燃料电池:事实，而不是虚构

尽管面临巨大挑战，但潜力是巨大的。

燃料电池不再是科幻小说。他们是一个事实。然而，大多数燃料电池在实验室中的一次仍然是一个。为了实现其真正的承诺和潜力，需要以成本效益的方式批量生产燃料电池。

ASSEMBLY杂志在最近于美国伊利诺斯州罗斯蒙特举行的ASSEMBLY Technology Expo上主办了一个小组讨论，探讨燃料电池制造的挑战。四位专家研究了一些大规模生产的问题，这些问题必须在燃料电池成为具有成本效益的商业应用之前解决。与会人员:

Argonne国家实验室（Argonnne，IL）的燃料电池开发计划经理Mike Krumpelt。自1978年以来，他一直在研究燃料电池技术。美国能源设施的部门一直处于20年以上的氢气电力研究的最前沿，创造了各种各样的燃料电池设计和应用。

Sofco-EFS Holdings（联盟，哦）总裁Rodger Mckain。他的公司正在使用低成本的制造方法开发平面固体氧化物燃料电池技术。该公司与Cummins Power发电公司（Columbus，IN）配合工作，该公司正在为分布式电力应用生产燃料电池，该应用将在2005年底商业提供。

Stan Ream，爱迪生焊接研究所(哥伦布，OH)的汽车市场领导者。他的专长是为汽车行业面临的联合挑战开发解决方案。该组织一直在研究用粘合剂、钎焊和激光焊接组装燃料电池组件的替代方法。

Chris Tynan，伊利诺斯州2H2联盟(芝加哥)主任。他负责建立公私合作关系，以刺激燃料电池行业的发展。该组织的目标是使伊利诺伊州成为快速增长的氢经济的世界领导者。

大潜力

经过多年的燃料电池研究和发展，“如果”最终成为“何时”的问题。因此，燃料电池将到21世纪蒸汽机到19世纪，内燃机到20世纪。

燃料电池是一种通过氢和氧之间的化学反应产生电能的装置。连续的过程是环保的，因为它排放纯水蒸汽。

燃料电池似乎简单，但它们是包括许多不同组件的复杂装置，包括类似于三明治，燃料箱，燃料处理器，空气供应子系统，冷却子系统和控制的燃料电池堆。

根据Principia Partners（exton，PA），预计燃料电池的产量将在未来十年内以每年超过40％的速度增长。预计这些趋势设定设备的市场将达到2010年的20亿美元。

最近由普华永道（纽约）进行的一项研究更加看涨。预测2011年全球燃料电池行业将达到460亿美元。

世界各地的制造商都在竞相利用燃料电池的潜力。他们目前在研发上投入了数百万美元，希望未来能获得巨大回报。例如:

通用汽车公司(General Motors Corp.，底特律)每年向燃料电池技术投资5,000万美元，并组建了一个由600多名工程师组成的团队。

波音公司（芝加哥）目前正在开发由燃料电池供电的电动电动机驱动的飞机。

通用电气公司(General Electric Co.)每年在燃料电池开发上的投资超过1,000万美元。

摩托罗拉公司(Motorola Inc.)正在开发微型燃料电池，为手机、笔记本电脑、数码相机和其他便携式电子设备供电。

日本电气公司(NEC Corp.)计划在明年年底前推出一款内置燃料电池的笔记本电脑。

此外，众多公司在加拿大和美国蹦出来，如巴拉德电力系统公司（Burnaby，BC）和燃料电池能源Inc.（丹伯里，CT），开发和生产他们向市场开发的燃料电池到原装设备制造商。例如，通用电机仍称为制造燃料电池内部或外包生产的优缺点。

许多产品和行业将受到燃料电池的影响。大多数关注都关注汽车行业。但是，一些卷筒，苍蝇或漂浮物的一切都将有一天由燃料电池技术提供动力。实际上，企业家最近揭开了燃料电池供电的叉车，高尔夫球车，船，摩托车，草坪割草机和机车。而且，新应用程序在众多行业中不断播种，从家用电器到医疗设备。

许多应用程序

根据KRumpelt，燃料电池的第一个大众市场应用将是静止电力系统。许多设备已经安装在医院，警察站，酒店，办公楼，学校，军事设施和政府设施中的备份单位。目前有600多种固定的燃料电池系统在全球范围内运营。事实上，2003年安装了超过65个系统。

下一个大型固定式电力市场将是个人房主。在不久的将来，位于地下室和车库的5千瓦燃料电池将电器，炉子和灯具。通用汽车计划在4年内进入市场，然后预计将出售燃料电池供电的车辆。然而，大挑战是将每单位成本削减到5,000美元;今天，手工制造的静止系统花费超过500,000美元。

最终，燃料电池将广泛用于汽车，卡车和越野车辆。预计到2015年，预计燃料电池车将在美国的道路上。

“起初，你会看到大量的总线应用程序，”拉雷说。例如，世界各地的许多城市目前正在尝试氢气动力的公共交通。正在评估各种车辆配置和燃料电池平台以及耐用性，排放，维护和安全等问题。

“汽车行业不会坐等政府来资助(燃料电池开发)，”Ream说。他说:“通用汽车公司(General Motors)是(美国)最激进的公司。他们不想从事制造燃料电池的业务。他们想要开发它们，授权它们，并从制造商那里购买它们。

“所以，对想要成为这些设备制造商的人来说，这是一个角色，”加入了阵容。“在您可以在帮助他们的发展方面与通用汽车合作的程度，有机会。”

其他汽车制造商正在探索替代战略。“福特谈论柴油后的燃料电池开发，即返回，相信与否，”注意事项。“混合系统可能是列表中的下一件事。[燃料电池]和内燃[车辆]是一个有趣的过渡步骤，因为它有助于您沿着开发氢基础设施的方式，这是进一步发展的巨大障碍燃料电池技术。如果你不能去买氢气，你就不会开发燃料电池。

"In fact, GM has said to the government and to the energy community, ‘We're spending our hard-earned money developing fuel cell vehicles. We want you [the big oil companies] to work as hard giving us the hydrogen we need to run them.' So, there's a chicken-and-egg thing there."

泰纳恩说:“冰岛这个小岛国实际上正在讨论，到2025年，他们100%的能源将由氢气产生。他们得到了荷兰皇家壳牌(伦敦)等公司的支持，该公司最近在雷克雅未克开设了一个加氢站。这家石油公司今年还在日本、卢森堡和荷兰开设了工厂。

燃料电池的工作原理

燃料电池是能量转换装置。它将燃料（如氢）转化为电力。燃料电池有许多不同的形状和尺寸。

“有更多的设计比你能想象的，”注意到了。“没有两个燃料电池堆叠设计是相同的。[很少]应用程序在电力和预期使用领域彼此相互靠近。我们看到了很多品种。”

然而，用于商业应用的两种主要技术：质子交换膜，或聚合物电解质燃料电池，以及平面固体氧化物燃料电池。聚合物电解质是用于车辆应用的有利燃料电池技术。它们在低温下运行80℃;具有高功率密度;并且可以快速变化输出。根据KRumpelt的说法，这种类型的燃料电池中使用的大部分材料是Teflon塑料。另一方面，固体氧化物燃料电池是在800℃下操作的高温装置。它由陶瓷材料制成。

“在过去的几年里，汽车行业在低温聚合物电解质燃料电池上投入了大量资金，所以固体氧化物技术稍微落后了一点，”Krumpelt说。“制造低温聚合物电解质燃料电池相当容易。然而，在固体氧化物中很难制造一个系统，尽管这个系统很简单。”

燃料电池的核心是膜电极组件，氢和氧在这里结合形成水，产生电和热。将单个膜电极组件堆叠起来以提高电压。燃料电池堆栈组件插入水平配置，因此流动通过他们从左到右。

为了生产燃料电池，催化剂涂层的膜被夹在由导电片材料制成的电极对之间，形成称为膜电极组件的单元。它们被夹在两边有迷宫通道的模压平板之间。

氢被传送到膜的一边，在那里它被分离成电子和离子。这层膜允许离子通过，但它阻止电子通过。电子必须通过一个电路到达膜的另一边，在那里它们与离子和氧结合形成水。

“燃料电池在没有任何活动部件的情况下运行，”Krumpelt说。“没有活塞移动。没有交流发电机将机械能转化为电力。它只是一个坚实的盒子。它确实很高的效率。它很干净。它的燃料电池的一个有吸引力特征是它非常低排放量。“

燃料电池系统涉及许多复杂的技术。它不仅仅是燃料电池。“里面有很多其他东西，”Krumpelt说。“事实上，燃料电池[本身]仅占总成本的25％。所有其他组件都必须适应[操作]环境。有很多机会;这就是为什么这么多公司都参与其中它现在。“

McKain解释说:“许多部件必须在高温下工作，比如燃料电池堆、燃料处理器、热交换器、进出口管汇和绝缘外壳。为了从燃料电池的效率中获得最大效益，我们必须有非常紧密的热集成。”

装配挑战

虽然数百万美元正在燃料电池研发，但大多数努力都致力于化学和物理学。研究人员花了很少的时间担心制造成本。“许多燃料电池都没有设计用于可制造性，”索赔索赔。

“当你看看这些资金馅饼的方式划分时，”可制造性“这个词无处可见，”马雷尔指出。“这是一个很大的失踪作品。当我问人们的时候，他们说'那将是下一个。但是，如果我们没有解决制造[燃料电池]的成本，该技术将在葡萄藤上死亡。我们需要更多地关注该字。“

麦凯恩补充说:“燃料电池问世后面临的挑战是如何让成本与现有的竞争选项保持一致。”“我们必须降低成本，这样才能有竞争力。”

对经济高效的燃料电池生产的一个挑战是涉及的大量组件，所有这些都对细胞操作至关重要。质量和可重复性至关重要。

Ream警告说:“有了燃料电池，堆栈中的每一个东西都必须工作，不泄漏，而且价格合理，易于检查。”热交换器是燃料电池组件的一个很好的例子，具有独特的质量要求。

Ream说:“散热器、修剪热交换器、双极板、互连器、回热器和燃料处理器都有极高的质量要求。“因为它们的要求，它们几乎都是用薄不锈钢(制成)的。快速、经济、高效地组装薄不锈钢是[关键]。我们需要以汽车价格购买航空航天质量的零部件。这是一个非常非常艰巨的挑战。”

根据Ream的说法，六西格玛在燃料电池领域是行不通的。“零件太多了，”他指出。“六西格玛会说，每七个组件中就有一个发生泄漏。这还不够好。”为了达到量产燃料电池所需的制造质量，Ream相信“(我们)必须比过去10年要求自己得到的更好，因为有大量重复的组件。

“一个小泄漏会破坏整个堆栈，”警告阵容。“诸如激光器的新兴技术将允许更快的焊接速度。积极的自动化是[保持生产成本竞争力]的唯一途径。”

大多数燃料电池仍然是手动组装的。麦凯恩表示，该行业必须开发自动化装配技术，或借鉴其他制造部门的解决方案。例如，他指的是公司燃料电池中使用的互连设备。这个微小的部分是用来分离燃料和空气在一个多管基座，以便在交替的一面电池可以看到燃料或空气。麦凯恩说，这是一个高度工程化的部分，由多层陶瓷加工的七层陶瓷层组成。

通过电子制造商为SOFCO-EFS制造互连装置。用于电子工业中使用的相同的批量生产技术用于制作该部分。然而，Mckain表示，许多其他燃料电池组件不能用自动化组装。手动组件用于将这些部件构建到堆栈中。Mckain的产品每堆叠需要50个细胞。

“这是一个因素，”麦凯恩说。“我们每个月生产25个。为了达到我们的目标，我们要做的烟囱必须是150美元一千瓦。现在10瓦的价格是1000美元。它让你知道我们要去哪里。

“现在，每一个都是单独汇总的，”邮政添加。“最终，整个堆栈将一次性举办一次，并在这个过程中一次发射。当我们开始让那些月高达40,000个月时，我们将看到卷的成本效益，我们将看到价格的成本效益材料掉了下来。“

坎帕说，他的公司正在努力开发一种燃料电池系统，可以生产400美元至500美元的成本。“其余成本必须挤出换热器，功率调节，功率控制，绝缘和制造步骤”，“邮政说明。“据我所知，没有人能够在管理整个制造部分中。我们公司努力设计制造。[但是，许多]尚未完成。”