一、燃料電池作為新能源在國際上的發(fā)展狀況及動向

    石油、煤炭等不可再生能源資源的日趨枯竭，引起的環(huán)境嚴重污染及直接影響國家經(jīng)濟發(fā)展、國防安全已是21世紀各國面臨的三大問題。為解決經(jīng)濟發(fā)展與能源短缺及環(huán)境污染之間日益加劇的矛盾，發(fā)展清潔、高效、可持續(xù)發(fā)展的新能源動力技術已成為十分緊迫的任務。

    采用氫能源是當前世界公認的可代替石油能源的主要出路之一。氫是一種可儲藏運輸、燃點較高，熱值相當汽油的3倍，實質(zhì)上是一種可再生能源。21世紀將成為氫能的時代。美國、歐洲、日本等強國在制定其未來能源政策時，都把發(fā)展氫能作為一個主要方向，而燃料電池正是氫能時代的最佳能量轉(zhuǎn)換裝置。作為燃料電池燃料的氫可從煤碳、天然氣和石油中制取，也可從植物、生物排放物、太陽能、風能和電解水等過程中制取。因此隨著生產(chǎn)成本、可靠性、壽命等問題的逐步解決，燃料電池有望在2010年左右進入商品化，并逐漸成為一種世界范圍內(nèi)的重要能源之一。

    燃料電池發(fā)電具有以下獨特的優(yōu)越性：

    1．清潔。氫經(jīng)過燃料電池電化學作用，一面釋放電能推動機械作功，一面與空氣中的氧化合又重新產(chǎn)生水，幾乎無硫氧化合物(SOx)和氮氧化合物(NOx)的排放，溫室氣體CO2的排放量也遠小于火力發(fā)電廠。由于燃料電池本身沒有轉(zhuǎn)動部件，因此其工作環(huán)境非常安靜。

    2．高效。從理論上講，燃料電池可將燃料所含化學能的90%轉(zhuǎn)化為可利用的電和能。已實現(xiàn)商業(yè)化的磷酸型燃料電池((PAFC)實際運行中發(fā)電效率接近46%；而熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)的發(fā)電效率可達到60%，而目前其他能源的效率大約是：核能30~33%、天然氣30~40%、煤為33~38%、油為34~40%。

    3．可靠。與燃燒渦輪機循環(huán)系統(tǒng)或內(nèi)燃機相比，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)其轉(zhuǎn)動部件很少，因而系統(tǒng)更加安全可靠。燃料電池系統(tǒng)發(fā)生的唯一事故就是效率降低。

    4．靈活-分散式供電。電力工業(yè)集中供電的模式越來越受到分散式供電的挑戰(zhàn)。電力工業(yè)由于規(guī)模效益，發(fā)電廠(站)規(guī)模都很大，而且遠離用戶，電力要通過高壓線及變電站輸送到用戶。分散式電站與用戶距離很近，利于降低成本，改進服務。燃料電池發(fā)電廠就是屬于分散式供電系統(tǒng)的一種。其效率與其規(guī)模無關，可根據(jù)用戶需求而增減發(fā)電容量；其安全性和供電質(zhì)量非常高。這對計算機、通訊、銀行、連續(xù)生產(chǎn)等系統(tǒng)非常有利，因為它減少了由外部電網(wǎng)中斷所可能引起的事故。

    燃料電池按電解質(zhì)的性質(zhì)劃分為五大類，它們各自處在不同的發(fā)展階段。表1顯示了這五類電池的技術、用途與應用現(xiàn)狀等特性。從中，我們知道可用作新能源的有質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)。

表1   幾種可供新能源的燃料電池的特性

型別	PEMFC	PAFC	MCFC	SOFC
名稱性能	質(zhì)子交換膜 燃料電池	磷酸燃料電池	熔融碳酸鹽 燃料電池	固體氧化物 燃料電池
電解質(zhì)	Polymer	H3PO4	Li2CO362mol% K2CO338 mol%	YSZ穩(wěn)定氧化鋯
陽極	白金/碳	白金/碳	鎳/鉻鋁	鎳/鋯
陰極	白金/碳鉑黑	白金/碳	氧化鎳	錳酸鑭
工作溫度℃	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(目標)	1.5~2.0	1.8~2.2	3(目標)
效率(電)%	40~45	35~42	45~60	45~65
主要用途	移動、便攜式或 固定式動力源	熱電聯(lián)供集中或 分散型電站	熱電聯(lián)供集中或 分散型電站	熱電聯(lián)供集中或 分散型電站
應注意問題	CO中毒	CO中毒	高溫電解液腐蝕	瓷件易碎裂
國外技術現(xiàn)狀	250kW	11kW	2MW	100kW
進展狀況	演示階段	商業(yè)運行(〉150套)	演示階段	演示階段

    歐美都在大力發(fā)展燃料電池。2003年9月10日歐盟委員批準通過了一系列措施，加強能源系統(tǒng)和燃料電池的研究和開發(fā)，以便在中期內(nèi)使歐盟減少對石油的依賴和保持可持續(xù)發(fā)展。這些措施包括首先是建立一個協(xié)調(diào)機構(gòu)，對可行建議和計劃進行協(xié)調(diào)；此外還確定了以氫為主的發(fā)展戰(zhàn)略和日程表。氫燃料電池是歐盟實現(xiàn)2020年20%能源來自替代能源目標的主要辦法。歐盟認為“燃料電池將有助于解決能源供應安全，環(huán)境和氣候變化問題。此外，它還使能源生產(chǎn)不那么集中”。不過，歐洲在這方面的公共支持還處于較低水平。在2002~2006年期間內(nèi)僅投資3億歐元。

    美國能源部于2002年9月5日正式發(fā)布“自由汽車合作計劃”(Freedom Cooperative Automative Research Plan)。該計劃支持制定有關氫能基礎設施法規(guī)和標準的科學基礎的研究，重點是燃料電池動力系統(tǒng)，氫能存儲系統(tǒng)等同時確定2010年目標的技術指標：2003年2月6日美國布什總統(tǒng)在華盛頓舉行的能源問題論壇上說，如果美國把氫動力發(fā)展成為一種實用的民用燃料，“我們就能在2040年以前把每天的石油需求量減少1100萬桶以上”。布什的預算案建議今后5年里為氫燃料計劃和“自由汽車合作計劃”提供17億美元的經(jīng)費，其中包括用于氫研究的7.2億美元新經(jīng)費。

    然而，目前燃料電池在國際范圍內(nèi)仍未進入大規(guī)模的商業(yè)化，主要有以下幾個原因：

    1．與傳統(tǒng)的發(fā)電方式相比，燃料電池市場價格依然昂貴；

    2．燃料電池的工作壽命及可靠性仍有待于進一步提高；

    3．燃料電池技術不夠普及，缺乏完善的燃料供應體系。

    因此朝著解決上述問題的主要方向是：

    1．研究新材料：如新的離子交換膜、新型電催化劑、新型雙極板等，以降低燃料電池的制造成本，提高燃料電池的工作壽命及可靠性，增強其市場競爭力。

    2．建立示范模型：如以燃料電池為動力的純電動車；住宅或商用分散型燃料電池電站；便攜式燃料電池動力源等。通過示范模型，普及燃料電池技術，政府在規(guī)劃基礎建設時，建立適合于燃料電池的燃料供應體系。

    3．優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)與發(fā)電系統(tǒng)。

    二、燃料電池作為新能源在我國的研發(fā)現(xiàn)狀

    我國自90年代以來，多家研究機構(gòu)開展了熔融碳酸鹽燃料電池的研究工作。上海交通大學、大連化物所等單位在陰極、陽極、LiAlO2粉料、電解質(zhì)隔膜，雙極板等關健材料和部件的制備，在電池組的設計、組裝及電池系統(tǒng)總體技術的開發(fā)上取得了一定的突破。上海交大2001年6月成功進行了kW電池組的發(fā)電試驗。目前我國已具備了研制數(shù)十kW級熔融碳酸鹽燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的能力。

    在“八五”、“九五”期間我國已有十幾個單位進行了SOFC相關技術的研究，如大連化物所、中科院上海硅酸鹽研究所，吉林大學、中國科技大學等。在材料和部件，在工藝方面都取得了較大的進展。2001年3月中科院上海硅酸鹽所成功地進行了800W的發(fā)電試驗。目前我國也已具備了研制數(shù)kW 級固體氧化燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的能力。

    我國質(zhì)子交換膜燃料電池的研發(fā)進展得更快些。由于受國際上發(fā)展趨勢，特別是電動汽車的需求的影響。比較有影響的單位是大連化物所，北京世紀富源公司，上海神力公司及北京綠能公司等單位。他們研制的電池組最大功率均能做到30kW以上。上海神力公司的報告稱他們已完成第二代燃料電池發(fā)動機的研制任務，與清華大學轎車配套的燃料電池發(fā)動機功率達到45kW與該校大巴車配套的功率則可達80kW。科技部非常重視和支持燃料電池汽車技術的研發(fā)，“十五”國家863計劃中，特別設入電動汽車重大專項，投入近9億元，無疑這將推動PEMFC在電動汽車上作為動力的研發(fā)工作。

    2003年3月27日由中國政府、聯(lián)合國開發(fā)計劃署-全球環(huán)境基金(UNDP-GEF)合作項目“中國燃料電池公共汽車商用化示范”正式啟動。這項目為時5年，采用全球招標方式購置6輛燃料電池公共汽車，并建立相應加氫設施。這項目最終將推動燃料電池公共汽車在中國產(chǎn)業(yè)化和推廣應用。也將為燃料電池在我國的應用及其標準化工作起促進作用。

    三、燃料電池的標準化狀況

    燃料電池作為新興產(chǎn)業(yè)，其技術尚未完善，大規(guī)模商業(yè)化也還有待時日，因此其標準化工作歷史不長。1998年國際電工委員會(IEC)才成立了燃料電池技術委員會(TC105)。迄今為止已有七個燃料電池技術標準的工作組在進行制定工作(見表2)，去年8月22日又開始傳遞新的工作項目-“微型燃料電池發(fā)電系統(tǒng)-安全”標準(IEC105/61/NP　WG#？)。各個國家將借鑒這些標準編制本國在多個領域應用的燃料電池技術標準。2002年10月科技部在我國“九五”期間新能源和可再生能源領域安排的國家科技攻關項目、863計劃項目等重大項目已取得階段性成果，和擁有自主知識產(chǎn)權(quán)專利技術的基礎上，下達了進行新能源和可再生能源關鍵技術標準研究國家科技攻關計劃有關課題任務，包括了研究質(zhì)子交換膜燃料電池的標準體系、“質(zhì)子交換膜燃料電池術語”標準以及制定“質(zhì)子交換膜電池組及系統(tǒng)”標準。這些標準已經(jīng)按計劃完成或在進行中。它們基本上是采納IEC/TC105的有關標準制定，力圖使我國燃料電池技術及標準與國際接軌。除此之外，我國上述幾種燃料電池的標準大都僅僅是企業(yè)標準。

表2　IEC燃料電池標準

IEC/TC105標準
序號	標準名稱	項目號	階段
1.	燃料電池技術 第1部分：術語	62282-1	CD
2.	燃料電池技術 第2部分：燃料電池模塊	62282-2	CDV
3.	燃料電池技術 第3-1部分：固定式燃料電池電站-安全性	62282-3-1	NP
4.	燃料電池技術 第3-2部分：固定式燃料電池電站-性能試驗方法	62282-3-2	CDV
5.	燃料電池技術 第3-3部分：固定式燃料電池電站-配置安裝	62282-3-3	NP
6.	燃料電池技術 第4部分：作為驅(qū)動和輔助動力的燃料電池系統(tǒng)	62282-4	NP
7.	燃料電池技術 第5部分：便攜式燃料電池裝置-安全及性能	62282-5	NP
8.	微型燃料電池發(fā)電系統(tǒng)-安全	注：2003.8.22提交2003.11.28投票	NP

    四、2005~2007燃料電池標準化發(fā)展重點

    1．開展固體氧化物燃料電池(SOFC)和熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）體系的研究，術語標準及電池組、電池系統(tǒng)標準的制定工作。

    2．根據(jù)質(zhì)子交換膜燃料電池體系表，開展制定固定式電站技術通用標準、安全標準及性能試驗方法和安裝技術標準等工作。

    3．配合“中國燃料電池公共汽車商用化示范”項目的開展，制定“車輛用驅(qū)動和輔助動力裝置的燃料電池系統(tǒng)技術標準”表3為建議的2005~2007年我國燃料電池標準化發(fā)展的重點項目。在制定上述標準時中，要增強科學性和預見性，采用國際標準和國外先進標準。

表3  2005~2007年燃料電池標準化發(fā)展的制定重點項目

序號	項目名稱	級別	立項依據(jù)	采用的技術	標準化的作用
1.	固體氧化物燃料電池(SOFC)術語標準及電池組、電池系統(tǒng)技術要求	國標	對應IEC標準	先進適用技術	促進商業(yè)化
2.	熔融酸鹽燃料電池(MCFC)術語標準及電池組、電池系統(tǒng)技術要求	國標	對應IEC標準	先進適用技術	促進商業(yè)化
3.	固定式電站技術通用標準、安全標準、性能試驗方法和安裝技術標準	國標	對應IEC標準	先進適用技術	促進商業(yè)化
4.	車輛用驅(qū)動和輔助動力裝置的燃料電池系統(tǒng)技術標準	國標	對應IEC標準新產(chǎn)品	先進適用技術	促進商業(yè)化
5.	供氫基本要求及安全規(guī)程	國標	配合燃料電池公共汽車商用化示范項目	先進適用技術	促進商業(yè)化
6.	儲氫器技術要求及安全規(guī)程	國標	對應IEC標準	先進適用技術	促進商業(yè)化
7.	燃料電池汽車加氫站標準	國標	對應IEC標準	先進適用技術	促進商業(yè)化