逐漸商業化的燃料電池正以多樣化展示他的魅力

    鋰電世界  在20年代70年代氫經濟浪潮的推動下，燃料電池的研發進入了一個高潮，而今的燃料電池技術正在逐漸接近商業化，可利用的燃料種類也不再局限于氫氣，合成氣、天然氣，甚至生物質和煤炭也都能夠通過燃料電池直接發電。目前，多種多樣的燃料電池正在逐步的改善人們的生活方式和電力發展模式，正在眾多領域中大展身手。

    “排頭兵”：質子交換膜燃料電池

    目前商業化推廣最為廣泛的當屬質子交換膜燃料電池（PEMFC）。PEMFC作為一種低溫燃料電池，可以工作在常溫下，啟動速度小于1分鐘。2014年12月，日本面向本土市場推出的首款量產的燃料電池車MIRAI便是采用的PEMFC。事實上，燃料電池已經不是燃料電池車商業化的瓶頸，關鍵問題在于加氫站的建設。PEMFC對氫氣的純度要求高達99.999%，而且氫氣難以儲存，為此建設加氫站的成本要遠遠高于建設充電樁。但是，在一些特殊場合，并不需要數量巨大的加氫站，美國Plug Power公司采用PEMFC作為叉車的電源，成功地解決室內內燃機動力污染、噪音的問題，為此燃料電池叉車受到沃爾瑪等公司的熱烈歡迎。

    最近，PEMFC在移動電源領域也開始嶄露頭角，在美國和歐美已經推出了產品級的燃料電池移動電源，通過更換燃料盒的方式來為筆記本電腦、手機等移動設備充電，雖然目前價格較鋰離子電池移動電源高出不少（大約10倍），但在一些特殊場合（登山運動、野外生存），燃料電池移動電源的續航能力及環保特性已經能夠讓其占有相關的市場。

    還有一個不容忽視的領域——PEMFC備用電源。PEMFC不僅啟動速度快，保存時間大于10年，而且單次續航能力僅僅取決與燃料電池罐的大小，可以輕松達到24小時，甚至一周的時間，能夠大大的保障電力的供應,在數據中心、通信基站等領域的需求非常大。

    “大塊頭”：熔融碳酸鹽燃料電池

    熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）是一種高溫燃料電池，采用熔融的碳酸鹽作為電解質，工作溫度高達650～750攝氏度。與低溫燃料電池相比，高溫燃料電池催化劑的選擇范圍增大了，可以采用鎳等非貴金屬催化劑，而且燃料的選擇范圍也增大了，不僅可以吃“細糧”氫氣，還可以吃“粗糧”天然氣、合成氣等碳氫燃料。也正是因為這個特點，MCFC在分布式發電領域和小型固定式發電領域中有了更強的競爭力。目前，熔融碳酸鹽燃料電池的單電池面積可以做到一平方米，單個電池堆可以做到300千瓦，系統的發電效率可達47%。

    熔融碳酸鹽燃料電池2013年的裝機容量總量超過90兆瓦，占燃料電池總裝機容量的42.8%，是產量最大的燃料電池。MCFC的主要生產商是美國Fuel Cell Energy公司，截至2015年2月，該公司的燃料電池發電量已經達到33.1億千瓦時。MCFC是一種可靠地分布式發電系統，已有的應用領域包括大學、醫院、工廠等。由于MCFC工作在高溫下，MCFC啟動時間較長，一般情況下MCFC發電系統會連續的發電，這樣MCFC分布式發電系統的發電系統與已有的電網組成了兩套電力供應管線，從而能夠大大的提高醫院等用戶的電力安全系數。

    在固定電站領域，MCFC能夠達到兆瓦級的發電站，目前韓國正在建設世界上最大的燃料電池電站，發電功率達到360兆瓦。雖然燃料電池固定電站的發電功率與已有的火力發電廠（可達1000兆瓦）相比有較大的差距，但事實上，燃料電池發電站與火電廠的之間并非競爭關系，而是對現代大型火電廠的補充。傳統的火力發電廠的發電效率是隨著裝機容量和蒸汽參數的增大而增大，因而人們在不斷的設計大容量高參數的發電站，而且火力發電站的發電效率是滿負荷的時候最高。而對于燃料電池，發電效率不受容量的限制，而且在低負荷的工況下發電效率可以更高。從而，燃料電池彌補了傳統火力發電站在變負荷、低容量時效率低的不足。值得一提的是，MCFC能夠與煤氣化系統相結合構建整體煤氣化燃料電池發電系統（IGFC）,能夠實現煤炭的清潔高效發電，美國已建成2兆瓦的IGFC示范電站，在燃料電池固定式發電領域走在了前端。

    “小鮮肉”：固體氧化物燃料電池

     固體氧化物燃料電池（SOFC）是一種基于陶瓷材料的全固態燃料電池，其工作溫度較MCFC更高。SOFC的構型有三種：管式、平板式以及平板管式。管式電池由于易于密封，發展較快，西門子西屋公司于2000年時便建成了220千瓦發電系統，但是由于采用昂貴的CVD方法制備電池，在經濟上劃不來，后來西門子西屋公司便暫停了該項技術的投資。為了降低電池的制備成本，提高電池功率密度，平板式SOFC成為了后起之秀，目前技術最成熟的公司是美國Bloom Energy公司，推出了100千瓦和200千瓦產品，受到了易貝、谷歌、沃爾瑪以及蘋果公司的熱捧。為了能夠吸收管式和平板式的優點，日本京瓷公司開發了平板管式燃料電池，并開發出用于家庭熱電聯產的SOFC發電系統——ENE-FARM，發電功率為700瓦，綜合能量效率可達80%，目前在日本的出貨量已經達到5萬臺。