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一、燃料电池作为新能源在国际上的发展状况及动向
石油、煤炭等不可再生能源资源的日趋枯竭，引起的环境严重污染及直接影响国家经济发展、国防安全已是21世纪各国面临的三大问题。为解决经济发展与能源短缺及环境污染之间日益加剧的矛盾，发展清洁、高效、可持续发展的新能源动力技术已成为十分紧迫的任务。
采用氢能源是当前世界公认的可代替石油能源的主要出路之一。氢是一种可储藏运输、燃点较高，热值相当汽油的3倍，实质上是一种可再生能源。21世纪将成为氢能的时代。美国、欧洲、日本等强国在制定其未来能源政策时，都把发展氢能作为一个主要方向，而燃料电池正是氢能时代的最佳能量转换装置。作为燃料电池燃料的氢可从煤碳、天然气和石油中制取，也可从植物、生物排放物、太阳能、风能和电解水等过程中制取。因此隨着生产成本、可靠性、寿命等问题的逐步解决，燃料电池有望在2010年左右进入商品化，并逐渐成为一种世界范围内的重要能源之一。
燃料电池发电具有以下独特的优越性：
1．清洁。氢经过燃料电池电化学作用，一面释放电能推动机械作功，一面与空气中的氧化合又重新产生水，几乎无硫氧化合物(SOx)和氮氧化合物(NOx)的排放，温室气体CO2的排放量也远小于火力发电厂。由于燃料电池本身没有转动部件，因此其工作环境非常安静。
2．高效。从理论上讲，燃料电池可将燃料所含化学能的90%转化为可利用的电和能。已实现商业化的磷酸型燃料电池((PAFC)实际运行中发电效率接近46%；而熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)的发电效率可达到60%，而目前其他能源的效率大约是：核能30~33%、天然气30~40%、煤为33~38%、油为34~40%。
3．可靠。与燃烧涡轮机循环系统或内燃机相比，燃料电池发电系统其转动部件很少，因而系统更加安全可靠。燃料电池系统发生的唯一事故就是效率降低。
4．灵活-分散式供电。电力工业集中供电的模式越来越受到分散式供电的挑战。电力工业由于规模效益，发电厂(站)规模都很大，而且远离用户，电力要通过高压线及变电站输送到用户。分散式电站与用户距离很近，利于降低成本，改进服务。燃料电池发电厂就是属于分散式供电系统的一种。其效率与其规模无关，可根据用户需求而增减发电容量；其安全性和供电质量非常高。这对计算机、通讯、银行、连续生产等系统非常有利，因为它减少了由外部电网中断所可能引起的事故。
燃料电池按电解质的性质划分为五大类，它们各自处在不同的发展阶段。表1显示了这五类电池的技术、用途与应用现状等特性。从中，我们知道可用作新能源的有质子交换膜燃料电池(PEMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)。
表1 几种可供新能源的燃料电池的特性
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型别 |
PEMFC |
PAFC |
MCFC |
SOFC |
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名称性能 |
质子交换膜
燃料电池 |
磷酸燃料电池 |
熔融碳酸盐
燃料电池 |
固体氧化物
燃料电池 |
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电解质 |
Polymer |
H3PO4 |
Li2CO362mol%
K2CO338 mol% |
YSZ稳定氧化锆 |
|
阳极 |
白金/碳 |
白金/碳 |
镍/铬铝 |
镍/锆 |
|
阴极 |
白金/碳铂黑 |
白金/碳 |
氧化镍 |
锰酸镧 |
|
工作温度℃ |
60~80 |
160~220 |
620~660 |
800~1000 |
|
燃料 |
H2/CH3HO(重整) |
H2/CH3HO(重整) |
H2,CH化合物 |
H2,CH化合物 |
|
功率密度kW/m2 |
3(目标) |
1.5~2.0 |
1.8~2.2 |
3(目标) |
|
效率(电)% |
40~45 |
35~42 |
45~60 |
45~65 |
|
主要用途 |
移动、便携式或
固定式动力源 |
热电联供集中或
分散型电站 |
热电联供集中或
分散型电站 |
热电联供集中或
分散型电站 |
|
应注意问题 |
CO中毒 |
CO中毒 |
高温电解液腐蚀 |
瓷件易碎裂 |
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国外技术现状 |
250kW |
11kW |
2MW |
100kW |
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进展状况 |
演示阶段 |
商业运行(〉150套) |
演示阶段 |
演示阶段 |
欧美都在大力发展燃料电池。2003年9月10日欧盟委员批准通过了一系列措施，加强能源系统和燃料电池的研究和开发，以便在中期内使欧盟减少对石油的依赖和保持可持续发展。这些措施包括首先是建立一个协调机构，对可行建议和计划进行协调；此外还确定了以氢为主的发展战略和日程表。氢燃料电池是欧盟实现2020年20%能源来自替代能源目标的主要办法。欧盟认为“燃料电池将有助于解决能源供应安全，环境和气候变化问题。此外，它还使能源生产不那么集中”。不过，欧洲在这方面的公共支持还处于较低水平。在2002~2006年期间内仅投资3亿欧元。
美国能源部于2002年9月5日正式发布“自由汽车合作计划”(Freedom Cooperative Automative Research Plan)。该计划支持制定有关氢能基础设施法规和标准的科学基础的研究，重点是燃料电池动力系统，氢能存储系统等同时确定2010年目标的技术指标：2003年2月6日美国布什总统在华盛顿举行的能源问题论坛上说，如果美国把氢动力发展成为一种实用的民用燃料，“我们就能在2040年以前把每天的石油需求量减少1100万桶以上”。布什的预算案建议今后5年里为氢燃料计划和“自由汽车合作计划”提供17亿美元的经费，其中包括用于氢研究的7.2亿美元新经费。
然而，目前燃料电池在国际范围内仍未进入大规模的商业化，主要有以下几个原因：
1．与传统的发电方式相比，燃料电池市场价格依然昂贵；
2．燃料电池的工作寿命及可靠性仍有待于进一步提高；
3．燃料电池技术不够普及，缺乏完善的燃料供应体系。
因此朝着解决上述问题的主要方向是：
1．研究新材料：如新的离子交换膜、新型电催化剂、新型双极板等，以降低燃料电池的制造成本，提高燃料电池的工作寿命及可靠性，增强其市场竞争力。
2．建立示范模型：如以燃料电池为动力的纯电动车；住宅或商用分散型燃料电池电站；便携式燃料电池动力源等。通过示范模型，普及燃料电池技术，政府在规划基础建设时，建立适合于燃料电池的燃料供应体系。
3．优化电池结构与发电系统。
二、燃料电池作为新能源在我国的研发现状
我国自90年代以来，多家研究机构开展了熔融碳酸盐燃料电池的研究工作。上海交通大学、大连化物所等单位在阴极、阳极、LiAlO2粉料、电解质隔膜，双极板等关健材料和部件的制备，在电池组的设计、组装及电池系统总体技术的开发上取得了一定的突破。上海交大2001年6月成功进行了kW电池组的发电试验。目前我国已具备了研制数十kW级熔融碳酸盐燃料电池发电系统的能力。
在“八五”、“九五”期间我国已有十几个单位进行了SOFC相关技术的研究，如大连化物所、中科院上海硅酸盐研究所，吉林大学、中国科技大学等。在材料和部件，在工艺方面都取得了较大的进展。2001年3月中科院上海硅酸盐所成功地进行了800W的发电试验。目前我国也已具备了研制数kW 级固体氧化燃料电池发电系统的能力。
我国质子交换膜燃料电池的研发进展得更快些。由于受国际上发展趋势，特别是电动汽车的需求的影响。比较有影响的单位是大连化物所，北京世纪富源公司，上海神力公司及北京绿能公司等单位。他们研制的电池组最大功率均能做到30kW以上。上海神力公司的报告称他们已完成第二代燃料电池发动机的研制任务，与清华大学轿车配套的燃料电池发动机功率达到45kW与该校大巴车配套的功率则可达80kW。科技部非常重视和支持燃料电池汽车技术的研发，“十五”国家863计划中，特别设入电动汽车重大专项，投入近9亿元，无疑这将推动PEMFC在电动汽车上作为动力的研发工作。
2003年3月27日由中国政府、联合国开发计划署-全球环境基金(UNDP-GEF)合作项目“中国燃料电池公共汽车商用化示范”正式启动。这项目为时5年，采用全球招标方式购置6辆燃料电池公共汽车，并建立相应加氢设施。这项目最终将推动燃料电池公共汽车在中国产业化和推广应用。也将为燃料电池在我国的应用及其标准化工作起促进作用。
三、燃料电池的标准化状况
燃料电池作为新兴产业，其技术尚未完善，大规模商业化也还有待时日，因此其标准化工作历史不长。1998年国际电工委员会(IEC)才成立了燃料电池技术委员会(TC105)。迄今为止已有七个燃料电池技术标准的工作组在进行制定工作(见表2)，去年8月22日又开始传递新的工作项目-“微型燃料电池发电系统-安全”标准(IEC105/61/NP WG#？)。各个国家将借鉴这些标准编制本国在多个领域应用的燃料电池技术标准。2002年10月科技部在我国“九五”期间新能源和可再生能源领域安排的国家科技攻关项目、863计划项目等重大项目已取得阶段性成果，和拥有自主知识产权专利技术的基础上，下达了进行新能源和可再生能源关键技术标准研究国家科技攻关计划有关课题任务，包括了研究质子交换膜燃料电池的标准体系、“质子交换膜燃料电池术语”标准以及制定“质子交换膜电池组及系统”标准。这些标准已经按计划完成或在进行中。它们基本上是采纳IEC/TC105的有关标准制定，力图使我国燃料电池技术及标准与国际接轨。除此之外，我国上述几种燃料电池的标准大都仅仅是企业标准。
表2 IEC燃料电池标准
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IEC/TC105标准 |
|
序号 |
标准名称 |
项目号 |
阶段 |
|
1. |
燃料电池技术 第1部分：术语 |
62282-1 |
CD |
|
2. |
燃料电池技术 第2部分：燃料电池模块 |
62282-2 |
CDV |
|
3. |
燃料电池技术 第3-1部分：固定式燃料电池电站-安全性 |
62282-3-1 |
NP |
|
4. |
燃料电池技术 第3-2部分：固定式燃料电池电站-性能试验方法 |
62282-3-2 |
CDV |
|
5. |
燃料电池技术 第3-3部分：固定式燃料电池电站-配置安装 |
62282-3-3 |
NP |
|
6. |
燃料电池技术 第4部分：作为驱动和辅助动力的燃料电池系统 |
62282-4 |
NP |
|
7. |
燃料电池技术 第5部分：便携式燃料电池装置-安全及性能 |
62282-5 |
NP |
|
8. |
微型燃料电池发电系统-安全 |
注：2003.8.22提交2003.11.28投票 |
NP |
四、2005~2007燃料电池标准化发展重点
1．开展固体氧化物燃料电池(SOFC)和熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）体系的研究，术语标准及电池组、电池系统标准的制定工作。
2．根据质子交换膜燃料电池体系表，开展制定固定式电站技术通用标准、安全标准及性能试验方法和安装技术标准等工作。
3．配合“中国燃料电池公共汽车商用化示范”项目的开展，制定“车辆用驱动和辅助动力装置的燃料电池系统技术标准”表3为建议的2005~2007年我国燃料电池标准化发展的重点项目。在制定上述标准时中，要增强科学性和预见性，采用国际标准和国外先进标准。
表3 2005~2007年燃料电池标准化发展的制定重点项目
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序号 |
项目名称 |
级别 |
立项依据 |
采用的技术 |
标准化的作用 |
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1. |
固体氧化物燃料电池(SOFC)术语标准及电池组、电池系统技术要求 |
国标 |
对应IEC标准 |
先进适用技术 |
促进商业化 |
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2. |
熔融酸盐燃料电池(MCFC)术语标准及电池组、电池系统技术要求 |
国标 |
对应IEC标准 |
先进适用技术 |
促进商业化 |
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3. |
固定式电站技术通用标准、安全标准、性能试验方法和安装技术标准 |
国标 |
对应IEC标准 |
先进适用技术 |
促进商业化 |
|
4. |
车辆用驱动和辅助动力装置的燃料电池系统技术标准 |
国标 |
对应IEC标准新产品 |
先进适用技术 |
促进商业化 |
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5. |
供氢基本要求及安全规程 |
国标 |
配合燃料电池公共汽车商用化示范项目 |
先进适用技术 |
促进商业化 |
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6. |
储氢器技术要求及安全规程 |
国标 |
对应IEC标准 |
先进适用技术 |
促进商业化 |
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7. |
燃料电池汽车加氢站标准 |
国标 |
对应IEC标准 |
先进适用技术 |
促进商业化 |
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