面向便携式设备的燃料电池应用及市场分析

    燃料电池概述

    虽然自上世纪 60 年代以来燃料电池就应用于诸如太空探索等特殊领域，但是成本和尺寸因素却将其排除在众多的商用产品之外。然而，自上世纪 90 年代起的诸多研究成果表明燃料电池成为主流技术的愿景已得到实现。本文讲述了技术完善和市场驱动力的融合是如何使便携式电子产品成为燃料电池首个潜在的规模市场。

    燃料电池是一种将燃料的化学能转化为电能并以此驱动电子负载。与有限储能的电池比较，只要有燃料供应燃料电池就能不断地提供电能。已有许多工作在不同温度和使用不同燃料的燃料电池问世，如氢、甲醇、乙醇和其他等类型的燃料电池。相对其他发电方式，燃料电池具有清洁、低噪和高效的特点，其系统的输出功率范围可以从几瓦到上百万瓦。这就使得燃料电池能适用于多种应用。

    甲醇燃料电池

    虽然氢燃料电池具有输出功率高和辐射低的优点，但其最大的缺点是其低能量密度(每单位容量的储能数量)。直接甲醇燃料电池(DMFC)也是一种燃料电池，它使用甲醇作为燃料。甲醇是一种低成本的液体，具有运输和储存方便的优点。因此，几家公司已公开声明了各自的DMFC开发计划，从而加速了DMFC的商业化。基于这个原因，DMFC这种将被便携式市场所采用的技术将是本文所要评述的。图1所示的是一个通用类型的DMFC反应原理图。

    潜在市场和技术

    采用燃料电池的三大主要市场如表1所示。

    影响因素

    各个市场中的采用情况可以利用以下六个因素进行分析，它们分别是：

    1.满意度：终端用户是否对使用现有技术感到满意？

    2.市场驱动力：市场变化速度如何？

    3.成本与目标：在相同成本的基础上，燃料电池与其他技术比较会怎样？

    4.耐用性与目标：燃料电池具备应用所要求耐用性？

    5.监管环境：有监管障碍吗？

    6.燃料基础设施：是否已经存在？若不存在，该如何去开发？

                                    图1：DMFC 工作原理

                                    表1：发电装置市场情况。

    用户满意度

    使用该技术的终端用户会否觉得不满意呢？另外，如果新技术出现，OEM厂商能够投放新产品吗？如果能解决上述问题，那么这些因素将成为燃料电池改变现有市场格局的良好催化剂。在固定发电应用场合，多数用户对燃料电池的电能效用的可靠性和品质似乎比较满意。即使现有基础设施中出现大规模改造，但这些效用本身通常是无需更改的。针对汽车应用，尽管多数汽车用户意识到全球变暖的影响及饱受油价上涨之苦，但他们已习惯了汽油的模式；由于现在汽车能安全便捷地载他们到想去之地，因此他们并不特别急切地要使用燃料电池。这与便携式设备市场对燃料电池的需求形成极大反差。

    预期需求(Run Time Gap)

    近几年，用户经历了包括笔记本电脑、手机和MP3播放器在内的便携设备的普及。OEM厂商在日渐小型化的产品中添加了更多功能，致使具备高能量密度的锂电池越来越多地被使用。然而，由于锂电池性能已接近极限，这就束缚了便携式设备的规格。因此，OEM厂商不得不放缓新功能产品(如游戏机、高清显示屏)的投市步伐。对众多终端用户而言，现有设备中锂电池的运行时间都比期望的时间短很多，更不要说用户渴望的更高端功能产品了。如果燃料电池能极大地超越现有电池性能，则现存这种预期需求将为燃料电池在便携市场中的采用提供强有力的市场驱动力。

    市场驱动力

    在固定式发电领域，对基础设施、发电设备以及用户的高成本生产投资如热水器和熔炉等进行改造或更换的步伐都是非常缓慢的，往往需要几十年。在汽车市场，汽车制造商出于改造成本的考虑同样会延续汽油模式，而其产品也同样有相当长(5到10年)的使用年限。然而，在便携式电子产品市场，产品的使用年限要短得多(6个月到2年)。假如燃料电池能轻易的取代锂电池，则燃料电池的采用将会更便捷。另外，诸如笔记本电脑(约1亿台/年)和手机(约10亿部/年)等庞大市场，也将为燃料电池产品的投放提供强大动力，即使只按10%这样低的采用率来计算，也将有数千万到上亿台的使用量。

    成本和目标

    在固定式发电市场，燃料电池产生每千瓦功率的成本是使用现有技术成本的5到10倍；在汽车市场，这个成本比例将上升至50到100倍。相反，如果大规模量产，可以预见燃料电池能在现有技术的成本范围内实现；考虑到相对于现有技术，燃料电池有潜在的高性能，所以无论如何都可卖得一个更好的价格。

    耐用性和目标

    鉴于固定式发电和汽车电源市场分别要求发电设备具有高达8万小时和2万小时的使用年限，消费类电子产品的短使用年限则意味着针对电池组的典型要求会低于3千小时。假如目前燃料电池的使用年限已在这个范围内，那么燃料电池可很轻易地满足便携式应用的需求。然而，在汽车和固定式应用领域，目前的燃料电池技术水平尚未满足其使用年限的需求。

    监管环境

    就固定式燃料电池来说，很明显是需要受到监管的。需要为发电机并网制定互连标准，而且可能需要针对火灾、保险与建筑用途制定规范与标准。对于汽车应用，基于氢具有易爆特性以及各种陆地交通工具的广泛使用，因此氢传感器和氢储存装置需求的规范则会更复杂。

    便携式燃料电池应用规范的制定正进展顺利。2004年，联合国针对燃料电池燃料盒投票表决通过了一项新的运送条例。 2006年，国际电工委员会(IEC)、国际民航组织(ICAO)和国际航空运输协会(IATA)分别起草了允许在客机中搭载和使用便携式燃料电池和燃料盒的新条例。预计在2007年底，不同便携式燃料电池的条例将会在全球各种主要运输方式中被采用。

    燃料基础设施需求

    就固定式燃料电池而言，使用现有的运送液体和气体燃料的基础设施也能轻易地为新燃料电池的安装提供服务。

    但是，就汽车应用来说，为经营其它类型燃料(例如氢)而去翻新加油站的成本却是高昂的。而对于便携式产品应用来说，主要的香烟打火机厂商和主要的电池制造商已在世界各地的零售点供配类似产品。就甲醇而言，通过现有网络很容易就能为便携燃料电池供应燃料盒。

市场采用得分卡

    将六点市场采用因素用下列方法记分并相加而成为一张得分卡：

得分：

1分：该因素将促进燃料电池的采用。

0分：该因素对燃料电池的采用具有不确定影响。

-1分：该因素将抑制燃料电池的采用。

本文小结

    通过DMFC这个受众人推崇的便携式燃料电池最为可行的技术之一的例子，我们可以通过考虑一系列可能加速或抑制市场采用的因素来分析燃料电池的潜在市场。如表2所归纳一样，分析研究表明便携式设备市场在中短期内定将展现燃料电池的大规模应用的希望。考虑到来自预期需求的强大市场推动、潜在的市场规模以及在耐用性和成本方面的技术的完善，可以预见不久的将来就会有商业化产品问世。

                           表2：燃料电池的市场采用状况得分