燃料電池應(yīng)用分析

燃料電池應(yīng)用分析燃料電池應(yīng)用范圍燃料電池由于具有高效、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，能夠廣泛應(yīng)用于能源發(fā)電、家用電源、汽車工業(yè)、航空航天、建筑及便攜式燃料電池產(chǎn)品等領(lǐng)域。航天工業(yè)是燃料電池開(kāi)發(fā)應(yīng)用最早、最成功的領(lǐng)域。堿性燃料電池和質(zhì)子交換膜電池都可以在常溫下啟動(dòng)，且能量密度高，是理想的航天器工作電源。特別是采用氫作為原料時(shí)，工作時(shí)排出的水可供宇航員飲用，這樣就不用攜帶飲用水。燃料電池在建筑方面的應(yīng)用主要包括提供電能和提供冷熱源，因此稱建筑冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。即由位于建筑物現(xiàn)場(chǎng)或附近的燃料電池裝置提供建筑所需要的電，回收利用發(fā)電裝置產(chǎn)生的廢熱并轉(zhuǎn)換成蒸氣、熱水、冷水等，為建筑供熱、供冷。便攜式燃料電池產(chǎn)品主要包括手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等數(shù)碼產(chǎn)品需要的微型燃料電池。由于技術(shù)和成本尚不成熟，最近幾年微型燃料電池仍不會(huì)對(duì)以干電池和鋰電池為代表的主流電池構(gòu)成較大沖擊，但由于它具有清潔環(huán)保、性能優(yōu)越等優(yōu)勢(shì)，隨著研制技術(shù)的不斷提高，燃料電池也將朝著高容量和微型化方向發(fā)展，必將有著廣泛的應(yīng)用前景。能源發(fā)電、燃料電池汽車和便攜式燃料電池是燃料電池最重要的三個(gè)用途，相對(duì)而言燃料電池汽車和便攜式燃料電池發(fā)展較快，而能源發(fā)電則由于技術(shù)和成本因素在短時(shí)間內(nèi)難以推廣應(yīng)用，下面就這三個(gè)主要用途簡(jiǎn)要介紹。一、燃料電池發(fā)電（一）燃料電池發(fā)電系統(tǒng)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)通常由燃料處理系統(tǒng)、燃料電池電堆單元、直流電輸出調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及熱管理系統(tǒng)等組成。電池需要的燃料是H，因此，天然氣、CO、CH等燃料必須經(jīng)重整后才能使用。重整氣體（約含70%H，10%CO）進(jìn)入燃料極，空氣（約含20%O）由壓縮機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)送人空氣極。在電堆中進(jìn)行電池反應(yīng)，生成水并產(chǎn)生直流電。電池系統(tǒng)的電壓由構(gòu)成電堆的單電池?cái)?shù)量確定。輸出調(diào)節(jié)系統(tǒng)依據(jù)電池的用途將直流轉(zhuǎn)換成交流電或輸出直流電。在電池反應(yīng)過(guò)程中還放出熱量（其熱值與電池工作溫度相關(guān)），熱管理系統(tǒng)將熱量排出電堆外并予以利用。通常高溫排熱的利用途徑較多，低溫排熱的利用技術(shù)正在開(kāi)發(fā)研究中。反應(yīng)生成的水經(jīng)水處理裝置處理后可作為純凈水利用，或作為燃料重整反應(yīng)所需的反應(yīng)物。燃料電池發(fā)電系統(tǒng)組成示意圖（二）燃料電池發(fā)電與火力發(fā)電相比具有優(yōu)勢(shì)普遍認(rèn)為燃料電池發(fā)電是未來(lái)最有吸引力的發(fā)電方法之一。燃料電池發(fā)電是直接將燃料的化學(xué)能通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換成電能，與常規(guī)火力發(fā)電裝置比較，燃料電池具有發(fā)電效率高、污染小、占地小等突出優(yōu)點(diǎn)。燃料電池發(fā)電與常規(guī)火力發(fā)電比較燃料電池發(fā)電火力發(fā)電AFCPAFCMCFCSOFC煤天然氣重油效率/（%）45～6040～4545～6050～6036～3837～4138～40SO2排放量/（kg/mw·h）無(wú)無(wú)1.51.58.20.234.55NO2排放量/（kg/mw·h）無(wú)無(wú)0.040.043.21.83.2CH排放量/（kg/mw·h）無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)0.150.135~51.27粉塵排放量/（kg/mw·h）無(wú)無(wú)0.160.140.365～0.6800.090.045~0.320適用規(guī)模/（MW）獨(dú)立電源中型電站大、中型電站大、中型電站>100>100>100（三）燃料電池發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性燃料電池發(fā)電的投資成本正在不斷的降低，目前PEMFC的國(guó)外商業(yè)價(jià)格為1500美元/kW，PAFC的價(jià)格為3000美元/kW。燃料電池發(fā)電與常規(guī)的火電投資比較不能單考慮電源投資，還應(yīng)將長(zhǎng)距離輸電、配電投資與廠用電、輸電能耗和兩種能源轉(zhuǎn)換裝置的效率考慮在內(nèi)。如此來(lái)計(jì)算綜合投資，大型的火電廠約為1.3~1.5萬(wàn)元/kW。發(fā)電消耗的燃料為燃料電池的2倍以上，按目前國(guó)內(nèi)天然氣最低市價(jià)計(jì)算，當(dāng)發(fā)電時(shí)間超過(guò)70000h以后，用燃料電池發(fā)電將比用傳統(tǒng)的熱機(jī)發(fā)電更經(jīng)濟(jì)。在實(shí)際發(fā)電工程中還應(yīng)考慮傳統(tǒng)的熱機(jī)發(fā)電占地面積大、環(huán)境污染重的問(wèn)題。隨著燃料電池發(fā)電技術(shù)的不斷完善，造價(jià)將會(huì)不斷的降低，特別是在規(guī)?；a(chǎn)后，其造價(jià)將大幅度的下降，有理由相信，不久的將來(lái)這種發(fā)電方式會(huì)對(duì)傳統(tǒng)熱機(jī)發(fā)電構(gòu)成挑戰(zhàn)。將來(lái)的電網(wǎng)系統(tǒng)將是現(xiàn)有的大電廠和中小燃料電池共存的狀態(tài)。因?yàn)榇箅娋W(wǎng)有其優(yōu)越性的同時(shí)，也存在著缺點(diǎn)，如高電壓長(zhǎng)距離輸電將有6%~8%的損失。而分散的中小型燃料電池電站可以在許多地點(diǎn)建立，可以減少送電損失（輸氣能量損失一般僅為3%），同時(shí)能為電網(wǎng)調(diào)峰做出貢獻(xiàn)。中小型分散式電源將靈活地適應(yīng)季節(jié)性和地域性的電力需求變化。（四）發(fā)達(dá)國(guó)家燃料電池發(fā)電的進(jìn)展燃料電池發(fā)電技術(shù)是電力工業(yè)中的高新技術(shù)，已受到普遍重視。美國(guó)燃料電池發(fā)電技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)主要由美國(guó)能源部組織實(shí)施，其中一個(gè)重要的目的就是形成新的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，為美國(guó)的經(jīng)濟(jì)注入新的活力。日本的東京電力公司、關(guān)西電力公司及其它公用事業(yè)單位是日本燃料電池開(kāi)發(fā)及商業(yè)化的主要承擔(dān)者和推動(dòng)者，其目的也是為電力公司注入新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)以獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。以美國(guó)為例，1997年，美國(guó)總統(tǒng)克林頓頒發(fā)了“改善氣候行動(dòng)計(jì)劃”，燃料電池被確定為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，聯(lián)邦政府為此制定了一項(xiàng)“美國(guó)聯(lián)邦燃料電池發(fā)展計(jì)劃”，目的是通過(guò)燃料電池的商業(yè)化來(lái)減少溫室氣體排放量。在這項(xiàng)計(jì)劃中，對(duì)每一個(gè)燃料電池的新用戶資助1000美元/kW的優(yōu)惠。結(jié)果，僅在1998年，就有42臺(tái)200kWPAFC發(fā)電機(jī)組投入運(yùn)行。美國(guó)政府鼓勵(lì)在一些對(duì)環(huán)境敏感的地區(qū)建立燃料電池發(fā)電站。此外，政府已促使美國(guó)所有的軍事基地安裝200kW燃料電池發(fā)電機(jī)組。通過(guò)這些措施，加速燃料電池的商業(yè)化，并提高國(guó)家能源的安全性。美國(guó)政府投入巨資研究開(kāi)發(fā)燃料電池發(fā)電技術(shù)的另一個(gè)目的，就是要保持美國(guó)在這一領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。隨著商業(yè)化過(guò)程不斷深入，將逐步形成新的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，為美國(guó)的經(jīng)濟(jì)注入新的活力，提供更多的就業(yè)機(jī)會(huì)。美國(guó)能源部的燃料電池發(fā)展計(jì)劃如下：PAFC已商業(yè)化，不再投入資金進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。PAFC目前的發(fā)電效率為40％～45％(LHV)，熱電聯(lián)產(chǎn)的熱效率為80％(LHV)。2010年，燃用天然氣的250kW～200MWMCFC分散電源達(dá)到商業(yè)化，100MW以上MCFC的中心電站也進(jìn)入商業(yè)化；2020年，100MW以上燃煤MCFC中心發(fā)電站進(jìn)入商業(yè)化。MCFC技術(shù)目標(biāo)是運(yùn)行溫度為650℃，發(fā)電效率達(dá)到60％(LHV)，組成聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電效率為70％(LHV)，熱電聯(lián)產(chǎn)的熱效率達(dá)到85％(LHV)以上。目前已完成25kW和100kWSOFC現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，正在進(jìn)行SOFC的商業(yè)化設(shè)計(jì)。預(yù)計(jì)2010年，250kW～20MW燃用天然氣的SOFC以分布式電源形式進(jìn)入商業(yè)化，100MW以上燃用天然氣的SOFC以中心電站形式進(jìn)入商業(yè)化；2020年，100MW及以上容量的燃煤SOFC以中心電站的形式進(jìn)入商業(yè)化。SOFC技術(shù)目標(biāo)是：運(yùn)行溫度為1000℃，發(fā)電效率達(dá)到62％(LHV)，組成聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電效率達(dá)到72％(LHV)，熱電聯(lián)產(chǎn)的熱效率達(dá)到85％(LHV)以上，燃煤時(shí)發(fā)電效率可達(dá)到65％(LHV)，這一目標(biāo)預(yù)計(jì)2010年完成。美國(guó)能源部(DOE)對(duì)美國(guó)潛在的燃料電池市場(chǎng)的預(yù)測(cè)認(rèn)為：2010年，美國(guó)年需求燃料電池發(fā)電容量約2335～4075MW。現(xiàn)在美國(guó)的燃料電池年生產(chǎn)能力為60MW，商業(yè)化的價(jià)格為2000～3000美元/kW。若年生產(chǎn)能力達(dá)到100MW/a，商業(yè)化的價(jià)格可達(dá)到1000～1500美元/kW。若能達(dá)到2000～4000MW/a的生產(chǎn)能力，燃料電池的原材料費(fèi)僅200～300美元/kW。那么燃料電池的價(jià)格則有可能達(dá)到900～1100美元/kW，此時(shí)可完全與常規(guī)的發(fā)電方式競(jìng)爭(zhēng)。（五）我國(guó)燃料電池發(fā)電的進(jìn)展我國(guó)將燃料電池用于發(fā)電還處于研究階段，僅有試驗(yàn)裝置問(wèn)世，與美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家差距較大。2008年，我國(guó)首次完成大面積雙極板熔融碳酸鹽燃料電池堆發(fā)電試驗(yàn)。此項(xiàng)燃料電池發(fā)電技術(shù)研發(fā)課題由華能集團(tuán)公司所屬西安熱工研究院承擔(dān)，是華能集團(tuán)“綠色煤電”關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目中的一個(gè)子課題，其目標(biāo)是設(shè)計(jì)研發(fā)并建成２～５千瓦高溫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)和電池堆，內(nèi)容包括熔融碳酸鹽燃料電池的性能研究、燃料電池堆組裝技術(shù)研究、高溫燃料電池尾氣余熱利用等技術(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，西安熱工研究院自主設(shè)計(jì)的雙極板結(jié)構(gòu)合理，易于加工，能夠滿足５～１０千伏熔融碳酸鹽燃料電池堆的設(shè)計(jì)要求。課題組已完成５千瓦熔融碳酸鹽燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，正在進(jìn)行５千瓦熔融碳酸鹽燃料電池堆的研制工作。底，華南理工大學(xué)獨(dú)立研發(fā)的300kw質(zhì)子交換膜燃料電池示范電站啟用。該發(fā)電廠徹底顛覆傳統(tǒng)煤電模式，在熱和電都得到充分利用的情況下，能量利用率可達(dá)90%。示范電站可以實(shí)現(xiàn)24小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的電流直接輸送到學(xué)校的380V低壓電網(wǎng)上，滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)可滿足電站附近的豪華準(zhǔn)五星級(jí)酒店——華工國(guó)際學(xué)術(shù)中心正常運(yùn)營(yíng)。目前這一項(xiàng)目已得到華電、粵電的“青睞”，相關(guān)部門正在洽談在大學(xué)城建設(shè)一個(gè)6000-10000千瓦燃料電池發(fā)電廠。二、燃料電池汽車（一）燃料電池汽車的構(gòu)造燃料電池以其特有的燃料效率高、質(zhì)量能量大、功率大、供電時(shí)間長(zhǎng)、使用壽命長(zhǎng)、可靠性高、噪聲低及不產(chǎn)生有害排放物NO2等優(yōu)點(diǎn)正在引起世界各國(guó)的注意。與內(nèi)燃機(jī)汽車相比，氫燃料電池電動(dòng)汽車有害氣體的排放量減少99%，CO2的生成量減少75%，電池能量轉(zhuǎn)換效率約為內(nèi)燃機(jī)效率的2.5倍。這種電池將有可能成為繼內(nèi)燃機(jī)之后的汽車最佳動(dòng)力源之一。近年來(lái)一些廠家，如戴姆勒-克萊斯勒、豐田、通用、本田、日產(chǎn)、福特等公司都開(kāi)發(fā)了自己的燃料電池電動(dòng)汽車(FCEV)。汽車界人士認(rèn)為FCEV是汽車工業(yè)的一大革命，是21世紀(jì)真正的純綠色環(huán)保車，是最具實(shí)際意義的環(huán)保車種。燃料電池車的動(dòng)力系統(tǒng)與混和動(dòng)力車大體相似，主要由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、輔助動(dòng)力系統(tǒng)和電池組等部分構(gòu)成，其中輔助動(dòng)力為燃料電池。在車輛行駛之初，蓄電池處于電量飽滿狀態(tài)，其能量輸出可以滿足車輛要求，燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)不需要工作；電池電量低于60％時(shí)，燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)起動(dòng)；當(dāng)車輛能量需求較大時(shí)，燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)與蓄電池組同時(shí)為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供能量；當(dāng)車輛能量需求較小時(shí)，燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供能量的同時(shí)，還給蓄電池組進(jìn)行充電。燃料電池汽車構(gòu)造示意圖（二）燃料電池汽車的優(yōu)勢(shì)1、發(fā)電效率很高燃料電池采用化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換電能的發(fā)電方式，而火力發(fā)電是將煤炭、石油燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換成為動(dòng)能，然后再將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，使發(fā)電效率大打折扣。如：石油發(fā)電的綜合能源利用效率不過(guò)35.3%，而氫燃料電池的最大發(fā)電效率可達(dá)82.9%，相當(dāng)于石油發(fā)電效率的2.35倍。2、無(wú)送電損失燃料電池可在汽車上將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，現(xiàn)場(chǎng)直接發(fā)電并向用電設(shè)備直接傳送，所以不存在送電損失問(wèn)題。而火力發(fā)電的遠(yuǎn)距離送變電損失則高達(dá)6%左右。3、環(huán)境負(fù)荷小燃料電池的燃料是氫和氧，生成物是清潔的水，本身工作不產(chǎn)生一氧化碳和二氧化碳，也沒(méi)有硫和微粒排出。因此，氫燃料電池汽車是真正意義上的零排放、零污染的車，氫燃料是完美的汽車能源。4、燃料類型廣泛燃料電池發(fā)電時(shí)所用的燃料是氫和氧，其中氧可以從空氣中直接獲取，實(shí)際工作時(shí)所需燃料只有氫。制取氫所使用的燃料則是多樣化的，如：天然氣、甲醇、乙醇(酒精)、石油和煤炭等化石燃料。通過(guò)再生能源制氫（電解水制氫、太陽(yáng)能電解制氫、生物制氫）形成循環(huán)利用系統(tǒng)，這種循環(huán)系統(tǒng)特別適用于邊遠(yuǎn)地區(qū)，使系統(tǒng)建設(shè)成本和運(yùn)行成本降低。由此可以降低人類對(duì)石油的依賴性，符合應(yīng)對(duì)石油匱乏的全球能源戰(zhàn)略。5、經(jīng)濟(jì)性好試驗(yàn)表明，氫燃料電池車輛的能耗經(jīng)濟(jì)性可達(dá)到傳統(tǒng)汽油車的2~3倍，從節(jié)約能源的角度來(lái)看，燃料電池汽車明顯優(yōu)于用內(nèi)燃機(jī)的普通汽車。（三）發(fā)達(dá)國(guó)家燃料電池汽車發(fā)展概況20世紀(jì)60年代和70年代，美國(guó)首先將燃料電池用于航天，作為航天飛機(jī)的主要電源。此后，美國(guó)等西方各國(guó)將燃料電池的研究轉(zhuǎn)向民用發(fā)電和作為汽車、潛艇等的動(dòng)力源。世界各著名汽車公司相繼投入較多的人力和物力，開(kāi)展燃料電池電動(dòng)汽車的開(kāi)發(fā)研究。在北美，各大汽車公司加入了美國(guó)政府支持的國(guó)際燃料電池聯(lián)盟，各公司分別承擔(dān)相應(yīng)的任務(wù)，生產(chǎn)以新的燃料電池作動(dòng)力的汽車。美國(guó)通用汽車公司在美國(guó)能源部的資助下，推出了以質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC，也稱為離子交換膜燃料電池或固體高聚合物電解質(zhì)燃料電池)和蓄電池并用提供動(dòng)力的轎車。美國(guó)福特汽車公司現(xiàn)已研制出從汽油中提取氫的新型燃料電池，其燃料效率比內(nèi)燃機(jī)提高1倍，而產(chǎn)生的污染則只有內(nèi)燃機(jī)的5%。加拿大巴拉德(Ballard)汽車公司是PEMFC燃料電池技術(shù)領(lǐng)域中的世界先驅(qū)公司，自1983年以來(lái)，Ballard公司一直從事開(kāi)發(fā)和制造燃料電池。1992年巴拉德公司在政府的支持下，為運(yùn)輸車研制了88kM的PEMFC動(dòng)力系統(tǒng)，以PEMFC為動(dòng)力做試驗(yàn)車進(jìn)行演示。1993年巴拉德公司推出了世界上第一輛運(yùn)用燃料電池的電動(dòng)公共汽車樣車，裝備105kW級(jí)PEMFC燃料電池組，能載客20人，對(duì)于一般城市公共汽車，采用碳吸附系統(tǒng)儲(chǔ)備氣態(tài)H2即可連續(xù)運(yùn)行480km。目前，Ballard燃料電池的體積功率已達(dá)到1kW/L的目標(biāo)。在日本燃料電池系統(tǒng)發(fā)展中豐田公司處于領(lǐng)先地位。豐田的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到傳統(tǒng)汽油機(jī)2.5倍的燃料電池，且能和現(xiàn)用的汽(柴)油汽車一樣方便地添加燃料。日本還在1981年開(kāi)發(fā)了熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)，隨后又研制了磷酸燃料電池(PAFC)，1992年又開(kāi)發(fā)了比功率高、工作溫度低、結(jié)構(gòu)緊湊和安全可靠的PEMFC。在歐洲燃料電池的開(kāi)發(fā)中德國(guó)的西門子和意大利的DeNo公司處于領(lǐng)先水平。德國(guó)奔馳公司和西門子公司合作于1996年推出了裝有PEMFC的NECARll小客車。法國(guó)也開(kāi)發(fā)出使用“運(yùn)程”燃料電池的電動(dòng)汽車“Fever”，它以低溫儲(chǔ)存的氫和空氣作燃料，發(fā)電功率達(dá)20kW，電壓為90V，且采用先進(jìn)的電子控制系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行控制，并把制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量?jī)?chǔ)存在蓄電池里，以備汽車起動(dòng)或加速時(shí)使用。（四）我國(guó)燃料電池汽車發(fā)展概況在我國(guó)，燃料電池汽車是“十五”期間全國(guó)12個(gè)重大研究專項(xiàng)之一。其中，質(zhì)子膜關(guān)鍵技術(shù)被列為山東省第一號(hào)科技攻關(guān)項(xiàng)目，取得了重大突破。遼寧新源動(dòng)力股份有限公司承接國(guó)家“863”重大科研項(xiàng)目，研制了200kW、110kW、60kW、30kW、10kW、5kW燃料電池系統(tǒng)、燃料電池電站、便攜式電源等產(chǎn)品。在“十一五”期間，我國(guó)繼續(xù)加大對(duì)燃料電池汽車的研發(fā)投入，推動(dòng)核心技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。由清華大學(xué)和北京富源新技術(shù)開(kāi)發(fā)總公司聯(lián)合研制的我國(guó)第一輛質(zhì)子交換膜燃料電池電動(dòng)旅游觀光車，展示了國(guó)內(nèi)研制電動(dòng)車的最新技術(shù)。與汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)發(fā)展新能源汽車雖然起步不晚，但國(guó)內(nèi)汽車企業(yè)關(guān)鍵技術(shù)并不先進(jìn)，存在核心技術(shù)“卡殼”的瓶頸，使國(guó)產(chǎn)燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化面臨諸多挑戰(zhàn)。（五）燃料電池汽車發(fā)展趨勢(shì)由于燃料電池汽車，尤其氫燃料電池汽車可以實(shí)現(xiàn)零污染排放，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)幾乎無(wú)噪音，且氫能取之不盡、用之不竭，使燃料電池汽車成為近年來(lái)汽車企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。為了獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，各國(guó)紛紛出臺(tái)政策，加速推進(jìn)燃料電池關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)。預(yù)計(jì)到2010年，世界燃料電池汽車將發(fā)展到4萬(wàn)輛，其市場(chǎng)構(gòu)成比例分別為：歐洲占40.5%，美國(guó)占38.0%，日本約占20.3%。從技術(shù)方面看，燃料電池的小型化、續(xù)航能力的提高、低溫啟動(dòng)性、耐久性、氫燃料的回收以及降低成本將成為未來(lái)燃料電車汽車生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的方向。（1）燃料電池組的小型化對(duì)增大汽車的有效利用空間意義重大，是整車制造企業(yè)優(yōu)先考慮的課題，也是汽車用戶普遍關(guān)心的問(wèn)題。影響燃料電池體積的技術(shù)指是“輸出功率密度/體積（W/L）”。日本規(guī)定輸出功率密度與體積之比達(dá)到2kW/L這一水平才能認(rèn)定為小型化。（2）續(xù)駛里程。氫燃料電池汽車與純電動(dòng)汽車同樣面臨續(xù)航能力的課題，目標(biāo)是使其具有象傳統(tǒng)燃油汽車那樣的便利性。國(guó)外最近成功研發(fā)了具有代表性的70MPa車載氫貯存裝置，一次加注氫燃料后的續(xù)駛里程可達(dá)到830km。這標(biāo)志著燃料電池汽車的續(xù)駛里程能夠隨著燃料電池汽車的發(fā)展同步提高。（3）低溫啟動(dòng)性氫燃料。汽車的低溫啟動(dòng)性能限制了汽車的應(yīng)用范圍，一直作為一個(gè)技術(shù)難題受到行業(yè)關(guān)注，并持續(xù)進(jìn)行全力破解?？上驳氖?，目前國(guó)外已有少數(shù)企業(yè)突破了這一技術(shù)瓶頸，號(hào)稱可在-30℃寒冷環(huán)境下的低溫啟動(dòng)，并已經(jīng)通過(guò)了試驗(yàn)與驗(yàn)證，但-40℃的低溫啟動(dòng)目標(biāo)尚未突破。（4）耐久性。燃料電池汽車的耐久性集中在燃料電池上。日本豐田汽車公司發(fā)表了燃料電池的膜-電極接合體（MEA：MembraneElectrodeAssembly）4階段耐久性改善計(jì)劃，在系統(tǒng)泄漏、觸媒電極退化導(dǎo)致的電壓下降等關(guān)鍵材料和技術(shù)方面分階段提高，使系統(tǒng)的耐久性大幅改善。技術(shù)目標(biāo)為：燃料電池系統(tǒng)性能下降至30%時(shí)的壽命提高至25年；系統(tǒng)性能下降至10%的壽命提高至15年。在防止燃料交叉泄漏方面也將實(shí)現(xiàn)突破性改善。影響燃料電池材料（MEA）使用壽命和性能的一個(gè)重要的關(guān)聯(lián)要素是氫燃料的純度。目前國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定氫純度為99.99%，并且對(duì)CO和硫磺成分的混入量提出了嚴(yán)格限制標(biāo)準(zhǔn)。上述不良成分對(duì)燃料電池的影響極大，然而高純度氫的制取與氫生產(chǎn)成本互為矛盾，需要二者合理兼顧。所以，在氫燃料達(dá)標(biāo)范圍內(nèi)提高燃料電池的使用壽命，便成了永久的課題。（5）氫燃料的回收。從降低氫燃料消耗的理念出發(fā)，燃料電池排出口的氫燃料回收再利用技術(shù)同樣引起重視。為此，在氫燃料中保有適量非活性的氦氣，也是氫燃料制取中需要考慮的課題。（6）降低成本。成本是推廣燃料電池汽車的最大障礙。在取得電池組小型化、提高續(xù)駛里程、改善低溫起動(dòng)性能、滿足耐久性使用要求的前提下，降低成本、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和商品化成為必須實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)續(xù)駛里程830km的目標(biāo)，將貯氫罐的耐壓能力由35MPa提高到70MPa，采用碳纖維材料制作耐高壓貯氫罐將使成本大幅增加。除此之外，降低燃料電池的外圍設(shè)備的成本也不可忽視。比如，研制高溫、低溫?zé)o需加濕條件也可運(yùn)轉(zhuǎn)的電池組；實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)、加濕裝置等外圍設(shè)備的簡(jiǎn)單化、低成本化等。日本提出，到2030年使燃料電池成本降低至目前的1/100；整車售價(jià)由目前的數(shù)千萬(wàn)日元降低到數(shù)百萬(wàn)日元。到2020年，使燃料電池汽車的售價(jià)與普通汽車價(jià)格相當(dāng)。通過(guò)以上分析可以看出，以氫為動(dòng)力的燃料電池汽車是最理想的新能源汽車，但面臨的技術(shù)門檻和經(jīng)濟(jì)性障礙仍需要一定的時(shí)間才能逐一攻破。從目前的研發(fā)水平看來(lái)，世界級(jí)的領(lǐng)先企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)取得了研制新一代燃料電池汽車的技術(shù)途徑，核心技術(shù)則聚焦在降低成本和提高壽命上，這些問(wèn)題一旦得到解決，燃料電池汽車即可“破繭成蝶”，燃料電池公交車也將同時(shí)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。三、便攜式燃料電池（一）國(guó)外便攜式燃料電池發(fā)展概況直接甲醇燃料電池（DMFC）適合用作便攜式燃料電池。DMFC屬于PEMFC，都是采用聚合物阻隔膜，但是DMFC以液態(tài)甲醇為燃料，與氫燃料電池相比，DMFC在電池系統(tǒng)構(gòu)造、燃料來(lái)源等諸多方面均有一定的優(yōu)勢(shì)。其陽(yáng)極催化劑可以直接從液態(tài)甲醇中提取氫分子無(wú)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(shí)還能有效減少電池的尺寸，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，因而更適合作為便攜式電源用于民用工業(yè)和軍事工業(yè)中，如可用于數(shù)碼相機(jī)、移動(dòng)電話、筆記本電腦中。DMFC盡管起步較晚，但近幾年來(lái)發(fā)展迅速，日本仍處于領(lǐng)先地位。NEC、索尼、富士通、卡西歐、東芝、日立等廠家展開(kāi)了激烈競(jìng)爭(zhēng)。2003年3月，東芝公司宣布研制出世界上第一臺(tái)甲醇燃料電池筆記本電腦樣機(jī)。緊隨其后NEC公司推出一款甲醇微燃料電池筆記本電腦樣機(jī)。這種電腦在不充電情況下可以持續(xù)使用，用戶只需更換甲醇燃料盒或用新的甲醇燃料填充即可向電腦持續(xù)供電。該機(jī)總重約900g、燃料容量為300mL的樣機(jī)，連續(xù)工作5小時(shí)，最大輸出功率達(dá)24W，輸出電壓為12V。最近東芝公司又展示了其最新DMFC的研究成果，在2008年國(guó)際消費(fèi)電子展上，展示了集成到東芝一款gigabeat便攜媒體播放器中的DMFC的參考模型，體現(xiàn)了東芝在DMFC方面的全球領(lǐng)先地位。DMFC原型一次充電可以在gigabeat上播放長(zhǎng)達(dá)10小時(shí)的視頻，并可在運(yùn)行時(shí)補(bǔ)充燃料實(shí)現(xiàn)無(wú)限時(shí)設(shè)備運(yùn)行。富士通研究所也試制出用于筆記本電腦的燃料電池，此次推出的試制品優(yōu)勢(shì)在于有希望使用高濃度甲醇溶液，該燃料電池最大輸出功率15W，在使用300mL的甲醇溶液時(shí)，可驅(qū)動(dòng)該公司筆記本電腦運(yùn)行8~10小時(shí)。韓國(guó)在研究適用于便攜產(chǎn)品的DMFC工作上也投入了大量的人力物力。三星公司于2006年12月展示了一臺(tái)用DMFC供電的筆記本電腦樣機(jī)，在一次性注入燃料后可實(shí)現(xiàn)持續(xù)工作1個(gè)月而不需充電。西方一些發(fā)達(dá)國(guó)家也在微型DMFC的理論研究和應(yīng)用方面進(jìn)行了卓有成效的工作。如德國(guó)的西門子公司，在1996年就報(bào)道了其在DMFC方面的研究，隨后在1999年又做成了在低溫低壓下工作的DMFC電池，80℃時(shí)單電池電壓仍是0.5V，輸出功率達(dá)到50mV/cm2，并組成了輸出功率達(dá)77W的電池組。德國(guó)SmartFuelCell公司于2003年8月推出了世界上第一個(gè)面向終端用戶的商業(yè)化DMFC系統(tǒng)SFCA25，其平均輸出功率25W，最大輸出功率可達(dá)80W，尺寸為150mm×112mm×65mm，質(zhì)量1.1kg。它攜帶的2.5L甲醇燃料罐可以滿足系統(tǒng)在全功率下工作70~80h。美國(guó)的洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LosAlamosNationalLaboratory，LANL)、加利福尼亞工學(xué)院噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JetPropulsionLaboratory;JPL)也在積極從事DMFC的研究工作。富士通采用DFMC作燃料電池的筆記本電腦日立的PDA和使用的燃料電池（二）國(guó)內(nèi)便攜式燃料電池發(fā)展概況我國(guó)在DMFC研究方