本文选自中国工程院院刊《Engineering》2018年第3期作者：Junye Wan...|燃料电池商业化带来的技术经济挑战丨Engineering( 二 ) 本文选自中国工程院院刊《E

作为燃料电池推广系列研究的一部分，本文的主要目的是通过统一了解机构障碍来分析燃料电池商业化面临的技术经济挑战。我们将调查各成分的生命周期和价值链活动、产品的制造与装配，并研究最终用户的接受情况。这将有助于我们更好地了解面临的挑战，以便使政府能够鼓励高效利用资源和环保能源，从而制定更明智的决策来发展低碳经济和技术。本文的另一个目的是分析燃料电池在未来的低碳经济中发挥的潜在作用，并讨论燃料电池主导绿色产业的潜能。
二、燃料电池在低碳经济中扮演的潜在作用
图1（a）展示了化石燃料的传统商业链。化石燃料、内燃机、锅炉和最终用户是该传统经济的主要成分。图1（b）展示了一种新的经济模式，在该模式中，绿色能源作为现有化石能源的替代能源。作为替代能源资源，每一种可再生能源都需要和现有的化石燃料模式具备相同的功能和可靠性。因此，图1阐释了燃料电池在低碳技术和经济中起到关键作用的两种方法。首先，燃料电池可以作为可再生能源供应链中一种新的储能技术，如图1（b）所示。其次，燃料电池作为一种高效的发动机技术，可以取代传统内燃机、涡轮机或者锅炉，达到节能减排的目的，如图1（a）所示。然而，很少有人将低碳经济中的燃料电池的作用和绿色能源资源作为整体来进行研究。
（一）燃料电池和二次电池组
创造低碳技术和绿色产业，开发可再生能源是关键。一般而言，风能、太阳能和潮汐能是可再生能源商业链中发电的主要来源[图1（b）] 。靠这些途径产生的电可用于汽车或者住房供暖。然而，可再生能源通常需要依赖季节、气候或地理条件，其时空分布也不均匀。可再生能源的这种异质性需要能源储存和有效的能源供应分布智能网络。然而大规模的电力储存长久以来都是一大挑战。目前已经开发了许多技术来解决储能的问题，如抽水蓄能电厂、相变材料、充电电池以及燃料电池。如果将可再生能源作为一种可行的替代能源，就需要大规模储存电能，与燃料电池相关的电池技术和电解燃料是大规模储存电能的两种最佳方法（图1）。
目前已经开发了多种类型的充电电池，如锂电子电池和镍锰电池。充电电池的一个主要优势在于其蓄电的便利性。输电网每产生1kW·h电的成本相对较低，而且电能可以由距离较远的地方产生。因此电池技术被广泛用于各种轻型动力源，如不间断电源（UPS）、手机以及笔记本电脑。然而，对于重型设备或大型应用程序而言，电池存在许多缺点，如充电时间长、较燃料（如甲烷或氢气）能量密度低、老化、影响环境和制造成本较高。充电电池的这些缺点对于车辆来说也很重要。
根据电池容量的不同，在240V电压、一定电流条件下充电将进行数小时。但是使用超级充电器，在120kW的状态下只需30min就能充满。相比之下，使用能量密度燃料（如氢气和甲烷）的燃料电池的一个优势就在于它能规避充电时长以及充电范围的问题。一台燃料电池车（FCV）在3~5min内就能加入足够的氢气燃料，可供车辆行驶200~300mi（1mi=1.61km）。美国燃料电池技术团队（USdrivefuelcelltechteam）为FCV制定了目标，即能够行驶大约8000h或以上（大约相当于150000mi）。正常情况下，传统的铅蓄电池平均寿命为4年，前提是其充电次数达到上限，且没有处于极端温度。因此，即使完全使用，电池每隔几年就需要更换，因为电池会浸析和老化。与之相比，燃料电池的退化取决于其使用时长。此外，电池组的成本随着其容量的增加而增加，其费用较之于相同容量的燃料电池要高出很多。因此，电池驱动的交通工具常用于短途或轻型的操作，如叉车和摩托车，但是对于长距离行驶和重型操作却不适用。