在眾多的新能源技術(shù)中，燃料電池是一顆令人矚目的璀璨新星。燃料電池能夠通過電化學(xué)反應(yīng)，直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，徹底改變了傳統(tǒng)化石能源從化學(xué)能→熱能→機(jī)械能→電能的轉(zhuǎn)化路徑，極大地提高了化石能源的發(fā)電效率，降低了顆粒物、氮氧化物以及硫氧化物等污染物的排放。
在20年代70年代氫經(jīng)濟(jì)浪潮的推動下，燃料電池的研發(fā)進(jìn)入了一個(gè)高潮，而今的燃料電池技術(shù)正在逐漸接近商業(yè)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(zhì)和煤炭也都能夠通過燃料電池直接發(fā)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(fā)展模式，正在眾多領(lǐng)域中大展身手。
“排頭兵”：質(zhì)子交換膜燃料電池
目前商業(yè)化推廣最為廣泛的當(dāng)屬質(zhì)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(chǎn)的燃料電池車MIRAI便是采用的PEMFC。事實(shí)上，燃料電池已經(jīng)不是燃料電池車商業(yè)化的瓶頸，關(guān)鍵問題在于加氫站的建設(shè)。PEMFC對氫氣的純度要求高達(dá)99.999%，而且氫氣難以儲存，為此建設(shè)加氫站的成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于建設(shè)充電樁。但是，在一些特殊場合，并不需要數(shù)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(nèi)內(nèi)燃機(jī)動力污染、噪音的問題，為此燃料電池叉車受到沃爾瑪?shù)裙镜臒崃覛g迎。
最近，PEMFC在移動電源領(lǐng)域也開始嶄露頭角，在美國和歐美已經(jīng)推出了產(chǎn)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(jī)等移動設(shè)備充電，雖然目前價(jià)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(yùn)動、野外生存)，燃料電池移動電源的續(xù)航能力及環(huán)保特性已經(jīng)能夠讓其占有相關(guān)的市場。
還有一個(gè)不容忽視的領(lǐng)域——PEMFC備用電源。PEMFC不僅啟動速度快，保存時(shí)間大于10年，而且單次續(xù)航能力僅僅取決與燃料電池罐的大小，可以輕松達(dá)到24小時(shí)，甚至一周的時(shí)間，能夠大大的保障電力的供應(yīng),在數(shù)據(jù)中心、通信基站等領(lǐng)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(zhì)，工作溫度高達(dá)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(xì)糧”氫氣，還可以吃“粗糧”天然氣、合成氣等碳?xì)淙剂稀Ｒ舱且驗(yàn)檫@個(gè)特點(diǎn)，MCFC在分布式發(fā)電領(lǐng)域和小型固定式發(fā)電領(lǐng)域中有了更強(qiáng)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(gè)電池堆可以做到300千瓦，系統(tǒng)的發(fā)電效率可達(dá)47%。
熔融碳酸鹽燃料電池2013年的裝機(jī)容量總量超過90兆瓦，占燃料電池總裝機(jī)容量的42.8%，是產(chǎn)量最大的燃料電池。MCFC的主要生產(chǎn)商是美國Fuel Cell Energy公司，截至2015年2月，該公司的燃料電池發(fā)電量已經(jīng)達(dá)到33.1億千瓦時(shí)。MCFC是一種可靠地分布式發(fā)電系統(tǒng)，已有的應(yīng)用領(lǐng)域包括大學(xué)、醫(yī)院、工廠等。由于MCFC工作在高溫下，MCFC啟動時(shí)間較長，一般情況下MCFC發(fā)電系統(tǒng)會連續(xù)的發(fā)電，這樣MCFC分布式發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)與已有的電網(wǎng)組成了兩套電力供應(yīng)管線，從而能夠大大的提高醫(yī)院等用戶的電力安全系數(shù)。
在固定電站領(lǐng)域，MCFC能夠達(dá)到兆瓦級的發(fā)電站，目前韓國正在建設(shè)世界上最大的燃料電池電站，發(fā)電功率達(dá)到360兆瓦。雖然燃料電池固定電站的發(fā)電功率與已有的火力發(fā)電廠(可達(dá)1000兆瓦)相比有較大的差距，但事實(shí)上，燃料電池發(fā)電站與火電廠的之間并非競爭關(guān)系，而是對現(xiàn)代大型火電廠的補(bǔ)充。傳統(tǒng)的火力發(fā)電廠的發(fā)電效率是隨著裝機(jī)容量和蒸汽參數(shù)的增大而增大，因而人們在不斷的設(shè)計(jì)大容量高參數(shù)的發(fā)電站，而且火力發(fā)電站的發(fā)電效率是滿負(fù)荷的時(shí)候最高。而對于燃料電池，發(fā)電效率不受容量的限制，而且在低負(fù)荷的工況下發(fā)電效率可以更高。從而，燃料電池彌補(bǔ)了傳統(tǒng)火力發(fā)電站在變負(fù)荷、低容量時(shí)效率低的不足。值得一提的是，MCFC能夠與煤氣化(000968,股吧)系統(tǒng)相結(jié)合構(gòu)建整體煤氣化燃料電池發(fā)電系統(tǒng)(IGFC),能夠?qū)崿F(xiàn)煤炭的清潔高效發(fā)電，美國已建成2兆瓦的IGFC示范電站，在燃料電池固定式發(fā)電領(lǐng)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(tài)燃料電池，其工作溫度較MCFC更高。SOFC的構(gòu)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(fā)展較快，西門子西屋公司于2000年時(shí)便建成了220千瓦發(fā)電系統(tǒng)，但是由于采用昂貴的CVD方法制備電池，在經(jīng)濟(jì)上劃不來，后來西門子西屋公司便暫停了該項(xiàng)技術(shù)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(shù)最成熟的公司是美國Bloom Energy公司，推出了100千瓦和200千瓦產(chǎn)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(yōu)點(diǎn)，日本京瓷公司開發(fā)了平板管式燃料電池，并開發(fā)出用于家庭熱電聯(lián)產(chǎn)的SOFC發(fā)電系統(tǒng)——ENE-FARM，發(fā)電功率為700瓦，綜合能量效率可達(dá)80%，目前在日本的出貨量已經(jīng)達(dá)到5萬臺。
