面向便攜式設備的燃料電池應用及市場分析

    燃料電池概述

    雖然自上世紀 60 年代以來燃料電池就應用于諸如太空探索等特殊領域，但是成本和尺寸因素卻將其排除在眾多的商用產品之外。然而，自上世紀 90 年代起的諸多研究成果表明燃料電池成為主流技術的愿景已得到實現。本文講述了技術完善和市場驅動力的融合是如何使便攜式電子產品成為燃料電池首個潛在的規模市場。

    燃料電池是一種將燃料的化學能轉化為電能并以此驅動電子負載。與有限儲能的電池比較，只要有燃料供應燃料電池就能不斷地提供電能。已有許多工作在不同溫度和使用不同燃料的燃料電池問世，如氫、甲醇、乙醇和其他等類型的燃料電池。相對其他發電方式，燃料電池具有清潔、低噪和高效的特點，其系統的輸出功率范圍可以從幾瓦到上百萬瓦。這就使得燃料電池能適用于多種應用。

    甲醇燃料電池

    雖然氫燃料電池具有輸出功率高和輻射低的優點，但其最大的缺點是其低能量密度(每單位容量的儲能數量)。直接甲醇燃料電池(DMFC)也是一種燃料電池，它使用甲醇作為燃料。甲醇是一種低成本的液體，具有運輸和儲存方便的優點。因此，幾家公司已公開聲明了各自的DMFC開發計劃，從而加速了DMFC的商業化。基于這個原因，DMFC這種將被便攜式市場所采用的技術將是本文所要評述的。圖1所示的是一個通用類型的DMFC反應原理圖。

    潛在市場和技術

    采用燃料電池的三大主要市場如表1所示。

    影響因素

    各個市場中的采用情況可以利用以下六個因素進行分析，它們分別是：

    1.滿意度：終端用戶是否對使用現有技術感到滿意？

    2.市場驅動力：市場變化速度如何？

    3.成本與目標：在相同成本的基礎上，燃料電池與其他技術比較會怎樣？

    4.耐用性與目標：燃料電池具備應用所要求耐用性？

    5.監管環境：有監管障礙嗎？

    6.燃料基礎設施：是否已經存在？若不存在，該如何去開發？

                                    圖1：DMFC 工作原理

                                    表1：發電裝置市場情況。

    用戶滿意度

    使用該技術的終端用戶會否覺得不滿意呢？另外，如果新技術出現，OEM廠商能夠投放新產品嗎？如果能解決上述問題，那么這些因素將成為燃料電池改變現有市場格局的良好催化劑。在固定發電應用場合，多數用戶對燃料電池的電能效用的可靠性和品質似乎比較滿意。即使現有基礎設施中出現大規模改造，但這些效用本身通常是無需更改的。針對汽車應用，盡管多數汽車用戶意識到全球變暖的影響及飽受油價上漲之苦，但他們已習慣了汽油的模式；由于現在汽車能安全便捷地載他們到想去之地，因此他們并不特別急切地要使用燃料電池。這與便攜式設備市場對燃料電池的需求形成極大反差。

    預期需求(Run Time Gap)

    近幾年，用戶經歷了包括筆記本電腦、手機和MP3播放器在內的便攜設備的普及。OEM廠商在日漸小型化的產品中添加了更多功能，致使具備高能量密度的鋰電池越來越多地被使用。然而，由于鋰電池性能已接近極限，這就束縛了便攜式設備的規格。因此，OEM廠商不得不放緩新功能產品(如游戲機、高清顯示屏)的投市步伐。對眾多終端用戶而言，現有設備中鋰電池的運行時間都比期望的時間短很多，更不要說用戶渴望的更高端功能產品了。如果燃料電池能極大地超越現有電池性能，則現存這種預期需求將為燃料電池在便攜市場中的采用提供強有力的市場驅動力。

    市場驅動力

    在固定式發電領域，對基礎設施、發電設備以及用戶的高成本生產投資如熱水器和熔爐等進行改造或更換的步伐都是非常緩慢的，往往需要幾十年。在汽車市場，汽車制造商出于改造成本的考慮同樣會延續汽油模式，而其產品也同樣有相當長(5到10年)的使用年限。然而，在便攜式電子產品市場，產品的使用年限要短得多(6個月到2年)。假如燃料電池能輕易的取代鋰電池，則燃料電池的采用將會更便捷。另外，諸如筆記本電腦(約1億臺/年)和手機(約10億部/年)等龐大市場，也將為燃料電池產品的投放提供強大動力，即使只按10%這樣低的采用率來計算，也將有數千萬到上億臺的使用量。

    成本和目標

    在固定式發電市場，燃料電池產生每千瓦功率的成本是使用現有技術成本的5到10倍；在汽車市場，這個成本比例將上升至50到100倍。相反，如果大規模量產，可以預見燃料電池能在現有技術的成本范圍內實現；考慮到相對于現有技術，燃料電池有潛在的高性能，所以無論如何都可賣得一個更好的價格。

    耐用性和目標

    鑒于固定式發電和汽車電源市場分別要求發電設備具有高達8萬小時和2萬小時的使用年限，消費類電子產品的短使用年限則意味著針對電池組的典型要求會低于3千小時。假如目前燃料電池的使用年限已在這個范圍內，那么燃料電池可很輕易地滿足便攜式應用的需求。然而，在汽車和固定式應用領域，目前的燃料電池技術水平尚未滿足其使用年限的需求。

    監管環境

    就固定式燃料電池來說，很明顯是需要受到監管的。需要為發電機并網制定互連標準，而且可能需要針對火災、保險與建筑用途制定規范與標準。對于汽車應用，基于氫具有易爆特性以及各種陸地交通工具的廣泛使用，因此氫傳感器和氫儲存裝置需求的規范則會更復雜。

    便攜式燃料電池應用規范的制定正進展順利。2004年，聯合國針對燃料電池燃料盒投票表決通過了一項新的運送條例。 2006年，國際電工委員會(IEC)、國際民航組織(ICAO)和國際航空運輸協會(IATA)分別起草了允許在客機中搭載和使用便攜式燃料電池和燃料盒的新條例。預計在2007年底，不同便攜式燃料電池的條例將會在全球各種主要運輸方式中被采用。

    燃料基礎設施需求

    就固定式燃料電池而言，使用現有的運送液體和氣體燃料的基礎設施也能輕易地為新燃料電池的安裝提供服務。

    但是，就汽車應用來說，為經營其它類型燃料(例如氫)而去翻新加油站的成本卻是高昂的。而對于便攜式產品應用來說，主要的香煙打火機廠商和主要的電池制造商已在世界各地的零售點供配類似產品。就甲醇而言，通過現有網絡很容易就能為便攜燃料電池供應燃料盒。

市場采用得分卡

    將六點市場采用因素用下列方法記分并相加而成為一張得分卡：

得分：

1分：該因素將促進燃料電池的采用。

0分：該因素對燃料電池的采用具有不確定影響。

-1分：該因素將抑制燃料電池的采用。

本文小結

    通過DMFC這個受眾人推崇的便攜式燃料電池最為可行的技術之一的例子，我們可以通過考慮一系列可能加速或抑制市場采用的因素來分析燃料電池的潛在市場。如表2所歸納一樣，分析研究表明便攜式設備市場在中短期內定將展現燃料電池的大規模應用的希望。考慮到來自預期需求的強大市場推動、潛在的市場規模以及在耐用性和成本方面的技術的完善，可以預見不久的將來就會有商業化產品問世。

                           表2：燃料電池的市場采用狀況得分