能源，可同時(shí)解決節(jié)能和環(huán)保兩大世界難題，因此西方各個(gè)國(guó)家諸如日本、美國(guó)及歐洲等都有燃料電池方面的研究和開(kāi)發(fā)計(jì)劃，我國(guó)也在加快燃料電池的研究進(jìn)程，燃料電池發(fā)展到今天已經(jīng)有近200年的歷史，其中真正得到世界的廣泛關(guān)注是在20世紀(jì)50年代，距離今天也不過(guò)50年左右，但是燃料電池的技術(shù)發(fā)展卻是突飛猛進(jìn)的。
1.電源缺口呼喚新的電源技術(shù)
便攜電子產(chǎn)品在全球普及、其產(chǎn)品外型的日趨短小輕便以及功能的日漸復(fù)雜給電池帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，另外除了筆記本電腦、手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)以外，其它產(chǎn)品領(lǐng)域也存在類似的電源供應(yīng)缺口。現(xiàn)有充電電池技術(shù)雖已成熟，但鋰離子充電電池的容量沒(méi)有太大的改進(jìn)空間（每年小于5%），在滿足日益增長(zhǎng)的電能需求時(shí)將倍感吃力。但是預(yù)計(jì)在今后的幾年里面，現(xiàn)有的電池技術(shù)將無(wú)法滿足便攜電子產(chǎn)品日漸增長(zhǎng)的能耗需求，新型電源技術(shù)和產(chǎn)品將存在著巨大的市場(chǎng)空間和機(jī)會(huì)。
人們的移動(dòng)性比以前更大，進(jìn)而擴(kuò)大了上述電源缺口。筆記本電腦是增長(zhǎng)最快的電腦領(lǐng)域，預(yù)計(jì)2006年出貨量將超過(guò)5000萬(wàn)個(gè)。廣泛采用WiFi技術(shù)實(shí)際上已經(jīng)砍掉了以太網(wǎng)的束縛，而用戶最后希望去掉的將是通向AC電源的連接線，這更加促進(jìn)了新的電池技術(shù)的發(fā)展。
2.燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀
由于具有能量轉(zhuǎn)換效率高，潔凈、無(wú)污染、模塊結(jié)構(gòu)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，燃料電池成為業(yè)界關(guān)注的對(duì)象，為適應(yīng)緊接而來(lái)的電源需求革命，燃料電池成為實(shí)力強(qiáng)勁的預(yù)備選手。早在1839年，英國(guó)科學(xué)家W·Grove就提出了氫氧反應(yīng)發(fā)電的原理，這也是最早的氫氧燃料電池（FC）的模型。到目前為止燃料電池主要分四種類型，如表1所示。
以下四種燃料電池各有特點(diǎn)，也各自存在不同的技術(shù)障礙和發(fā)展方向，但是作為燃料電池的成員他們又有著相同的共性，為此，結(jié)合各類型電池特點(diǎn)，總結(jié)了燃料電池在研究和開(kāi)發(fā)所應(yīng)該集中的幾個(gè)方面。
電解質(zhì)膜：只允許H＋通過(guò)，而不允許未分解的燃料滲透過(guò)去。因此，對(duì)電解質(zhì)膜的研究就包括提高電解質(zhì)膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率，減小氣體等其它燃料滲入量，增強(qiáng)氧化還原和水解的穩(wěn)定性，提高機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，改善表面性質(zhì)以適于與催化劑結(jié)合等。此外，還要降低成本，提高性價(jià)比。
電極：因燃料電池電極大多為氣體電極過(guò)程，必須用特殊的電極結(jié)構(gòu)-多孔的氣體擴(kuò)散電極，以提高電池的比功率。
燃料：對(duì)燃料的研究主要是燃料選擇的問(wèn)題。目前，在燃料電池應(yīng)用中，主要使用H2和CH3 OH。對(duì)替換燃料的研究，將可以使燃料電池的發(fā)展更加具有可持續(xù)性。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是燃料電池的最終結(jié)果。由于小型燃料電池或微燃料電池將與集成電路一起使用，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展受到限制。如何對(duì)燃料電池進(jìn)行高密度裝配，實(shí)現(xiàn)在便攜式電子設(shè)備中應(yīng)用燃料電池，成為研究方向之一。
電催化劑：一個(gè)燃料電池系統(tǒng)，必須獲得高效率和高比能量。要獲得高效率和高比能量，就必須提高氣態(tài)燃料和氧化劑在電極過(guò)程中的反應(yīng)活性，即研究和發(fā)展高效催化劑。目前，利用其它價(jià)格低廉的、有效的催化劑替換貴金屬催化劑成為催化劑研究的方向之一。
3.燃料電池是否可行
雖然近年在燃料電池的研究上面取得了一些進(jìn)展，不過(guò)燃料電池在商用化方面仍然存在著一些阻礙。首先，燃料電池工作時(shí)都產(chǎn)生水和CO2 ，由于接近其它電子元器件水的存在容易造成短路，所以如何解決水這個(gè)副產(chǎn)物是一個(gè)非常麻煩的問(wèn)題；其次雖然燃料電池“堆疊”中每個(gè)單元理論電壓應(yīng)該是1.24V，但是基于傳統(tǒng)質(zhì)子交換膜（PEM）的DMFC只能達(dá)到上述水平的30%左右，如何提高燃料電池的功率密度又是另外一個(gè)阻礙燃料電池商用化的一個(gè)難題；最后如果真正要進(jìn)行商業(yè)化的話，由于牽涉化學(xué)試劑則燃料盒的包裝是否安全、產(chǎn)品尺寸外型設(shè)計(jì)有何要求、燃料盒是否容易獲得、成本是否足夠合適、OEM廠商的產(chǎn)品對(duì)燃料電池系統(tǒng)的支持度如何等等這些問(wèn)題都需要考慮，當(dāng)然這其中牽涉了包括化工原料、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、行銷渠道等非常多行業(yè)的合作，但是作為電池生產(chǎn)廠家，前面提到的第一跟第二個(gè)因素仍是阻礙燃料電池商用的技術(shù)難題。
4.燃料電池的應(yīng)用現(xiàn)狀
市場(chǎng)總是推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要因素。一個(gè)聰明的市場(chǎng)定位將會(huì)有助于推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展并能給市場(chǎng)創(chuàng)造增長(zhǎng)基礎(chǔ)。
早期的產(chǎn)業(yè)樣品演示也展出了一些外部燃料電池單元，可以用作充電器和為可充電手機(jī)、PDA及筆記本電腦的電池提供能量。這些已經(jīng)在2004年面世。不過(guò)由于最初的時(shí)候尺寸龐大，而且能量密度有限，這些產(chǎn)品也只能算是概念型產(chǎn)品。真正的贏家將是成功地把燃料電池整合進(jìn)產(chǎn)品內(nèi)部進(jìn)行商業(yè)化推廣的廠商。
2001年日本NEC電器公司試制了一種新型高分子型燃料電池，看上去就像是一塊餅干。它的原理是如同打火機(jī)裝油一樣，從注油口注入燃料補(bǔ)充電力，以供長(zhǎng)期使用。手機(jī)有了它，便可以使用1個(gè)月以上，電腦則可連續(xù)使用幾天也不在話下。
摩托羅拉及阿拉摩斯（Los Alamos）國(guó)家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一種微型的燃料電池。預(yù)計(jì)這種電池終有一天可望取代目前使用的傳統(tǒng)電池，用于各種各樣的電子產(chǎn)品作電源、包括手機(jī)、筆記本電腦、手持式照相機(jī)、以及電子游戲機(jī)等，此種電池的底面尺寸約為1平方英寸、厚度小于0.90英寸。使用液體甲醇作燃料，可以十分方便地安裝在各種電子產(chǎn)品內(nèi)。電池的能量密度超過(guò)傳統(tǒng)充電電池的10倍。
目前日本在微型燃料電池的開(kāi)發(fā)方面處于領(lǐng)先地位，美國(guó)則主要在車用燃料電池的開(kāi)發(fā)上面具有優(yōu)勢(shì)。今日，由日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省提議豐田汽車、松下電器、東京煤氣、三洋電機(jī)等在燃料電池開(kāi)發(fā)方面有實(shí)力的企業(yè)聯(lián)合組建燃料電池開(kāi)發(fā)公司；美國(guó)通用汽車公司和德國(guó)寶馬汽車公司也結(jié)成了燃料電池汽車開(kāi)發(fā)聯(lián)盟；我國(guó)則由中科院大連物理研究所聯(lián)合新大洲等幾家企業(yè)組建新源動(dòng)力燃料電池開(kāi)發(fā)公司。據(jù)稱，國(guó)際電工學(xué)會(huì)IEEC已經(jīng)開(kāi)始組織和實(shí)施燃料電池的國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)的建立，新源動(dòng)力方面也派出了技術(shù)代表對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的撰寫(xiě)和修訂提出中國(guó)專家的意見(jiàn)。
我國(guó)早在50年代就開(kāi)展燃料電池方面的研究。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所、大連化學(xué)物理所和天津電子部十八所是我國(guó)開(kāi)展燃料電池研究最早的一批單位。70年代主要以航天用堿性電池為主要研究對(duì)象。90年代初的應(yīng)用產(chǎn)品面比較廣，長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所、清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等單位開(kāi)展了PEMFC的研究，大連化物所、長(zhǎng)春應(yīng)化所、上海交大等開(kāi)展了MCFC的研究，上海硅酸鹽所、北京化工冶金所、中科大、清華大學(xué)等開(kāi)展了SOFC研究，大連化物所還開(kāi)展了生物電池的研究。
從中國(guó)燃料電池的發(fā)展歷程來(lái)看，國(guó)內(nèi)燃料電池項(xiàng)目主要還是由國(guó)家組織和投資，在高校和研究所進(jìn)行開(kāi)發(fā)，缺少?gòu)?qiáng)而有力的大公司推進(jìn)，企業(yè)恨少投入資源。因此，雖然從開(kāi)發(fā)日程來(lái)看，中國(guó)與國(guó)際上發(fā)達(dá)國(guó)家處于“同一起跑線上”，不過(guò)由于缺少大公司和整體產(chǎn)業(yè)水平偏低將決定了中國(guó)在燃料電池這個(gè)領(lǐng)域爭(zhēng)奪標(biāo)準(zhǔn)制高點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)中的“體質(zhì)贏弱”。所以，我國(guó)燃料電池研究與實(shí)際應(yīng)用在與國(guó)際同行競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)候均有相當(dāng)大的距離，必須加快追趕的步伐。
1.電源缺口呼喚新的電源技術(shù)
便攜電子產(chǎn)品在全球普及、其產(chǎn)品外型的日趨短小輕便以及功能的日漸復(fù)雜給電池帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，另外除了筆記本電腦、手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)以外，其它產(chǎn)品領(lǐng)域也存在類似的電源供應(yīng)缺口。現(xiàn)有充電電池技術(shù)雖已成熟，但鋰離子充電電池的容量沒(méi)有太大的改進(jìn)空間（每年小于5%），在滿足日益增長(zhǎng)的電能需求時(shí)將倍感吃力。但是預(yù)計(jì)在今后的幾年里面，現(xiàn)有的電池技術(shù)將無(wú)法滿足便攜電子產(chǎn)品日漸增長(zhǎng)的能耗需求，新型電源技術(shù)和產(chǎn)品將存在著巨大的市場(chǎng)空間和機(jī)會(huì)。
人們的移動(dòng)性比以前更大，進(jìn)而擴(kuò)大了上述電源缺口。筆記本電腦是增長(zhǎng)最快的電腦領(lǐng)域，預(yù)計(jì)2006年出貨量將超過(guò)5000萬(wàn)個(gè)。廣泛采用WiFi技術(shù)實(shí)際上已經(jīng)砍掉了以太網(wǎng)的束縛，而用戶最后希望去掉的將是通向AC電源的連接線，這更加促進(jìn)了新的電池技術(shù)的發(fā)展。
2.燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀
由于具有能量轉(zhuǎn)換效率高，潔凈、無(wú)污染、模塊結(jié)構(gòu)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，燃料電池成為業(yè)界關(guān)注的對(duì)象，為適應(yīng)緊接而來(lái)的電源需求革命，燃料電池成為實(shí)力強(qiáng)勁的預(yù)備選手。早在1839年，英國(guó)科學(xué)家W·Grove就提出了氫氧反應(yīng)發(fā)電的原理，這也是最早的氫氧燃料電池（FC）的模型。到目前為止燃料電池主要分四種類型，如表1所示。
以下四種燃料電池各有特點(diǎn)，也各自存在不同的技術(shù)障礙和發(fā)展方向，但是作為燃料電池的成員他們又有著相同的共性，為此，結(jié)合各類型電池特點(diǎn)，總結(jié)了燃料電池在研究和開(kāi)發(fā)所應(yīng)該集中的幾個(gè)方面。
電解質(zhì)膜：只允許H＋通過(guò)，而不允許未分解的燃料滲透過(guò)去。因此，對(duì)電解質(zhì)膜的研究就包括提高電解質(zhì)膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率，減小氣體等其它燃料滲入量，增強(qiáng)氧化還原和水解的穩(wěn)定性，提高機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，改善表面性質(zhì)以適于與催化劑結(jié)合等。此外，還要降低成本，提高性價(jià)比。
電極：因燃料電池電極大多為氣體電極過(guò)程，必須用特殊的電極結(jié)構(gòu)-多孔的氣體擴(kuò)散電極，以提高電池的比功率。
燃料：對(duì)燃料的研究主要是燃料選擇的問(wèn)題。目前，在燃料電池應(yīng)用中，主要使用H2和CH3 OH。對(duì)替換燃料的研究，將可以使燃料電池的發(fā)展更加具有可持續(xù)性。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是燃料電池的最終結(jié)果。由于小型燃料電池或微燃料電池將與集成電路一起使用，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展受到限制。如何對(duì)燃料電池進(jìn)行高密度裝配，實(shí)現(xiàn)在便攜式電子設(shè)備中應(yīng)用燃料電池，成為研究方向之一。
電催化劑：一個(gè)燃料電池系統(tǒng)，必須獲得高效率和高比能量。要獲得高效率和高比能量，就必須提高氣態(tài)燃料和氧化劑在電極過(guò)程中的反應(yīng)活性，即研究和發(fā)展高效催化劑。目前，利用其它價(jià)格低廉的、有效的催化劑替換貴金屬催化劑成為催化劑研究的方向之一。
3.燃料電池是否可行
雖然近年在燃料電池的研究上面取得了一些進(jìn)展，不過(guò)燃料電池在商用化方面仍然存在著一些阻礙。首先，燃料電池工作時(shí)都產(chǎn)生水和CO2 ，由于接近其它電子元器件水的存在容易造成短路，所以如何解決水這個(gè)副產(chǎn)物是一個(gè)非常麻煩的問(wèn)題；其次雖然燃料電池“堆疊”中每個(gè)單元理論電壓應(yīng)該是1.24V，但是基于傳統(tǒng)質(zhì)子交換膜（PEM）的DMFC只能達(dá)到上述水平的30%左右，如何提高燃料電池的功率密度又是另外一個(gè)阻礙燃料電池商用化的一個(gè)難題；最后如果真正要進(jìn)行商業(yè)化的話，由于牽涉化學(xué)試劑則燃料盒的包裝是否安全、產(chǎn)品尺寸外型設(shè)計(jì)有何要求、燃料盒是否容易獲得、成本是否足夠合適、OEM廠商的產(chǎn)品對(duì)燃料電池系統(tǒng)的支持度如何等等這些問(wèn)題都需要考慮，當(dāng)然這其中牽涉了包括化工原料、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、行銷渠道等非常多行業(yè)的合作，但是作為電池生產(chǎn)廠家，前面提到的第一跟第二個(gè)因素仍是阻礙燃料電池商用的技術(shù)難題。
4.燃料電池的應(yīng)用現(xiàn)狀
市場(chǎng)總是推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要因素。一個(gè)聰明的市場(chǎng)定位將會(huì)有助于推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展并能給市場(chǎng)創(chuàng)造增長(zhǎng)基礎(chǔ)。
早期的產(chǎn)業(yè)樣品演示也展出了一些外部燃料電池單元，可以用作充電器和為可充電手機(jī)、PDA及筆記本電腦的電池提供能量。這些已經(jīng)在2004年面世。不過(guò)由于最初的時(shí)候尺寸龐大，而且能量密度有限，這些產(chǎn)品也只能算是概念型產(chǎn)品。真正的贏家將是成功地把燃料電池整合進(jìn)產(chǎn)品內(nèi)部進(jìn)行商業(yè)化推廣的廠商。
2001年日本NEC電器公司試制了一種新型高分子型燃料電池，看上去就像是一塊餅干。它的原理是如同打火機(jī)裝油一樣，從注油口注入燃料補(bǔ)充電力，以供長(zhǎng)期使用。手機(jī)有了它，便可以使用1個(gè)月以上，電腦則可連續(xù)使用幾天也不在話下。
摩托羅拉及阿拉摩斯（Los Alamos）國(guó)家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一種微型的燃料電池。預(yù)計(jì)這種電池終有一天可望取代目前使用的傳統(tǒng)電池，用于各種各樣的電子產(chǎn)品作電源、包括手機(jī)、筆記本電腦、手持式照相機(jī)、以及電子游戲機(jī)等，此種電池的底面尺寸約為1平方英寸、厚度小于0.90英寸。使用液體甲醇作燃料，可以十分方便地安裝在各種電子產(chǎn)品內(nèi)。電池的能量密度超過(guò)傳統(tǒng)充電電池的10倍。
目前日本在微型燃料電池的開(kāi)發(fā)方面處于領(lǐng)先地位，美國(guó)則主要在車用燃料電池的開(kāi)發(fā)上面具有優(yōu)勢(shì)。今日，由日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省提議豐田汽車、松下電器、東京煤氣、三洋電機(jī)等在燃料電池開(kāi)發(fā)方面有實(shí)力的企業(yè)聯(lián)合組建燃料電池開(kāi)發(fā)公司；美國(guó)通用汽車公司和德國(guó)寶馬汽車公司也結(jié)成了燃料電池汽車開(kāi)發(fā)聯(lián)盟；我國(guó)則由中科院大連物理研究所聯(lián)合新大洲等幾家企業(yè)組建新源動(dòng)力燃料電池開(kāi)發(fā)公司。據(jù)稱，國(guó)際電工學(xué)會(huì)IEEC已經(jīng)開(kāi)始組織和實(shí)施燃料電池的國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)的建立，新源動(dòng)力方面也派出了技術(shù)代表對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的撰寫(xiě)和修訂提出中國(guó)專家的意見(jiàn)。
我國(guó)早在50年代就開(kāi)展燃料電池方面的研究。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所、大連化學(xué)物理所和天津電子部十八所是我國(guó)開(kāi)展燃料電池研究最早的一批單位。70年代主要以航天用堿性電池為主要研究對(duì)象。90年代初的應(yīng)用產(chǎn)品面比較廣，長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所、清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等單位開(kāi)展了PEMFC的研究，大連化物所、長(zhǎng)春應(yīng)化所、上海交大等開(kāi)展了MCFC的研究，上海硅酸鹽所、北京化工冶金所、中科大、清華大學(xué)等開(kāi)展了SOFC研究，大連化物所還開(kāi)展了生物電池的研究。
從中國(guó)燃料電池的發(fā)展歷程來(lái)看，國(guó)內(nèi)燃料電池項(xiàng)目主要還是由國(guó)家組織和投資，在高校和研究所進(jìn)行開(kāi)發(fā)，缺少?gòu)?qiáng)而有力的大公司推進(jìn)，企業(yè)恨少投入資源。因此，雖然從開(kāi)發(fā)日程來(lái)看，中國(guó)與國(guó)際上發(fā)達(dá)國(guó)家處于“同一起跑線上”，不過(guò)由于缺少大公司和整體產(chǎn)業(yè)水平偏低將決定了中國(guó)在燃料電池這個(gè)領(lǐng)域爭(zhēng)奪標(biāo)準(zhǔn)制高點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)中的“體質(zhì)贏弱”。所以，我國(guó)燃料電池研究與實(shí)際應(yīng)用在與國(guó)際同行競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)候均有相當(dāng)大的距離，必須加快追趕的步伐。
聲明：本信息內(nèi)容的真實(shí)性未經(jīng)電源在線網(wǎng)證實(shí)，僅供參考。
