1、概述
　　
　　燃料电池代表着一种与以往传统供能系统完全迥异的全新的能量转换方式。它不仅会以更清洁更持续的方式替代交通运输与电站系统中广泛应用着的电机装置，而且还会逐步进入便携供电系统与其它相关领域，具有难以估量的商业价值与社会影响力，被誉为21世纪"氢能经济的发动机"。
　　与传统电机系统不同的是，燃料电池直接以电化学方式把原料转化成电能，不受卡诺循环的限制，具有很高的能量转换效率；同时，与其它二次电池系统不同的是，燃料电池无需充电，而且只要燃料供应充足不断它便可持续供电，一直是美国宇航计划中主要的供电系统。另外，燃料电池工作时没有噪声、体积小巧，适用范围广泛。
　　基于以上这些特点，燃料电池的主要应用前景体现在以下几个方面：
　　● 燃料电池转换效率的显著提高将大规模减少能耗及温室气体的排放。例如：在交通运输领域，以燃料电池驱动代替传统内燃机后将会节省50%以上的能源消耗；在电站发电系统中，将会节省30%以上的天然气消耗；在中小企业与居住区的普及也将把供热及制冷用的能耗大规模降低。
　　● 燃料电池的应用还将减少一个国家对沉积式能源(天然气、石油、煤炭等)的依赖性，并且可以减少电网系统的负荷从而增加其可靠性。以燃料电池的模块化特性为基础的分布式能量存储系统也将成为中心式电厂发电的替代方式之一。另外，在类似前不久北美地区大规模电网瘫痪的特殊突发事件中，燃料电池还可以充当可靠的备用电源系统。
　　● 无论是应用传统的沉积式能源还是新型的氢能，燃料电池驱动的电车或燃料电池供电系统都将可以达到零排放的要求，进而根本性地减少环境污染，提高空气的纯净度。
　　● 基于燃料电池的模块化特点，它可以被非常便捷、普适性地应用于多种领域，其阈值可从几瓦到几兆瓦不等。
　　据美国能源部预计，在成功实现技术突破与市场成本降低的前提下，2015年前将会形成成熟的商业化基础。而燃料电池电动车(FCEV)将会在2020年左右研制成功并作示范性应用。另外，如果在2040年前可以实现FCEV的大规模市场占有，全美国每天可以节省掉的石油进口量大概有1160万桶(约为目前的日进口量)，如果考虑到与燃料电池相关的可再生能源，如风能与太阳能等的广泛介入，以上估计则略显保守。如图1所示：
　　目前，探索燃料电池可实行方案的技术路线有很多种，大致可分为低温与高温技术两种。低温路线包括磷酸燃料电池与质子电解质膜燃料电池，主要应用在交通运输领域，便携式供电系统和低容分布式电源系统等；而高温路线包括熔融碳酸盐与固体氧化物燃料电池，主要应用于大规模电站供电系统，特种局域供电系统与分布供电系统以及某些移动系统应用中。在诸多不同的技术路线中，哪一条将会是燃料电池商业化的突破口的问题将会由技术研发突破与市场合力的互动式选择来决定。迄今为止，磷酸燃料电池是惟一已经商业化的种类，世界上已经有200多座电站采用了此类被称为第一代燃料电池的电源系统。从长远的角度讲，燃料电池可以大规模的提高电能转化效率，如图2所示：
　　而燃料电池可以减少的空气污染则如图3所示。
　　除此之外，燃料电池在国防方面也有十分重要的应用前景。例如，燃料电池将会显著增强士兵的可移动性和隐身性，便携式电源系统可在环境复杂多变的野外使用，以替代充电电池或辅助电源系统，具有很高的可靠性与安全性。而且，更加具有应用前景的是低温燃料电池几乎没有任何"热度痕迹"，是隐身操作的最好供电系统。
　　


　　在2020年之前，公众可以获得更加安全可持续的供能方式，辅之以更加清洁的空气环境；工业界则从燃料电池产业所创造的无限商机中找到了自身的利润增长点，并且成为具有活力的全球化能源市场的生力军；而从客户的角度来看，更是获得了比以往更多样化也更多元化的能量供给方式，随之而来的是便捷的使用条件与可靠的功能保障。可以说，燃料电池的应用几乎可以满足各种不同能量领域的相关需求。
　　然而，燃料电池高成本高风险的特点使其商业化进程受到了很大影响。为了克服这些商业化障碍，无论是从政府的角度、工业界的角度还是个人投资者的角度都有其相应的大量工作要做。
　　
　　2、燃料电池商业化瓶颈
　　
　　燃料电池无论是在减少能耗还是在环境污染控制方面都有独特的发展优势，尤其是在交通运输领域和电站供电系统的应用潜力更是传统供电系统难以比拟的。但就其研发与产业化的发展现状来看，无论是从学术界、工业界还是政府相关机构的政策制定与宏观协调上，都有大量的工作需要按其相应的优先级阶段性解决。其中尤为重要的2个突破点是：成本的降低；可靠性与使用寿命的提高。
　　除此之外，对于燃料电池电动车(FCEV)来讲，氢能基础设施的建设及相关储氢材料的发展也是决定燃料电池发展进程的重中之重。利用多种可能资源来寻找一种高效、清洁、经济的方式来制备并安全传输氢能也是保障一个国家能源多样性与降低能源耗竭速率的关键环节。如表1所示。
　　为了逐步解决燃料电池商业化中的瓶颈，在研发与基础设施建设等方面将在以下几个方向实现重点突破。
　　1、技术路线突破
　　燃料电池重点技术路线的研发突破将是降低系统成本与提高其可靠性的关键步骤。
　　


　　在电站系统应用方面，燃料电池的使用寿命将是决定系统商业可实施性的关键指数(20年甚至更长)。如电池组这样5到10年就要更换的组件一定要大幅度降低其成本并与早期的产品兼容。在这里，组件的使用寿命与其成本是一对矛盾，研发领域要在不降低产品可靠性与使用安全性的前提下，通过寻找更加价廉而有效的替代材料及大规模工业生产，针对重点环节进行产业化研究才有可能在近期内取得商业化进程上的突破。
　　在交通运输领域，私人企业主导的商业化进程需要在继承设施建设上进行大规模投资，包括燃料氢的生产、传输与储存系统。另外由于涉及公平竞争环境、地域性兼容系数及安全性指标等方面的相关产业政策与指南性发展规划的缺乏，私人企业在此领域投资的风险便也愈加一筹。
　　在便携式供电系统的应用上，燃料电池在组件微缩化与系统集成度、防振化处理、削敏方向性及惰性化操作等研究方向上也有很多亟待解决的技术难点，距离产业化的要求还有相当大的差距。
　　2、能源多样性与多元化
　　燃料氢在燃料电池的广泛应用方面拓展了候选能源在多样性方面的发展空间，尤其是达到商业化性价比阈值的可再生能源的介入也将会是降低燃料电池产业化瓶颈的有效途径之一。
　　燃料氢是极具潜力的燃料，但其自身并不是原始能源，就如同电能一样，它只是一种能量载体。基于燃料氢可以从多种资源中产生，它将会是燃料电池的最佳候选燃料之一。近期来讲，燃料氢可以从沉积式能源中获得，或者通过电解装置从电能转化而来，因而如何显著地增强这些能量转化过程中的转换效率也是目前研究的重点之一。尽管电解法是目前最具应用可能性的方案，但它并没有带来实质性的能源与环境保护作用。相反，当脱碳技术实现产业化可行后，燃料氢可以从沉积能源中以完全清洁无污染的方式获得，并可以有效抑制温室效应的蔓延。然而，从长远的角度来讲，我们应该尽量增加可再生能源在燃料氢制备中的比重，比如通过风能或太阳能的方式电解水，或者从生物质能或者以光催化的方式获得氢气。令人欣慰的是，目前基于近期目标的技术成果大多可以有效的移植到长期的可再生能源产氢方案中，这将为未来氢能驱动的新型经济模式提供强大的动力保障。
　　


　　如果把燃料氢作为燃料电池的备选燃料，那么从交通运输领域的角度讲，如何在增强储氢材料安全性的基础上，有效地降低其成本将会是致胜的关键所在。氢气素以其很低的容能比而成为气体储存方面的难点。目前的储氢方式不是太笨重就是太庞大，甚或两者兼而有之，要在储氢材料方面有所突破，不仅会解决交通运输方面的技术难点，还可以实现电网辅助分荷系统的能量调度(即在供电谷值期通过电解水来储电，并于峰值期应需释放)。
　　3、基础设施建设
　　在交通运输方面，燃料电池的应用主要有2种途径：一是集中式（Centralized）的供氢体系的建立；二是随车式（On-Board）供氢体系的发展。目前比较受工业界看好的是第二种，然而随车供氢路线将很大一部分风险转给了基础设施体系的建设。燃料电池所承担的环保与节能方面的需求将在很大程度上取决于燃料氢是如何生产的、脱碳技术是如何实现的等等一系列技术要素的进展，而实现环保与节能两方面的净收益则要求我们从氢能生产、传输及储存等环节审视评估其性价平衡。
　　选择随车供氢体系是规避当前储氢技术相对薄弱的技术现状的过渡性战略路线，即便如此，车用燃料处理技术还必须针对燃料氢纯度的保障来进行技术突破，并以此保护燃料电池中的催化金属，使其不受中毒的威胁。
　　


　　3、解决燃料电池商业化瓶颈的途径
　　
　　如上所述，燃料电池在大规模商业化方面还存在着诸多技术与产业化方面的难点与瓶颈。基于以上现状，政府在燃料电池的技术研发上还需加大投入，但随之产生的交通运输领域与电站供电系统的商业风险也将成为解决的重点之一。尽管最终的工业化大生产将会大幅度降低燃料电池的生产与应用成本，然而就产能单方面的进展还无法将总体成本降低到可被公众普遍接受的水平。在此，政府应责无旁贷的在相关产业政策制定及示范性应用等方面搭架起工业界与最终用户之间的桥梁。另外，如何研究出更新更优的储氢材料和更加简化可靠的系统集成将会是未来研发方向的重点。
　　随着燃料电池的发展，针对安全措施及责任承担法规的需求日益迫切，相应的商业风险也使得具体保障条款的斟酌与保险立项的难度愈加难以平衡。在这样的背景下，政府急需出台相应的产业政策与法律法规来规范产业的发展，并削减商业化进程中的阻力因素，并协助产业界构筑分配公允且收支平衡的收益循环模式，以满足工业化生产的利益需求。但就交通运输领域这样复杂的基础设施建设来讲，政策与发展规划的科学性与可操作性更是大规模投资与产业风险评估的先决条件。
　　(傅原 编译)
　　
　　译文出处：
　　[1] Fuel Cell Report to Congress DOE.2003，2
　　[2] National Hydrogen Energy Roudmap DOE.2003，4