下一代電池技術燃料電池
2006/5/22 15:13:27 電源在線網
隨著自然資源的日益缺乏和人們環保意識的提高，當今燃料電池的研制得到了更多的重視和快速發展，燃料電池是一種直接將化學能高效、環境友好地轉變為電能的電化學器件，是一種綠色能源，可同時解決節能和環保兩大世界難題，因此西方各個國家諸如日本、美國及歐洲等都有燃料電池方面的研究和開發計劃，我國也在加快燃料電池的研究進程，燃料電池發展到今天已經有近200年的歷史，其中真正得到世界的廣泛關注是在20世紀50年代，距離今天也不過50年左右，但是燃料電池的技術發展卻是突飛猛進的。
1.電源缺口呼喚新的電源技術
便攜電子產品在全球普及、其產品外型的日趨短小輕便以及功能的日漸復雜給電池帶來了新的挑戰，另外除了筆記本電腦、手機和數碼相機以外，其它產品領域也存在類似的電源供應缺口。現有充電電池技術雖已成熟，但鋰離子充電電池的容量沒有太大的改進空間（每年小于5%），在滿足日益增長的電能需求時將倍感吃力。但是預計在今后的幾年里面，現有的電池技術將無法滿足便攜電子產品日漸增長的能耗需求，新型電源技術和產品將存在著巨大的市場空間和機會。
人們的移動性比以前更大，進而擴大了上述電源缺口。筆記本電腦是增長最快的電腦領域，預計2006年出貨量將超過5000萬個。廣泛采用WiFi技術實際上已經砍掉了以太網的束縛，而用戶最后希望去掉的將是通向AC電源的連接線，這更加促進了新的電池技術的發展。
2.燃料電池的發展現狀
由于具有能量轉換效率高，潔凈、無污染、模塊結構性強等優勢，燃料電池成為業界關注的對象，為適應緊接而來的電源需求革命，燃料電池成為實力強勁的預備選手。早在1839年，英國科學家W·Grove就提出了氫氧反應發電的原理，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，也各自存在不同的技術障礙和發展方向，但是作為燃料電池的成員他們又有著相同的共性，為此，結合各類型電池特點，總結了燃料電池在研究和開發所應該集中的幾個方面。
電解質膜：只允許H＋通過，而不允許未分解的燃料滲透過去。因此，對電解質膜的研究就包括提高電解質膜的質子傳導率，減小氣體等其它燃料滲入量，增強氧化還原和水解的穩定性，提高機械強度和熱穩定性，改善表面性質以適于與催化劑結合等。此外，還要降低成本，提高性價比。
電極：因燃料電池電極大多為氣體電極過程，必須用特殊的電極結構-多孔的氣體擴散電極，以提高電池的比功率。
燃料：對燃料的研究主要是燃料選擇的問題。目前，在燃料電池應用中，主要使用H2和CH3 OH。對替換燃料的研究，將可以使燃料電池的發展更加具有可持續性。
系統結構：系統結構是燃料電池的最終結果。由于小型燃料電池或微燃料電池將與集成電路一起使用，因此系統結構的發展受到限制。如何對燃料電池進行高密度裝配，實現在便攜式電子設備中應用燃料電池，成為研究方向之一。
電催化劑：一個燃料電池系統，必須獲得高效率和高比能量。要獲得高效率和高比能量，就必須提高氣態燃料和氧化劑在電極過程中的反應活性，即研究和發展高效催化劑。目前，利用其它價格低廉的、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展，不過燃料電池在商用化方面仍然存在著一些阻礙。首先，燃料電池工作時都產生水和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副產物是一個非常麻煩的問題；其次雖然燃料電池“堆疊”中每個單元理論電壓應該是1.24V，但是基于傳統質子交換膜（PEM）的DMFC只能達到上述水平的30%左右，如何提高燃料電池的功率密度又是另外一個阻礙燃料電池商用化的一個難題；最后如果真正要進行商業化的話，由于牽涉化學試劑則燃料盒的包裝是否安全、產品尺寸外型設計有何要求、燃料盒是否容易獲得、成本是否足夠合適、OEM廠商的產品對燃料電池系統的支持度如何等等這些問題都需要考慮，當然這其中牽涉了包括化工原料、系統設計、行銷渠道等非常多行業的合作，但是作為電池生產廠家，前面提到的第一跟第二個因素仍是阻礙燃料電池商用的技術難題。
4.燃料電池的應用現狀
市場總是推動產業發展的一個重要因素。一個聰明的市場定位將會有助于推動產業的發展并能給市場創造增長基礎。
早期的產業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、PDA及筆記本電腦的電池提供能量。這些已經在2004年面世。不過由于最初的時候尺寸龐大，而且能量密度有限，這些產品也只能算是概念型產品。真正的贏家將是成功地把燃料電池整合進產品內部進行商業化推廣的廠商。
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裝油一樣，從注油口注入燃料補充電力，以供長期使用。手機有了它，便可以使用1個月以上，電腦則可連續使用幾天也不在話下。
摩托羅拉及阿拉摩斯（Los Alamos）國家實驗室聯合開發了一種微型的燃料電池。預計這種電池終有一天可望取代目前使用的傳統電池，用于各種各樣的電子產品作電源、包括手機、筆記本電腦、手持式照相機、以及電子游戲機等，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品內。電池的能量密度超過傳統充電電池的10倍。
目前日本在微型燃料電池的開發方面處于領先地位，美國則主要在車用燃料電池的開發上面具有優勢。今日，由日本經濟產業省提議豐田汽車、松下電器、東京煤氣、三洋電機等在燃料電池開發方面有實力的企業聯合組建燃料電池開發公司；美國通用汽車公司和德國寶馬汽車公司也結成了燃料電池汽車開發聯盟；我國則由中科院大連物理研究所聯合新大洲等幾家企業組建新源動力燃料電池開發公司。據稱，國際電工學會IEEC已經開始組織和實施燃料電池的國際化標準的建立，新源動力方面也派出了技術代表對標準的撰寫和修訂提出中國專家的意見。
我國早在50年代就開展燃料電池方面的研究。中國科學院長春應用化學研究所、大連化學物理所和天津電子部十八所是我國開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象。90年代初的應用產品面比較廣，長春應用化學研究所、清華大學、復旦大學等單位開展了PEMFC的研究，大連化物所、長春應化所、上海交大等開展了MCFC的研究，上海硅酸鹽所、北京化工冶金所、中科大、清華大學等開展了SOFC研究，大連化物所還開展了生物電池的研究。
從中國燃料電池的發展歷程來看，國內燃料電池項目主要還是由國家組織和投資，在高校和研究所進行開發，缺少強而有力的大公司推進，企業恨少投入資源。因此，雖然從開發日程來看，中國與國際上發達國家處于“同一起跑線上”，不過由于缺少大公司和整體產業水平偏低將決定了中國在燃料電池這個領域爭奪標準制高點的競爭中的“體質贏弱”。所以，我國燃料電池研究與實際應用在與國際同行競爭的時候均有相當大的距離，必須加快追趕的步伐。
1.電源缺口呼喚新的電源技術
便攜電子產品在全球普及、其產品外型的日趨短小輕便以及功能的日漸復雜給電池帶來了新的挑戰，另外除了筆記本電腦、手機和數碼相機以外，其它產品領域也存在類似的電源供應缺口。現有充電電池技術雖已成熟，但鋰離子充電電池的容量沒有太大的改進空間（每年小于5%），在滿足日益增長的電能需求時將倍感吃力。但是預計在今后的幾年里面，現有的電池技術將無法滿足便攜電子產品日漸增長的能耗需求，新型電源技術和產品將存在著巨大的市場空間和機會。
人們的移動性比以前更大，進而擴大了上述電源缺口。筆記本電腦是增長最快的電腦領域，預計2006年出貨量將超過5000萬個。廣泛采用WiFi技術實際上已經砍掉了以太網的束縛，而用戶最后希望去掉的將是通向AC電源的連接線，這更加促進了新的電池技術的發展。
2.燃料電池的發展現狀
由于具有能量轉換效率高，潔凈、無污染、模塊結構性強等優勢，燃料電池成為業界關注的對象，為適應緊接而來的電源需求革命，燃料電池成為實力強勁的預備選手。早在1839年，英國科學家W·Grove就提出了氫氧反應發電的原理，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，也各自存在不同的技術障礙和發展方向，但是作為燃料電池的成員他們又有著相同的共性，為此，結合各類型電池特點，總結了燃料電池在研究和開發所應該集中的幾個方面。
電解質膜：只允許H＋通過，而不允許未分解的燃料滲透過去。因此，對電解質膜的研究就包括提高電解質膜的質子傳導率，減小氣體等其它燃料滲入量，增強氧化還原和水解的穩定性，提高機械強度和熱穩定性，改善表面性質以適于與催化劑結合等。此外，還要降低成本，提高性價比。
電極：因燃料電池電極大多為氣體電極過程，必須用特殊的電極結構-多孔的氣體擴散電極，以提高電池的比功率。
燃料：對燃料的研究主要是燃料選擇的問題。目前，在燃料電池應用中，主要使用H2和CH3 OH。對替換燃料的研究，將可以使燃料電池的發展更加具有可持續性。
系統結構：系統結構是燃料電池的最終結果。由于小型燃料電池或微燃料電池將與集成電路一起使用，因此系統結構的發展受到限制。如何對燃料電池進行高密度裝配，實現在便攜式電子設備中應用燃料電池，成為研究方向之一。
電催化劑：一個燃料電池系統，必須獲得高效率和高比能量。要獲得高效率和高比能量，就必須提高氣態燃料和氧化劑在電極過程中的反應活性，即研究和發展高效催化劑。目前，利用其它價格低廉的、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展，不過燃料電池在商用化方面仍然存在著一些阻礙。首先，燃料電池工作時都產生水和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副產物是一個非常麻煩的問題；其次雖然燃料電池“堆疊”中每個單元理論電壓應該是1.24V，但是基于傳統質子交換膜（PEM）的DMFC只能達到上述水平的30%左右，如何提高燃料電池的功率密度又是另外一個阻礙燃料電池商用化的一個難題；最后如果真正要進行商業化的話，由于牽涉化學試劑則燃料盒的包裝是否安全、產品尺寸外型設計有何要求、燃料盒是否容易獲得、成本是否足夠合適、OEM廠商的產品對燃料電池系統的支持度如何等等這些問題都需要考慮，當然這其中牽涉了包括化工原料、系統設計、行銷渠道等非常多行業的合作，但是作為電池生產廠家，前面提到的第一跟第二個因素仍是阻礙燃料電池商用的技術難題。
4.燃料電池的應用現狀
市場總是推動產業發展的一個重要因素。一個聰明的市場定位將會有助于推動產業的發展并能給市場創造增長基礎。
早期的產業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、PDA及筆記本電腦的電池提供能量。這些已經在2004年面世。不過由于最初的時候尺寸龐大，而且能量密度有限，這些產品也只能算是概念型產品。真正的贏家將是成功地把燃料電池整合進產品內部進行商業化推廣的廠商。
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裝油一樣，從注油口注入燃料補充電力，以供長期使用。手機有了它，便可以使用1個月以上，電腦則可連續使用幾天也不在話下。
摩托羅拉及阿拉摩斯（Los Alamos）國家實驗室聯合開發了一種微型的燃料電池。預計這種電池終有一天可望取代目前使用的傳統電池，用于各種各樣的電子產品作電源、包括手機、筆記本電腦、手持式照相機、以及電子游戲機等，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品內。電池的能量密度超過傳統充電電池的10倍。
目前日本在微型燃料電池的開發方面處于領先地位，美國則主要在車用燃料電池的開發上面具有優勢。今日，由日本經濟產業省提議豐田汽車、松下電器、東京煤氣、三洋電機等在燃料電池開發方面有實力的企業聯合組建燃料電池開發公司；美國通用汽車公司和德國寶馬汽車公司也結成了燃料電池汽車開發聯盟；我國則由中科院大連物理研究所聯合新大洲等幾家企業組建新源動力燃料電池開發公司。據稱，國際電工學會IEEC已經開始組織和實施燃料電池的國際化標準的建立，新源動力方面也派出了技術代表對標準的撰寫和修訂提出中國專家的意見。
我國早在50年代就開展燃料電池方面的研究。中國科學院長春應用化學研究所、大連化學物理所和天津電子部十八所是我國開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象。90年代初的應用產品面比較廣，長春應用化學研究所、清華大學、復旦大學等單位開展了PEMFC的研究，大連化物所、長春應化所、上海交大等開展了MCFC的研究，上海硅酸鹽所、北京化工冶金所、中科大、清華大學等開展了SOFC研究，大連化物所還開展了生物電池的研究。
從中國燃料電池的發展歷程來看，國內燃料電池項目主要還是由國家組織和投資，在高校和研究所進行開發，缺少強而有力的大公司推進，企業恨少投入資源。因此，雖然從開發日程來看，中國與國際上發達國家處于“同一起跑線上”，不過由于缺少大公司和整體產業水平偏低將決定了中國在燃料電池這個領域爭奪標準制高點的競爭中的“體質贏弱”。所以，我國燃料電池研究與實際應用在與國際同行競爭的時候均有相當大的距離，必須加快追趕的步伐。
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