燃料電池將面向多領(lǐng)域應(yīng)用，但也將面臨多個挑戰(zhàn)

燃料電池是一種多年來一直在使用的能源，但從未成為主流。雖然它是一種綠色、清潔的能源，發(fā)電的副產(chǎn)品只有水，但它需要隨時獲得氫氣供應(yīng)。為以氫為燃料的電動汽車建立加氫站網(wǎng)絡(luò)是一個世界性的挑戰(zhàn)，其他技術(shù)也已經(jīng)被用于為燃料電池到數(shù)據(jù)中心，甚至無人駕駛飛機提供能源。

豐田一直是汽車氫燃料電池領(lǐng)域最強有力的倡導(dǎo)者，并在2016年推出的Mirai車型中采用了這項技術(shù)。采用燃料電池使Mirai的續(xù)航距離超過500公里，而傳統(tǒng)電池驅(qū)動汽車的續(xù)航距離只有300公里。Mirai 依靠燃料電池產(chǎn)生高達(dá)650V的電壓，從加壓的燃料箱中吸取出氫，但由于缺乏配套的基礎(chǔ)設(shè)施，Mirai的商業(yè)應(yīng)用受到影響。今年3月，日本成為第一個具有100多個加氫站網(wǎng)絡(luò)的國家，能夠為這些氫燃料電池汽車提供燃料供應(yīng)。早在2017年，本田和通用公司宣布合資計劃來開發(fā)和生產(chǎn)燃料電池，德國汽車制造商戴姆勒的一家子公司也一直在針對汽車和其他應(yīng)用（包括數(shù)據(jù)中心）開發(fā)這項技術(shù)。

就基本原理而言，燃料電池是由一疊層質(zhì)子交換膜（也稱為聚合物電解質(zhì)膜（PEM））構(gòu)成，該質(zhì)子交換膜使用鉑催化劑將氫與氧結(jié)合，從而釋放出能量，但沒有與汽油或柴油發(fā)動機相關(guān)的有害物排放。過去二十年來，許多公司，尤其是巴士制造商（其中氫燃料的較低成本能夠具有更重大的意義）一直在開發(fā)燃料電池技術(shù)。隨著越來越多的公共汽車轉(zhuǎn)換到電力推進(jìn)，使用燃料電池將變得更加可行，或者二者一起使用，甚至最終完全替代電池。這里舉一個例子，Ballard Power Systems正在為加利福尼亞的Calstart提供其30kW FCveloCity-MD燃料電池模塊，用于大洛杉磯地區(qū)的UPS運輸車以減少空氣污染。燃料電池也被用作車程擴展器（range extender），在未來五年將使1500輛UPS電動汽車有更多時間行駛在路上。

英國通過低排放車輛辦公室（OLEV）也正在采取同樣的做法，他們已經(jīng)啟動了2300萬英鎊的預(yù)算用于氫燃料運輸計劃（Hydrogen Transport Programme），目的是開發(fā)燃料電池技術(shù)并擴展加氫站網(wǎng)絡(luò)。第一階段是要提供高達(dá)900萬英鎊的投資，在2018/19年期間完成7個此類加氫站建設(shè)，以支持燃料電池汽車和貨車。第二階段將提供高達(dá)1400萬英鎊的資金，用于建設(shè)更多加氫站。這些數(shù)字突顯了構(gòu)建加氫站所需基礎(chǔ)設(shè)施的成本。作為該項目的一部分，利物浦的ULEMCo已經(jīng)開發(fā)了一款12kW燃料電池模塊，可以集成到日產(chǎn)汽車的電動汽車中，以擴大其續(xù)航里程。該系統(tǒng)位于日產(chǎn)e-NV200汽車的車頂部，因此不會減少裝載空間，車頂上的功率模塊將燃料電池連接到電池。對于1.6kg/天的加氫量，能夠提供150英里的里程，使標(biāo)準(zhǔn)e-NV200汽車的續(xù)航里程可以翻倍。

美國的Nuvera公司則在用Ballard的PEM堆棧來提高貨車/公共汽車的續(xù)航里程。這家公司正在與BAE Systems（主要從事設(shè)計將燃料電池和電池整合在一起的混合動力推進(jìn)系統(tǒng)）合作，使直接以壓縮天然氣（CNG）為燃料運行的公交車的燃油經(jīng)濟性大致提高一倍。

無人機市場的機遇

燃料電池還可用于使海上平臺檢查的無人飛行器（UAV）具備更遠(yuǎn)距離的航程，能夠提供高質(zhì)量的航空攝影、精確的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)、以及包裹交付等。Intelligent Energy公司開發(fā)了一種重量較輕的燃料電池，可以實現(xiàn)基于電池?zé)o人機三倍的典型飛行時間，并具有添加燃料更快的額外優(yōu)勢。美國無人機運營商PINC正在將其用于庫存機器人技術(shù)產(chǎn)品的一部分，該技術(shù)可實現(xiàn)空中實時庫存跟蹤。PINC空中無人機可以讓企業(yè)使用無人機技術(shù)結(jié)合RFID傳感器和攝像頭來檢查庫存，而燃料電池則可以提供更長的工作時間，從而提高生產(chǎn)率水平。

數(shù)據(jù)中心市場的可能性

燃料電池也在用于數(shù)據(jù)中心的能源管理。早在2012年，蘋果公司就開始利用這一技術(shù)來幫助一個位于加州的數(shù)據(jù)中心供電?，F(xiàn)在，戴姆勒及其子公司NuCellSys正在與梅賽德斯 - 奔馳研發(fā)部門（Mercedes-Benz Research & Development）合作，加速燃料電池的應(yīng)用擴展，以便能夠以這種方式為更多數(shù)據(jù)中心供電。

到2020年，美國的數(shù)據(jù)中心預(yù)計每年將消耗1400億千瓦小時的電能，因而目前對這項技術(shù)的興趣與日俱增。上述耗電量相當(dāng)于約50個發(fā)電廠的年發(fā)電量，因此用氫燃料電池實現(xiàn)本地發(fā)電自然具有非常大的吸引力。

微軟還推出了一個數(shù)據(jù)中心實驗室，其中每個服務(wù)器機架都有自己的燃料電池供電。位于西雅圖的先進(jìn)能源實驗室（Advanced Energy Lab）將提供關(guān)于燃料電池如何整合到數(shù)據(jù)中心的信息和見解，從而能夠很大程度地減少這些場合的能源消耗。在這種情況下使用的電池可以直接從天然氣管線獲得燃料，燃料電池安裝在每個服務(wù)器機架的上方，并將氣體供給電池以滿足其功率要求。

Equinix則正在采取不同的方式為美國的12個數(shù)據(jù)中心供電。它使用的是Bloom Energy的燃料電池，所采用的是專有的固體氧化物技術(shù)，而不是液態(tài)氫或天然氣。

然而，必須指出的是，目前的燃料電池技術(shù)是依靠鉑作為催化劑，這是一種昂貴的材料。為了避免這一問題，Ballard一直在與日本Nisshinbo公司合作開發(fā)非貴重金屬催化劑（NPMC），新型NPMC材料已被集成到叉車用30W燃料電池堆疊中。

不同的電池類型

為了完全克服與氫有關(guān)的困難，澳大利亞墨爾本皇家墨爾本理工大學(xué)（RMIT University in Melbourne）的研究人員開發(fā)了一種可再充電的“質(zhì)子電池”，它將燃料電池和固態(tài)氫儲存裝置整合在一起。碳電極與水中質(zhì)子的結(jié)合使得這種電池具有領(lǐng)先的能源優(yōu)勢，同時在環(huán)境和經(jīng)濟方面也具備可行性。

用質(zhì)子給電池提供能源可能比使用稀有礦物資源的鋰離子電池具有更高的性價比。碳是質(zhì)子電池中使用的主要材料，與金屬儲氫合金和可再充電鋰離子電池所需的鋰相比，碳在自然界含量豐富且價格便宜。水分解產(chǎn)生質(zhì)子，然后儲存在碳陰極中，電池可以由這些質(zhì)子充電，隨后釋放并通過燃料電池用以發(fā)電。第一個原型樣機單位質(zhì)量能夠存儲與使用酚醛樹脂制成的多孔活性碳電極鋰離子電池同樣多的能量，并產(chǎn)生1.2V電壓。