面向未来的燃料电池

燃料电池是一种多年来一直在使用的能源，但从未成为主流。虽然它是一种绿色、清洁的能源，发电的副产品只有水，但它需要随时获得氢气供应。为以氢为燃料的电动汽车建立加氢站网络是一个世界性的挑战，其他技术也已经被用于为燃料电池到数据中心，甚至无人驾驶飞机提供能源。

丰田一直是汽车氢燃料电池领域最强有力的倡导者，并在2016年推出的Mirai车型中采用了这项技术。采用燃料电池使Mirai的续航距离超过500公里，而传统电池驱动汽车的续航距离只有300公里。Mirai 依靠燃料电池产生高达650V的电压，从加压的燃料箱中吸取出氢，但由于缺乏配套的基础设施，Mirai的商业应用受到影响。今年3月，日本成为第一个具有100多个加氢站网络的国家，能够为这些氢燃料电池汽车提供燃料供应。早在2017年，本田和通用公司宣布合资计划来开发和生产燃料电池，德国汽车制造商戴姆勒的一家子公司也一直在针对汽车和其他应用(包括数据中心)开发这项技术。

就基本原理而言，燃料电池是由一叠层质子交换膜(也称为聚合物电解质膜(PEM))构成，该质子交换膜使用铂催化剂将氢与氧结合，从而释放出能量，但没有与汽油或柴油发动机相关的有害物排放。过去二十年来，许多公司，尤其是巴士制造商(其中氢燃料的较低成本能够具有更重大的意义)一直在开发燃料电池技术。随着越来越多的公共汽车转换到电力推进，使用燃料电池将变得更加可行，或者二者一起使用，甚至最终完全替代电池。这里举一个例子，Ballard Power Systems正在为加利福尼亚的Calstart提供其30kW FCveloCity-MD燃料电池模块，用于大洛杉矶地区的UPS运输车以减少空气污染。燃料电池也被用作车程扩展器(range extender)，在未来五年将使1500辆UPS电动汽车有更多时间行驶在路上。

英国通过低排放车辆办公室(OLEV)也正在采取同样的做法，他们已经启动了2300万英镑的预算用于氢燃料运输计划(Hydrogen Transport Programme)，目的是开发燃料电池技术并扩展加氢站网络。第一阶段是要提供高达900万英镑的投资，在2018/19年期间完成7个此类加氢站建设，以支持燃料电池汽车和货车。第二阶段将提供高达1400万英镑的资金，用于建设更多加氢站。这些数字突显了构建加氢站所需基础设施的成本。作为该项目的一部分，利物浦的ULEMCo已经开发了一款12kW燃料电池模块，可以集成到日产汽车的电动汽车中，以扩大其续航里程。该系统位于日产e-NV200汽车的车顶部，因此不会减少装载空间，车顶上的功率模块将燃料电池连接到电池。对于1.6kg/天的加氢量，能够提供150英里的里程，使标准e-NV200汽车的续航里程可以翻倍。

美国的Nuvera公司则在用Ballard的PEM堆栈来提高货车/公共汽车的续航里程。这家公司正在与BAE Systems(主要从事设计将燃料电池和电池整合在一起的混合动力推进系统)合作，使直接以压缩天然气(CNG)为燃料运行的公交车的燃油经济性大致提高一倍。

无人机市场的机遇

燃料电池还可用于使海上平台检查的无人飞行器(UAV)具备更远距离的航程，能够提供高质量的航空摄影、精确的农业数据、以及包裹交付等。Intelligent Energy公司开发了一种重量较轻的燃料电池，可以实现基于电池无人机三倍的典型飞行时间，并具有添加燃料更快的额外优势。美国无人机运营商PINC正在将其用于库存机器人技术产品的一部分，该技术可实现空中实时库存跟踪。PINC空中无人机可以让企业使用无人机技术结合RFID传感器和摄像头来检查库存，而燃料电池则可以提供更长的工作时间，从而提高生产率水平。

数据中心市场的可能性

燃料电池也在用于数据中心的能源管理。早在2012年，苹果公司就开始利用这一技术来帮助一个位于加州的数据中心供电。现在，戴姆勒及其子公司NuCellSys正在与梅赛德斯 - 奔驰研发部门(Mercedes-Benz Research * Development)合作，加速燃料电池的应用扩展，以便能够以这种方式为更多数据中心供电。

到2020年，美国的数据中心预计每年将消耗1400亿千瓦小时的电能，因而目前对这项技术的兴趣与日俱增。上述耗电量相当于约50个发电厂的年发电量，因此用氢燃料电池实现本地发电自然具有非常大的吸引力。

微软还推出了一个数据中心实验室，其中每个服务器机架都有自己的燃料电池供电。位于西雅图的先进能源实验室(Advanced Energy Lab)将提供关于燃料电池如何整合到数据中心的信息和见解，从而能够很大程度地减少这些场合的能源消耗。在这种情况下使用的电池可以直接从天然气管线获得燃料，燃料电池安装在每个服务器机架的上方，并将气体供给电池以满足其功率要求。

Equinix则正在采取不同的方式为美国的12个数据中心供电。它使用的是Bloom Energy的燃料电池，所采用的是专有的固体氧化物技术，而不是液态氢或天然气。

然而，必须指出的是，目前的燃料电池技术是依靠铂作为催化剂，这是一种昂贵的材料。为了避免这一问题，Ballard一直在与日本Nisshinbo公司合作开发非贵重金属催化剂(NPMC)，新型NPMC材料已被集成到叉车用30W燃料电池堆叠中。

不同的电池类型

为了完全克服与氢有关的困难，澳大利亚墨尔本皇家墨尔本理工大学(RMIT University in Melbourne)的研究人员开发了一种可再充电的“质子电池”，它将燃料电池和固态氢储存装置整合在一起。碳电极与水中质子的结合使得这种电池具有领先的能源优势，同时在环境和经济方面也具备可行性。

用质子给电池提供能源可能比使用稀有矿物资源的锂离子电池具有更高的性价比。碳是质子电池中使用的主要材料，与金属储氢合金和可再充电锂离子电池所需的锂相比，碳在自然界含量丰富且价格便宜。水分解产生质子，然后储存在碳阴极中，电池可以由这些质子充电，随后释放并通过燃料电池用以发电。第一个原型样机单位质量能够存储与使用酚醛树脂制成的多孔活性碳电极锂离子电池同样多的能量，并产生1.2V电压。