2005—2007燃料電池標準化發展規劃及制定的重點項目

 一、燃料電池作為新能源在國際上的發展狀況及動向
　　　　　　
　　石油、煤炭等不可再生能源資源的日趨枯竭，引起的環境嚴重污染及直接影響國家經濟發展、國防安全已是21世紀各國面臨的三大問題。為解決經濟發展與能源短缺及環境污染之間日益加劇的矛盾，發展清潔、高效、可持續發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的重要能源之一。
　　
　　燃料電池發電具有以下獨特的優越性：
　　　　　　
　　1．清潔。氫經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電廠。由于燃料電池本身沒有轉動部件，因此其工作環境非常安靜。
　　　　　　
　　2．高效。從理論上講，燃料電池可將燃料所含化學能的90%轉化為可利用的電和能。已實現商業化的磷酸型燃料電池((PAFC)實際運行中發電效率接近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。與燃燒渦輪機循環系統或內燃機相比，燃料電池發電系統其轉動部件很少，因而系統更加安全可靠。燃料電池系統發生的唯一事故就是效率降低。
　　　　　　
　　4．靈活－分散式供電。電力工業集中供電的模式越來越受到分散式供電的挑戰。電力工業由于規模效益，發電廠(站)規模都很大，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。燃料電池發電廠就是屬于分散式供電系統的一種。其效率與其規模無關，可根據用戶需求而增減發電容量；其安全性和供電質量非常高。這對計算機、通訊、銀行、連續生產等系統非常有利，因為它減少了由外部電網中斷所可能引起的事故。
　　　　　　
　　燃料電池按電解質的性質劃分為五大類，它們各自處在不同的發展階段。表1(略)顯示了這五類電池的技術、用途與應用現狀等特性。從中，我們知道可用作新能源的有質子交換膜燃料電池(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，加強能源系統和燃料電池的研究和開發，以便在中期內使歐盟減少對石油的依賴和保持可持續發展。這些措施包括首先是建立一個協調機構，對可行建議和計劃進行協調；此外還確定了以氫為主的發展戰略和日程表。氫燃料電池是歐盟實現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，環境和氣候變化問題。此外，它還使能源生產不那么集中”。不過，歐洲在這方面的公共支持還處于較低水平。在2002~2006年期間內僅投資3億歐元。

　　美國能源部于2002年9月5日正式發布“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和標準的科學基礎的研究，重點是燃料電池動力系統，氫能存儲系統等同時確定2010年目標的技術指標：2003年2月6日美國布什總統在華盛頓舉行的能源問題論壇上說，如果美國把氫動力發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17億美元的經費，其中包括用于氫研究的7.2億美元新經費。

　　然而，目前燃料電池在國際范圍內仍未進入大規模的商業化，主要有以下幾個原因：

　　1．與傳統的發電方式相比，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，政府在規劃基礎建設時，建立適合于燃料電池的燃料供應體系。

　　3．優化電池結構與發電系統。

　　二、燃料電池作為新能源在我國的研發現狀
　　　　　　
　　我國自90年代以來，多家研究機構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、組裝及電池系統總體技術的開發上取得了一定的突破。上海交大2001年6月成功進行了kW電池組的發電試驗。目前我國已具備了研制數十kW級熔融碳酸鹽燃料電池發電系統的能力。
　　　　　　
　　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的發電試驗。目前我國也已具備了研制數kW級固體氧化燃料電池發電系統的能力。
　　　　　　
　　我國質子交換膜燃料電池的研發進展得更快些。由于受國際上發展趨勢，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動機的研制任務，與清華大學轎車配套的燃料電池發動機功率達到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，“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工作。
　　　　　　
　　2003年3月27日由中國政府、聯合國開發計劃署－全球環境基金(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業化和推廣應用。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業，其技術尚未完善，大規模商業化也還有待時日，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－“微型燃料電池發電系統－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，和擁有自主知識產權專利技術的基礎上，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，包括了研究質子交換膜燃料電池的標準體系、“質子交換膜燃料電池術語”標準以及制定“質子交換膜電池組及系統”標準。這些標準已經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標準。

　　四、2005~2007燃料電池標準化發展重點

　　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、電池系統標準的制定工作。

　　2．根據質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“車輛用驅動和輔助動力裝置的燃料電池系統技術標準”表3(略)為建議的2005~2007年我國燃料電池標準化發展的重點項目。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。