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一、燃料電池作為新能源在國際上的發(fā)展?fàn)顩r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(shù)已成為十分緊迫的任務(wù)。

采用氫能源是當(dāng)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(dāng)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(fēng)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(xué)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(xué)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(wù)。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(guān)，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(略)顯示了這五類電池的技術(shù)、用途與應(yīng)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)。

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(yīng)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“自由汽車合作計劃”(FreedomCooperativeAutomativeResearchPlan)。該計劃支持制定有關(guān)氫能基礎(chǔ)設(shè)施法規(guī)和標準的科學(xué)基礎(chǔ)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(shù)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(yù)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(shù)不夠普及，缺乏完善的燃料供應(yīng)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(shù)，政府在規(guī)劃基礎(chǔ)建設(shè)時，建立適合于燃料電池的燃料供應(yīng)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(xué)、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(guān)健材料和部件的制備，在電池組的設(shè)計、組裝及電池系統(tǒng)總體技術(shù)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(guān)技術(shù)的研究，如大連化物所、中科院上海硅酸鹽研究所，吉林大學(xué)、中國科技大學(xué)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(wù)，與清華大學(xué)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?？萍疾糠浅Ｖ匾暫椭С秩剂想姵仄嚰夹g(shù)的研發(fā)，“十五”國家863計劃中，特別設(shè)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(yīng)加氫設(shè)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(yīng)用。也將為燃料電池在我國的應(yīng)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(shù)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(shù)委員會(TC105)。迄今為止已有七個燃料電池技術(shù)標準的工作組在進行制定工作(見表2略)，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/NPWG#？)。各個國家將借鑒這些標準編制本國在多個領(lǐng)域應(yīng)用的燃料電池技術(shù)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(lǐng)域安排的國家科技攻關(guān)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(shù)的基礎(chǔ)上，下達了進行新能源和可再生能源關(guān)鍵技術(shù)標準研究國家科技攻關(guān)計劃有關(guān)課題任務(wù)，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(shù)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(guān)標準制定，力圖使我國燃料電池技術(shù)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。

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(shù)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(shù)通用標準、安全標準及性能試驗方法和安裝技術(shù)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(shù)標準”表3(略)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(xué)性和預(yù)見性，采用國際標準和國外先進標準。