作者: 毛宗强(清华大学核能技术设计研究院) 【论文摘要】燃料是人类社会生存的基础，人类经历了植物燃料阶段之后，现处于化石燃料阶段。 100多年来，化石燃料给地球带来巨大的灾难性污染，使得气候变化异常，以至地球上自然灾害频繁，人类生存条件恶化。太阳能是人类取之不尽，用之不竭的清洁能源。科学家正在积极开发利用太阳能，并取得可喜的进展。引言 燃料是人类社会生存的基础，人类经历了植物燃料阶段之后，现处于化石燃料阶段。 100多年来，化石燃料给地球带来巨大的灾难性污染，使得气候变化异常，以至地球上自然灾害频繁，人类生存条件恶化。太阳能是人类取之不尽，用之不竭的清洁能源。科学家正在积极开发利用太阳能，并取得可喜的进展。在科学发达的今天，我们可以将太阳能直接变成热能，也可以将太阳能直接变成电能，但是热和电的大规模直接储存并未解决。太阳能的利用受到天气和地球自转位置的制约。为了解决这个问题，科学家们化费大量的精力去研究太阳能的储存，方法之一是利用太阳能电解水，将得到的氢气和氧气分别储存起来，然后再在需要的时候利用它们经燃料电池（FC）发电，副产品是纯水。因此这是一个完全可再生的无污染的燃料循环。德国于利希（Julich）研究中心已经开始这项试验，并取得了很好的示范效果。 FC以氢气为燃料、空气中的氧气作为氧化剂，通过电化学反应得到电能并生成纯净水。从长远来看，FC将是氢无污染地转化成电能的最佳方案，可以真正做到零排放。 通常，按FC的电解质将其分为：碱性燃料电池（AFC）、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他（sOFC）。AFC的工作温度一般为80°C， KOH为电解质）因对CO2很敏感，有被PEMFC取代的趋势。PEMFC又称为固体聚合物燃料电池（SPFC），在50-100°C下工作，其电解质是一种固体有机膜，用铂做催化剂，但在该温度下铂对CO极其敏感。PEMFC是最有前途的交通工具的动力，目前全世界已有PEMFC大公共汽车在示范运行。1998年，德国奔驰、美国福特和加拿大巴拉德（BALLARD）合资组成DBB公司，计划到2005年年产10万台汽车用PEMFC发动机。PAFCI作在200°C左右，磷酸为电解质，PAFC常用铂作催化剂，也有CO中毒问题，已建成的11MWPAFC电站表明，因排放热的温度低，而使其经济性不佳。从目前技术水平看，PAFC适合作小住宅区的现场电站。MCFC使用熔融的碱性碳酸盐作为电解质，镍做催化剂，工作温度在650°C左右，材料腐蚀是MCFC的难点。SOFC电解质和电极都是陶瓷材料，工作温度在1000°C左右。目前已制成100kw电堆，sOFC的优点是不用催化剂而直接使用天然气为原料，电池效率较高。因此，它是未来大规模清洁发电站的优选对象，缺点是1000°C高温下材料较难解决，目前人们也在研究800°C左右的中温SOFC。 我国FC的研究始于1958年，当时人们凭着一股热情推动燃料电池上马，不过很快就堰旗息鼓了。70年代初，在航天计划的带动下，我国FC的研究掀起高潮，武汉大学、中科院大化所、原电子部天津电源研究所等单位研制AFC并取得一定的成果，后因航天计划改变，FC研究也就基本中止。90年代，环境保护、能源短缺的双重压力，以及国际上FC的突破性进展的带动，我国第二次FC研制高潮逐渐形成。1 我国燃料电池第一次研究热潮 武汉大学和中科院长春应化所于60年代中期即开始FC的基础研究，后因文化大革命而中止。1972年，武汉大学与武汉邮电研究院协作研制200W氨一空气FC系统。该系统由电他本体、燃料源和自控设备三部分组成。来自液氨瓶的氨气经裂解成3H2＋N2混合气，冷却后用作负极（氢极）
氢和氧气是燃料电池常用的燃料气和氧化剂。此外，CO等一些气体也可作为MCFC与SOFC的燃料。从长远发展看，高温型MCFC和SOFC系统是利用煤炭资源进行高效、清洁发电的有效途径。我国丰富的煤炭资源是燃料电池所需燃料的巨大来源。
燃料电池具有高效率、无污染、建设周期短、易维护以及成本低的诱人特点，它不仅是汽车最有前途的替代清洁能源，还能广泛用于航天飞机、潜艇、水下机器人、通讯系统、中小规模电站、家用电源，又非常适合提供移动、分散电源和接近终端用户的电力供给，还能解决电网调峰问题。随着燃料电池的商业化推广，市场前景十分广阔。人们预测，燃料电池将成为继火电、水电、核电后的第四电方式[1]，它将引发21世纪新能源与环保的绿色革命。
1，中国燃料电池技术的进展
“燃料电池技术”是我国“九五”期间的重大发展项目，目标是，利用我国的资源优势，从高起点做起，加强创新；在“九五”期间，使我国燃料电池的技术发展接近国际水平。内容包括“质子交换膜燃料电池技术”、“熔融碳酸盐燃料电池技术”及“固体氧化物燃料电池技术”三大项目[2]，其中，用于电动汽车的“5kW质子交换膜燃料电池”列为开发的重点。此项任务由中国科学院及部门所属若干研究所承担。所定目标业已全部实现。
在质子交换膜燃料电池（PEMFC）方面，我国研究开发的这类电池已经达到可以装车的技术水平，可以与世界发达国家竞争，而且在市场份额上，可以并且有能力占有一定比例[1]。我国自把质子交换膜燃料电池列为"九五"科技攻关计划的重点项目以后，以大连化学物理研究所为牵头单位，在全国范围内全面开展了质子交换膜燃料电池的电池材料与电池系统的研究，取得了很大进展，相继组装了多台百瓦、1kW-2kW、5kW、10kW至30kW电池组与电池系统。5kW电池组包括内增湿部分,其重量比功率为100W/kg，体积比功率为300W/L。质子交换膜燃料电池自行车已研制成功，现已开发出200瓦电动自行车用燃料电池系统。百瓦级移动动力源和5kW移动通讯机站动力源也已开发成功。千瓦级电池系统作为动力源，已成功地进行了应用试验。由6台5kW电池组构成的30kW电池系统已成功地用作中国首台燃料电池轻型客车动力源。装车电池最大输出功率达46千瓦。目前该车最高时速达60.6km/h，为燃料电池电动汽车以及混合动力电动汽车的发展打下良好的基础。该电池堆整体性能相当于奔驰、福特与加拿大巴拉德公司联合开发的MK7质子交换膜燃料电池电动车的水平[3]。我国目前正在进行大功率质子交换膜燃料电池组的开发和燃料电池发动机系统集成的研究。
在熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）方面，我国已经研制出α和γ型偏铝酸锂粗、细粉料，制备出大面积（大于0.2m2）的电池隔膜，预测隔膜寿命超过3万小时。在进行材料部件研究的基础上，成功组装和运行了千瓦级电池组。
在固体氧化物燃料电池（SOFC）技术方面，已经制备出厚度为5-10μm的负载型致密YSZ电解质薄膜，研制出一种能用作中温SOFC连接体的Ni基不锈钢材料。负载型YSZ薄膜基中温SOFC单体电池的最大输出功率密度达到0.4W/cm2,负载型LSGM薄膜基中温SOFC单体电池的最大输出功率密度达到0.8W/cm2。这些技术创新为研制千瓦级、十千瓦级中温固体氧化物燃料电池发电技术的研发奠定了坚实基础。
2，国外燃料电池技术发展迅猛
燃料电池是新世纪最有前途的清洁能源，是替代传统能源的最佳选择。因此，燃料电池技术的研究开发受到许多国家的政府和跨国大公司的极大重视。美国将燃料电池技术列为涉及国家安全的技术之一，《时代》周刊将燃料电池电动汽车列为21世纪10大高技术之首；日本政府认为燃料电池技术是21世纪能源环境领域的核心；加拿大计划将燃料电池发展成国家的支柱产业。近十年来，国外政府和企业在燃料电池方面的投资额超过100亿美元。为开发燃料电池，戴姆勒－克莱斯勒公司一家近年来每年就投入10亿美元，丰田公司的年投资额超过50亿日元[4]。
欧、美发达国家和日本等国政府和企业界都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目，并且已取得了许多重要成果，PEMFC技术已发展到实用阶段，使得燃料电池即将取代传统发电机及内燃机而广泛应用于发电及汽车上。2MW、4.5MW、11MW成套燃料电池发电设备已进入商业化生产，用于国防、航天、汽车、医院、工厂、居民区等方面；各等级的燃料电池发电厂相继在一些发达国家建成，其中，国际燃料电池产业巨头加拿大巴拉德公司筹资3.2亿美元，建成的燃料电池厂已于2001年2月正式投产。美国和欧洲将成批生产低成本的家用供电－供暖燃料电池作为最近的开发计划。目前，在北美、日本和欧洲，燃料电池发电正快速进入工业化规模应用的阶段。
目前，车用氢燃料电池已成为世界各大汽车公司技术开发的重中之重。迄今为止，世界6大汽车公司在开发氢燃料电池车上的开发费用已超过100亿美元，并以每年10亿美元的速度递增[5]。1997年至2001年，各大公司研制出的车用燃料电池就达41种。
3，我国开发燃料电池技术相对乏力
我国研究燃料电池有过起落。在20世纪60年代曾开展过多种燃料电池的实验室研究，70年入大量人力物力开展用于空间技术的燃料电池研究，其后研究工作长期停顿。最近几年，我国才开始重新重视燃料电池技术的研究开发，并取得很大进展。特别在PEMFC方面，达到或接近了世界水平。但是，在总体上，我国燃料电池的研究开发刚刚起步，仍处于科研阶段，与国外相比，我国的燃料电池研究水平还较低，我国对燃料电池的组织开发力度还远远不够。作为世界上最大的煤炭生产国和消费国，开发以煤作为一次能源的高温型MCFC和SOFC具有特别重要的意义。但是我国在MCFC、SOFC研究方面与国外的差距很大，要实现实用化、商业化应用还有很长的路要走。迄今为止，我国还没有燃料电池发电站的应用实例。这和我国这样一个大国的地位很不相称。尽管国家也将燃料电池技术列为"九五"攻关项目，国家和企业投入的资金却极为有限，年度经费仅为千万元量级人民币，与发达国家数亿美元的投入相比显得微不足道；承担研究任务的也只是中科院等少数科研院所，且研究力量分散，缺少企业的介入，难以取得突破性进展，尤其是难以将取得的研究成果进行实际应用试验，以形成产业化趋势。从表1所列国外燃料电池的研究和开况看，欧、美国家和日本等大多是以公司企业为主在从事燃料电池的研究开发和制造生产，而且规模很大，例如，仅加拿大的Ballard一家公司的资产就达10亿美元。
4，大力发展燃料电池技术势在必行
从世界燃料电池迅猛发展的势头看，本世纪头十年将是燃料电池发电技术商品化、产业化的重要阶段，其技术实用性、生产成本等都将取得重大突破。预计燃料电池系统将在洁净煤燃料电池电站、电动汽车、移动电源、不间断电源、潜艇及空间电源等方面有着广泛的应用前景，潜在市场十分巨大。可以预料，分散电源供电系统——燃料电池发电厂必将在21世纪内取代以“大机组、大电网、高电压”为主要特征的现代电力系统，成为电力行业的主力军。而燃料电池的普遍推广应用，必将在能源及相关领域引发一场深刻的革命，促进新兴产业的形成，带动国民经济高速发展。能源领域的这场革命是我国政府、企业、科研院所、高等院校不得不正视的课题，我们对此必须有充分认识并给予足够的重视。我们应该准确把握这场革命所带给我们的机遇，毫不迟疑地投入足够的人力、物力、财力，推动燃料电池发电技术的研究开发和应用工作，使之早日实用化产业化，为我国的国家能源安全和国民经济可持续发展服务。
5．国外燃料电池发展状况 发达国家都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目，企业界也纷纷斥以巨资，从事燃料电池技术的研究与开发，现在已取得了许多重要成果，使得燃料电池即将取代传统发电机及内燃机而广泛应用于发电及汽车上。值得注意的是这种重要的新型发电方式可以大大降低空气污染及解决电力供应、电网调峰问题，2MW、4.5MW、11MW成套燃料电池发电设备已进入商业化生产，各等级的燃料电池发电厂相继在一些发达国家建成。燃料电池的发展创新将如百年前内燃机技术突破取代人力造成工业革命，也像电脑的发明普及取代人力的运算绘图及文书处理的电脑革命，又如网络通讯的发展改变了人们生活习惯的信息革命。燃料电池的高效率、无污染、建设周期短、易维护以及低成本的潜能将引爆21世纪新能源与环保的绿色革命。如今，在北美、日本和欧洲，燃料电池发电正以急起直追的势头快步进入工业化规模应用的阶段，将成为21世纪继火电、水电、核电后的第四电方式。燃料电池技术在国外的迅猛发展必须引起我们的足够重视，现在它已是能源、电力行业不得不正视的课题。 5.1．磷酸型燃料电池(PAFC) 受1973年世界性石油危机以及美国PAFC研发的影响，日本决定开发各种类型的燃料电池，PAFC作为大型节能发电技术由新能源产业技术开发机构（NEDO）进行开发。自1981年起，进行了1000kW现场型PAFC发电装置的研究和开发。1986年又开展了200kW现场性发电装置的开发，以适用于边远地区或商业用的PAFC发电装置。 富士电机公司是目前日本最大的PAFC电池堆供应商。截至1992年，该公司已向国内外供应了17套PAFC示范装置，富士电机在1997年3月完成了分散型5MW设备的运行研究。作为现场用设备已有50kW、100kW及500kW总计88种设备投入使用。下表所示为富士电机公司已交货的发电装置运行情况，到1998年止有的已超过了目标寿命4万小时。表 现场用PAFC燃料电池的运行情况容量 台数 累计运行时间 最长累计 最长连续 >1万h >2万h >3万h50kW66 1018411 33655 7098 54 15 4100kW 19 274051 356076926 11 4 3500kW 3 4343716910 42143
“电力技术是通向可持续发展的桥梁”，这个论断已经逐渐成为人们的共识。研究表明，为了实现可持续发展，应尽可能把一次能源转换为电能使用，提高电力在终端能源中的比例。因为，在保证相同的能源服务水平的前提下， 使用电力这种优质能源最清洁、方便，易于控制、效率最高。如果能将大量分散燃用的化石燃料都高效洁净地转换为电力使用，人们赖以生存的环境和生活质量就会大大改善。因此，电能高效洁净地生产、传输、储存、分配和使用的技术将成为电力技术的重点领域。以下将对若干电力前沿技术的现状和未来发展前景进行简单评述。
1. 分布式电源
当今的分布式电源主要是指用液体或气体燃料的内燃机(IC)、微型燃气轮机（Microtur_bines）和各种工程用的燃料电池（Fuel Cell）。因其具有良好的环保性能，分布式电源与“小机组”已不是同一概念。
1.1 微型燃气轮机
微型燃气轮机（Micro Turbine），是功率为几千瓦至几十千瓦，转速为96 000 r/min，以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机，工作温度500 ℃，其发电效率可达30%。目前国外已进入示范阶段。其技术关键是高速轴承、高温材料、部件加工等。可见，电工技术的突破常常取决于材料科学的进步。
1.2 燃料电池
燃料电池是直接把燃料的化学能转换为电能的装置。它是一种很有发展前途的洁净和高效的发电方式，被称为21世纪的分布式电源。
1.2.1 燃料电池的工作原理
燃料电池的工作原理颇似电解水的逆过程。氢基燃料送入燃料电池的阳极(电源的负极)转变为氢离子，空气中的氧气送入燃料电池的阴极(电源的正极)，负氧离子通过2极间离子导电的电解质到达阳极与氢离子结合成水，外电路则形成电流。
通常，完整的燃料电池发电系统由电池堆、燃料供给系统、空气供给系统、冷却系统、电力电子换流器、保护与控制及仪表系统组成。其中，电池堆是核心。低温燃料电池还应配备燃料改质器（又称为燃料重整器）。高温燃料电池具有内重整功能，无须配备重整器。磷酸型燃料电池（PAFC）是目前技术成熟、已商业化的燃料电池。现在已能生产大容量加压型11 MW的设备及便携式250 kW等各种设备。第2代燃料电池的溶融碳酸盐电池（MCFC），工作在高温（600～700 ℃）下，重整反应可以在内部进行，可用于规模发电，现在正在进行兆瓦级的验证试验。固体电解质燃料电池（SOFC）被称为第3代燃料电池。由于电解质是氧化锆等固体电解质，未来可用于煤基燃料发电。质子交换膜燃料电池是最有希望的电动车电源。
1.2.2 性能和特点
燃料电池有以下优点：（1）有很高的效率，以氢为燃料的燃料电池，理论发电效率可达100%。熔融碳酸盐燃料电池，实际效率可达58.4%。通过热电联产或联合循环综合利用热能，燃料电池的综合热效率可望达到80%以上。燃料电池发电效率与规模基本无关，小型设备也能得到高效率。（2）处于热备用状态，燃料电池跟随负荷变化的能力非常强，可以在1 s内跟随50%的负荷变化。(3)噪音低；可以实现实际上的零排放；省水。（4）安装周期短，安装位置灵活，可省去新建输配电系统
目前燃料电池大规模应用的障碍是造价高，在经济性上要与常规发电方式竞争尚需时日。
1.2.3 技术关键和研究课题
燃料电池的技术关键涉及电池性能、寿命、大型化、价格等与商业化有关的项目，主要涉及新的电解质材料和催化剂。熔融碳酸盐电池（MCFC）在高温条件下液体电解质的损失和腐蚀渗漏降低了电池的寿命，使MCFC的大型化及实用化受到限制。需要解决电池构成材料的腐蚀；电极细孔构造变化使电池性能下降等问题。固体氧化物燃料电池（SOFC）使用固体电解质且工作温度很高，对构成材料及其加工有特殊要求。为了得到高温下化学性稳定和致密性（不通过气体）的电解质，在氧化锆中加入Y2O3生成钇稳定氧化锆。为了降低工作温度，应尽可能减少电解质薄膜厚度。通常采用熔射法、烧结法和电化学蒸发涂层法制备电解质薄膜。实用的电解质膜的厚度为0.03～0.05 mm。比较先进的已达到0.01 mm。这样薄的电解质陶瓷材料除应当有足够的机械强度外，必须具有高度的气体致密性，否则将丧失燃料电池的性能。燃料极使用镍锆等耐热金属陶瓷，镍还用作燃料重整的催化剂，空气极在运行中处在高温氧化中，难以使用一般金属。铂的稳定性好，但费用昂贵，需要寻找替代材料，可用电子导电陶瓷。为了降低工作温度，另外一个重要的研究方向是寻找低温的质子导电的电解质。工作温度倘若能降低到700 ℃以下，SOFC的造价就可以大幅度降低。
2. 大功率电力电子技术的应用硅片引起的“第二次革命
2.1 大功率电力电子器件的重大进展
电力电子学（Power Electronics）的应用已经有多年的历史。电力电子学器件用于电力拖动、变频调速、大功率换流已经是比较成熟的技术。大功率电子器件（High Power Electronics）的快速发展也引起了电力系统的重大变革，通常称为硅片引起的第二次革命。
近年来，大功率电子器件已经广泛应用于电力的一次系统。可控硅（晶闸管）用于高压直流输电已经有很长的历史。大功率电子器件应用于灵活的交流输电（FACTS）、定质电力技术（Custom Power）以及新一代直流输电技术则是近10年的事。新的大功率电力电子器件的研究开发和应用，将成为电力研究前沿。
2.2 灵活交流输电技术(FACTS)
灵活交流输电技术是指电力电子技术与现代控制技术结合以实现对电力系统电压、参数(如线路阻抗)、相位角、功率潮流的连续调节控制，从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平，降低输电损耗。
Research Situation and Application Prospect of Fuel Cell
Wang Weihong
Abstract:With the development of social economy and the absence of energy,the conflict is abrupt between environment and pollution,and all the countries take up with the exploitation of energy.Whereas the fuel cell is a green energy sources,it has become the focus of the new energy sources.The classification,research situation,the virtue and application of the small fuel cell are elaborated,and the development situation and perspective of fuel cell are briefly described.
Keywords:Fuel cell Power sources Hydrogen energy
【中图分类号】G710【文献标识码】B 【文章编号】1009-9646(2009)09-0117-03
能源是经济发展的基础,没有能源工业的发展就没有现代文明。历史上利用能源的方式有过多次革命性的变革,从原始的蒸汽机到汽轮机、高压汽轮机、内燃机、燃气轮机,每一次能源利用方式的变革都极大地推进了现代文明的发展。
随着现代文明的发展,人们逐渐认识到传统的能源利用方式有两大弊病。一是储存于燃料中的化学能必需先转变成热能后再进一步转化为其它能量才能被使用,如转变成机械能或电能,受卡诺循环及现代材料的限制,在机端所获得的效率只有33%~35%,一半以上的能量白白地损失掉;二是传统的能源利用方式给今天人类的生活环境造成了巨量的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染,故科学家们一直在努力寻找既有较高能源利用效率又不污染环境的能源利用方式,这样燃料电池就应运而生啦。
1.小型燃料电池的分类
自1839年英国科学家格罗夫(Grove)用镀制的铂作电极,以氢为燃料、氧为氧化剂研制出燃料电池后,许多科学家开始把目光转向燃料电池的研发技术上,至今已有多种多样的新燃料电池出现。常见的分类方法有:按燃料的处理方式的不同,可分为直接式、间接式和再生式。直接式燃料电池按温度的不同又可分为低温型(工作温度为100℃及以下)、中温型(工作温度为100℃～300℃)和高温型(工作温度为600℃～1000℃)3种类型;按构成电池的电解质分类,主要有5类,即碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)、固体氧化物型燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)。其中后3种燃料电池是目前世界各国竞相研究开发的重点。
2.小型燃料电池的发展状况
小型燃料电池作为21世纪的高科技产品,早已受到西方发达国家的重视,企业界也纷纷投入巨资从事燃料电池技术的研究与开发,均取得了重大进展,技术走向成熟,并在一定程度上实现了商业化,使得燃料电池即将逐步取代传统发电机和内燃机而广泛应用于发电和汽车上。MW级成套燃料电池发电设备已进入商业化生产,各等级的燃料电池发电厂相继在一些发达国家建成,燃料电池汽车也已经开发出来,家庭用燃料电池也已经进入实用性试验,这充分显示了燃料电池所具有的广阔发展前景。
我国对燃料电池的研制开发起步并不晚,早在1958年,天津电源研究所就最早开展了熔融碳酸盐燃料电池的研究。20世纪70年代,在航天事业的推动下,中国燃料电池的研究曾呈现出第一次高潮。其间中国科学院大连化学物理研究所研制成功的两种类型的碱性石棉膜型氢氧燃料电池系统(kW级AFC)均通过了例行的航天环境模拟试验[3]。到20世纪90年代中期,我国政府已认识到燃料电池的重要性,国家科技部与中国科学院将小型燃料电池技术列入九五科技攻关计划,科学界和企业界的一些有识之士开始重新将目光投向燃料电池技术,中国进入了燃料电池研究的第二个高潮。尤其是质子交换膜燃料电池的研究达到或接近了世界水平。中国科学院开始组织有关研究所联合攻关,准备用几年的时间研制出大功率质子交换膜燃料电池堆在我国,中国科学院大连化学物理所在2002年5月与南孚电池集团、韩国三星电子集团分别联合开发小型燃料电池,研制并组装了10W的PEMFC电堆。中科院长春应用化学所在国内率先开展了DMFC的研究,对DMFC的电催化剂、电极、电极/膜集合体及单体电池的结构优化等进行了较为系统的研究。高等院校是我国从事燃料电池基础研究与应用开发的一支重要力量。清华大学核能与新能源及时研究院在PEMFC的膜电极制备、自增先技术等多方面取得了长足的进展[4],已研制成功了输出功率分别为30W与200W的一体化PEMFC电堆[5],以及组装出了小功率DMFC电堆。另外,武汉大学、中山大学、武汉理工大学、石油大学、北京科技大学、北京理工大学也分别在小型PMEFC方面开展了研究。我国民营高科技企业也积极参与了PEMFC的开发,北京世纪富豪原燃料电池有限公司开发出了200W系列低压型氢―空燃连电池样机[6],并出口日本与意大利;另外,上海神力科技有限公司与北京飞驰绿能公司也在开发小型氢―氧燃料电池。除此以外,许多单位也展开了对其他类型燃料电池的研。
在质子交换膜燃料电池方面,以大连化学物理研究所为牵头单位,在全国范围内全面开展了质子交换膜燃料电池的电池材料与电池系统的研究,取得了很大进展,相继组装了多台0.1kW、1～2kW、5kW、10～30kW电池组与电池系统。5kW电池组包括内增湿部分,其质量比功率为100W/kg,体积比功率为300W/L。质子交换膜燃料电池自行车已研制成功,现已开发出200W电动自行车用燃料电池系统。hW级移动动力源和5kW移动通信机站动力源也已开发成功。kW级电池系统作为动力源,已成功地进行了应用试验。由6台5kW燃料电池组构成的30kW燃料电池系统已成功地用作中国首台燃料电池轻型客车动力源。装车电池最大输出功率达46kW,目前该车最高时速达60.6km/h。我国目前正在进行大功率质子交换膜燃料电池组的开发和燃料电池发动机系统集成的研究。
在熔融碳酸盐燃料电池方面,我国已经研制出α和γ型偏铝酸锂粗、细粉料,用冷滚压法和带铸法制备出大面积(大于0.2m2)MCFC用的电池隔膜,预测隔膜寿命超过3104h。在进行材料部件研究的基础上,成功组装和运行了kW级电池组,其性能已达到20世纪80年代初的国际水平。在固体氧化物燃料电池技术方面,已经制备出厚度为5～10μm的负载型致密YSZ电解质薄膜,研制出一种能用作中温SOFC连接体的Ni基不锈钢材料。负载型YSZ薄膜基中温SOFC单体电池的最大输出功率密度达到0.4W/cm2,负载型LSGM薄膜基中温SOFC单体电池的最大输出功率密度达到0.8W/cm2。这些技术创新为kW级、10kW级中温固体氧化物燃料电池发电技术的研发奠定了坚实基础。
总的来说,我国小型燃料电池的研究开发仍处于科研阶段,与国外相比,我国的小型燃料电池研究水平还较低,要实现实用化、商业化应用还有很长的路要走。
3.小型燃料电池的优点
3.1 发电效率高。
燃料电池按电化学原理等温地直接将化学能转化为电能,它不像常规电厂那样通过锅炉、汽轮机、发电机三级能量转换才能得到电能,因此既没有中间环节的转换损失,也不受热力学卡诺循环理论的限制,理论上它的发电效率可达85%～90%。但实际上,由于工作时各种极化的限制,目前各类燃料电池的实际能量转化效率为40%～60%,若实现热电联供,燃料的总利用率可高达80%以上[7]。
3.2 环境污染小。
当燃料电池以天然气等富氢气体为燃料时,由于有高的能量转换效率,其二氧化碳的排放量比热机过程减少40%以上。除此以外,由于燃料电池的燃料气在反应前必须脱硫,而且按电化学原理发电,没有高温的燃烧过程,所以几乎不排放硫化物和氮氧化物,减轻了对大气的污染。
3.3 噪声低。
由于燃料电池按电化学反应原理工作,运动部件很少。因此,工作时噪声很低。
3.4 负荷调节灵活。
由于燃料电池发电装置是模块结构,容量可大可小,布置可集中可分散,且安装简单,维修方便。另外,当燃料电池的负载有变动时,它会很快响应,故无论处于额定功率以上过载运行或低于额定功率运行,它都能承受且效率变化不大。这种优良性能使燃料电池不仅能向广大民用用户提供独立热电联供系统,也能以分散的形式向城市公用事业用户供电,或在用电高峰时作为调节的储能电池使用。
3.5 燃料来源广。
燃料电池可应用甲醇、乙醇、煤气、沼气、天然气、含氢废气、轻油、柴油等多种燃料。
4.小型燃料电池的应用范围
由于燃料电池是目前唯一同时兼备无污染、高效率、噪声低[8]、适用广且具有连续工作能力的动力装置,特别是在现在能源紧缺、大气污染严重、提倡节约能源和保护环境的形势下,以天然气等富氢气体为燃料的燃料电池正在得到广泛的应用。其应用可能有如下几个方面:
4.1 发电。
小型燃料电池由于具有能量转换效率高、污染小、用水少、占地小等突出优点,多年来一直成为替代传统发电厂设备的最佳选择。目前,美国欧洲诸国和日本等国投入运行的磷酸型燃料电池发电厂数以百计,各国工业界人士普遍对燃料电池在发电站的应用前景看好。2001年全球燃料电池的发电能力为 75 MW。未来 10年中,全球燃料电池的发电能力将会上升到 1.5 10 MW。美国预计到 2017年美国 30%的电能将由燃料电池提供。
4.2 汽车动力。
目前,各国的汽车用量均在不断增加,汽车排放的尾气已成为城市环境的主要污染源之一,特别是发展中国家,由于环境治理的力度不够,这一问题更加突出。于是人们要求开发新型的清洁、高效的能源来解决这一问题。质子交换膜燃料电池的出现,解决了燃料电池在汽车动力成本和技术方面存在的若干问题,使燃料电池电动车的开发和使用成为可能。这种电池具有室温快速启动、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率与比能量高等特点,适合做汽车动力,是目前世界各国积极开发的运输用燃料电池。从上世纪 80年代起,北美、西欧和日本就开始研制,1993年,加拿大巴拉德公司研制出世界第一辆燃料电池公共汽车。九五期间中国科学院大连风汽车工程研究院合作,开发了我国第一辆完全具有自主知识产权的燃料电池电动公交车[9]。
4.3 家用能源。
由于上述燃料电池的优点和特征,燃料电池不但在航天、国防、电力和交通等部门得到广泛的应用,而且在民用方面也具有十分广阔的推广和应用前景。它作为家庭使用的分散电源的同时还可提供家庭用热水和供暖,这样可将天然气的能量利用率提高到 70%～90%。最近,日本东京燃气公司正式启动了供应电力、热水和供暖的小容量家庭用燃料电池能源综合利用系统发展计划。它是利用制氢装置把天然气改质为氢气,由固体高分子燃料电池用氢发电,同时供应生活用热水和供暖。三洋电机公交换膜小型燃料电池,其输出功率为1kW,投放市场后颇受用户欢迎。家用燃料电池是未来家庭能源的发展方向,相信通过各国科学家的努力,在不久的将来,高效清洁的家庭用燃料电池将走进普通百姓的家庭。
4.4 在其他方面的应用。
碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池运行时基本没有红外线辐射,而且噪声小,可用做潜艇动力。由于它们可在常温下启动工作,且能量密度高,还是理想的航天器工作电源。此外,质子交换膜燃料电池还可用作野外便携式电源。还可用于移动通讯 数码相机、手提电脑等领域。
5.小型燃料电池的发展前景
作为一种清洁高效的能源,燃料电池具有巨大的发展潜力。从20世纪90年代中期开始,世界各国的公司和科研机构不断努力试图发展小功率燃料电池,期望将其于便携式电源,手提电脑,数码相机和移动电话电源等小型电子设备电源[10]。随着更多燃料电池商业化的到来,燃料电池市场必将大幅度上升。据报道2004年美国的燃料电池销售额已达到24 亿美元。
我国也已经把“燃料电池发展技术”列为《科技发展 “十五”计划和2015年远景规划》中,为此国家科技部和中国科学院共同投入了大量的资金进行研究,已经取得了一定的成绩。如2001年全国工博会上氢燃料电池展示车的出现,表明我国已经掌握了燃料电池的先进技术。
6.结语
我国是一个农业大国,具有丰富的农作物秸秆,因而可以秸秆产生沼气,也是一个煤炭资源比较丰富的国家,可以通过煤脱硫、气化等技术产生大量煤气,以及利用太阳光照分解水的技术日益成熟,相信燃料电池的研发与使用为解决环境污染、温室效应及能源危机等问题带来了灿烂阳光与美好向往。
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科索沃战争实际上以南联盟的失败而结束了，战前人们预料的北约必须出动地面部队才能结束战斗、有可能又是一场越南战争的情况没有出现，北约仅靠78天的空袭就迫使南联盟屈服了。在这里我们必须充分注意到美国用石墨炸弹破坏南联盟电力系统，从而破坏南联盟国民经济，造成南联盟人民生活陷入极大困境在结束战争中所起的巨大作用。
电力工业属技术资金密集型行业，电能生产、输送、使用是在同一时间内完成的。现代电力系统的主要特征是"大机组、大电网、高电压"，运行技术复杂、管理水平要求高。电网上任何一点的故障所产生的扰动都会以光的速度波及开来，严重的故障可能会引起大面积停电甚至全网崩溃，造成灾难性的后果。今年7月29日23时30分，由于台南县关庙乡附近山崩，压电第326号高压输电线铁塔，使得嘉义及台南的两条输电线路跳闸所引发的台湾全岛大停电，至少造成上百亿元新台币的损失，并导致岛内民众一片惊慌。1996年7月2日、8月10日在美国西部连续发生的大停电事故和1996年8月3日马来西亚发生的全国性大停电事故，以及台湾1995年5月24日、8月5日、1999年7月29日发生的三次大停电事故，损失惨重，教训沉痛，给以大电网集中供电的现代社会敲响了警钟。科索沃战争和上述大停电事故告诉我们：以"大机组、大电网、高电压"为模式的现代电力系统是非常脆弱的，在战争状态下更是不堪一击！大电网大面积停电所造成的后果是灾难性的！从现在开始，"大机组、大电网、高电压"的模式再也不能继续发展下去了！
如何保证大电网的安全稳定运行，如何保证电力的连续生产、稳定供应成为下世纪电力工业面临的重大课题。在这里我们要指出：分散电源供电系统-燃料电池发电厂由于其巨大的优越性将成为21世纪电力行业的主力军，掌握和发展燃料电池发电技术是事关国家安全和中华民族振兴的重大问题；是事关我国国民经济可持续发展和占领21世纪电力工业技术制高点的重大战略课题。
2、燃料电池发电技术发展简况
2.1 燃料电池的工作原理及特点
燃料电池（Fuel cell）是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将富氢燃料的化学能转化为电能的发电装置。其工作原理与一般的电池相似，基本上由电子导电的阴极和阳极及离子导电的电解质构成。在电极与电解质的界面上电荷载体由电子变为离子，在阳极（燃料电池的负极又称燃料极）进行氧化反应，在阴极（燃料电池的正极又称空气极）进行还原反应，燃料扩散通过阳极时失去电子而产生电流。当外部不断地输送燃料和氧化剂时，燃料氧化所释放的能量也就源源不断地转化为电能和热能。
燃料电池被称之为继水电、火电和核电之后能持续产生电力的第四种连续发电方式，有着传统的火力发电难以比拟的诸多技术上的优点。
首先，燃料电池属于能量直接转换的装置，效率很高。各种燃料发电的平均理论效率在90%以上，应用中因电解质的电阻以及阴阳极的化学反应阻力，实际效率也均在50%以上。如果进一步将化学反应中产生的热能加以利用，燃料电池的总效率可达到80%以上。
其次，燃料电池的环境兼容性好。由于整个能量转换过程中没有燃烧，CO2的排放量比常规火电减少40-60%，SOX和NOX的排放量更低，比火电减少90%以上。同时，能量转换的主要装置无运动部件，因此噪音极小。据测试，在已建燃料电池电厂外9米处的噪音仅为60dB。
第三，设备可靠性高，对负荷的适应能力强，可以无人操作。燃料电池过载运行或欠载运行都能承受而效率基本不变，负荷变化时响应速度很快。可以直接建在终端用户附近，没有庞大的输配电网络，供电可靠性高。同时节约大量的输配电设备费用并减少损耗。
第四，燃料来源广、建设工期短、使用方便。由于是组件化设计，建厂时间很短（平均仅需2个月左右）。电厂不需大量冷水，占地面积极小（几十平方米即可），加上无污染无噪音，选址几乎没有任何限制。可用来发电的燃料种类众多，甲醇、煤气、沼气、天然气、含氢废气、轻油、柴油等均可。
从以上这些突出的特点可以看出，燃料电池是一种高效洁净方便的发电装置，非常适合作移动、分散电源和接近终端用户的电力供给，尤其适宜应用于重要的政府与军事等部门。随着燃料电池的商业化推广，其成本价格会迅速降低，民用市场的前景也将十分广阔。
2.2 燃料电池的主要类型
燃料电池的种类不少，按使用的电解质不同分类，主要有磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）、固体氧气物燃料电池（SOFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。
PAFC型燃料电池
磷酸燃料电池（PAFC）电解质采用磷酸H3PO4。磷酸化学稳定性好且容易得到，利用磷酸的燃料电池工作温度适中（200℃左右），容易实现大型化应用。
磷酸燃料电池（PAFC）是目前技术最成熟、应用最广泛和商业化程度最高的燃料电池。
MCFC型燃料电池
熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）的电解质为碳酸盐Li2CO3-K2CO3，以氢气为燃料，氧气为氧化剂，负荷电流密度150mA/cm2，单个电池电压达到0.75-0.85V。工作温度高至650℃左右，不需要低温电池必须的铂系催化剂，而且对燃料的纯度要求相对较低，可以在电池内重整燃料。高工作温度加速了化学反应速度，减少了极化损失，效率提高到55-58%，高温度的排放气体可用来进行热电联产或与汽轮机联合循环，总效率更可达70%及更高。所以设备比PAFC型相对简单，价格也有优势。
MCFC型燃料电池的商业化比PAFC型晚近10年，要解决的关键是寿命问题，即在高温下液态电解质的腐蚀与渗漏问题。
SOFC型燃料电池
固体氧化物燃料电池（SOFC）使用高温下成为氧离子导体的陶瓷（氧化锆系等）为电解质，因此不会出现电解质的蒸发和析出，也没有电解液引起的材料腐蚀和电极析出等问题。工作温度900-1000℃，具有效率高（50-65%）、出力密度大、结构简单、寿命长等优点，可用于替代大型火电。缺点是必须有能适应高温的材料和较高的制造技术。
PEMFC型燃料电池
质子交换膜燃料电池（PEMFC）也称为固体聚合物（有机膜）电解质燃料电池，相对于其它几种燃料电池发展较迟。工作温度50-100℃，启动快，固体有机膜的电解质不怕震动。实际应用效率可达80%以上，具有高比能量和比功率及低温快速启动等特点。
2.3 燃料电池技术的发展概况
1839年英国的W.Grove在实验室里验证了燃料电池的工作原理。但直到1939年苏格兰的F.T.Bacon才第一次用KOH水溶液制造出了燃料电池，工作温度100℃，电池电压0.89V，电流密度13mA/cm2。以后美国联合技术公司（UTC）购买Bacon的专利，率先开发燃料电池技术，并于1984年成立国际燃料电池公司（IFC）。
燃料电池技术最初的应用开始于本世纪60年代的航天技术上。采用碱性电池AFC，但由于其应用条件较苛刻，必须使用纯氢和纯氧且微量的CO2即令电解质变质，随后开发了磷酸型燃料电池PAFC。PAFC是目前技术最成熟商业化应用最广泛的燃料电池，价格已降低至1500美圆/kW，美日欧等国投入运行的PAFC型电站已超过百座，最大容量者为东京电力公司的五井电厂（11MW）。
PAFC的缺点是它需要贵重金属铂做催化剂，还需要外部的燃料处理器来重整燃料以提高含氢量，降低了电池的效率并增加了费用和占地。因此，七十年代末开始开发被称为第二代燃料电池的熔融碳酸盐电池（MCFC）。MCFC工作于高温600-700℃下，燃料的重整在内部进行从而提高了效率降低了成本，可用于大规模发电。目前有2MW级验证电站于1996年开始在美国Santa Clara运行，其建设周期仅2月，占地400m2，距厂房9米处噪音低于60分贝，发电效率53.7%，燃料使用天然气和液化气，单位造价1700美圆/kW。
固体电解质型燃料电池SOFC被列为第三代燃料电池。具有高效率寿命长的优点，目前正进行kW级的试验工作。
质子交换膜燃料电池（PEMFC）是近几年研究最广泛、技术发展最为迅速的燃料电池。由于电解质采用高分子膜，具有构造简单、启动快、常温工作的优势，最适宜为汽车等交通工具提供无污染的动力。加拿大Ballard公司在1994年研制出可载75人的PEMFC型电动客车，连续行驶里程超过400公里。
目前，世界上几乎所有的经济发达国家都在投巨资研究开发燃料电池发电技术。美国政府及众多企业每年投资达数亿美圆，以UTC及其派生出的IFC技术最为先进，IFC和日本东芝公司于1990年成立的ONSI公司生产的PC-25型设备应用最广，产品遍布美日欧。日本的富士电机、东芝公司、三菱电机等公司在政府支持下，自六十年代开始，继美国之后大力研发燃料电池技术，运行中的电站仅PAFC型即超过100座，装机30MW以上。欧洲各国，加拿大，韩国等国家由政府和企业界合作，也在燃料电池研究与应用上取得诸多进展。
我国在60年代就开始了多种燃料电池的实验室研究，70年代曾投入大量人力物力研究燃料电池用于空间技术，此后研究工作有很长时期的停顿。最近几年，科学界和企业界的一些有识之士开始重新将目光投向燃料电池技术，尤其在PEMFC技术方面已取得了较大的进展。但由于刚刚起步，国家和企业投入资金极为有限（仅为千万元人民币级），且研究力量分散各处，难以取得突破性进展，尤其是难以将取得的成果进行实际应用试验。
2.4 燃料电池发电方式与火力发电方式的技术经济比较
燃料电池发电的高效率、无污染、低噪音性能符合未来工业的发展趋势，其简单的运行方式和优越的运行稳定性是火力发电难以比拟的，多种燃料种类和方便来源使燃料电池不存在应用上的障碍。
燃料电池是分散电源，可以直接建在终端用户。没有庞大的输配电网络，不存在网络故障引起的供电中断，供电可靠性大大提高了。燃料电池故障只影响局部用户，没有现代电力系统大面积停电的危险。
从目前看，国外已运行的燃料电池电站的价格大约为1500美圆/kW，考虑燃料电池的环保效益，已具备与火电竞争的资格。燃料电池建设周期短，占地极小，就近负荷安装，节约建设费用、运行费用和维护费用的同时，节约了输配电网络建设费用并减少线损。而在传统火力发电时，由于电站基本上都远离负荷中心，往往需要投入相当于发电设备造价1-2倍的网络建设费用来配套。网络的安全与稳定运行更是时刻困扰大电网的问题之一。
3、从国家安全及战略高度出发认识发展我国燃料电池发电技术的重大意义
3.1 给我国电网安全运行提出新的挑战
自李登辉提出"两国论"以来，两岸关系骤然紧张。李登辉提出"两国论"是对大陆反应的一种试探，其目的是为台湾走向独立制造舆论。从李登辉上台以来的种种表现看，其否定一个中国的原则蓄谋已久，其最终目标是分裂祖国实现。这种局面的出现毫无疑问会导致海峡两岸发生一场战争，而这一战争将引发更大范围的战争。也就是说，由于美国长期介入，和台湾有着广泛而密切的联系，并且美国明确表示反对中国政府用武力解决。所以一旦两岸发生战争，可以肯定美国将站在李登辉一边，陈兵海峡直接和中国政府进行军事对抗。最近，竞选美国下届总统的小乔治.布什就声称将用武力保护台湾的安全。在此情况下，我国不仅仅是面对台湾李登辉的军队，更大程度上是面对美国的强权势力，美国在科索沃战争中使用的石墨炸弹完全可能会投向中国大陆的电力系统。由于大陆电网覆盖区域广、人口多，战争破坏造成的大停电所带来的灾难性后果将更为严重，对此我们必须有高度清醒的认识，万万不可掉以轻心。作为国民经济基础的电力工业，如何保证电能的连续生产稳定供应？如何避免电网崩溃所带来的灾难性后果？已现实地摆在我们国家面前。我们必须制定相应的措施，未雨绸缪，防患于未然。很明显，燃料电池作为分散电源供电系统，在战争状态下的可靠性是任何其他系统所无法比拟的。因此加快发展我国的燃料电池发电技术，对保障国家安全，抵御外敌入侵，促进国民经济健康发展将起到不可估量的作用。
3.2 加快发展我国的燃料电池发电技术，占领21世纪电力工业技术制高点，是我国国民经济可持续发展的战略需要
由于燃料电池具有能量转换效率高，污染极小，用水少、占地小等突出优点，在发达国家已受到政府和企业的高度重视，并成为十分活跃的重要研究领域。美国政府1995年就把燃料电池列为影响美国国家安全和经济繁荣的27个关键技术领域之一，美国时代周刊1995年将燃料电池电动车列为21世纪十大高新技术之首。美、加、日、欧都在投入巨资开发燃料电池，已在国防工业和民用工业等方面取得较大进展。美、加、欧已将燃料电池应用于第三代潜艇，美国有数万台燃料电池发电站应用于宾馆、医院及居民小区，日本已建成11MW燃料电池发电厂。
21世纪将是氢能的世纪，燃料电池作为把氢能直接转化为电能的洁净发电装置即将大规模全面进入社会，从军用到民用，从潜艇汽车动力、卫星飞船电源到城市区域供电，其开发应用前景十分广阔，市场潜力巨大。美国预计：到2017年30%的电能将由燃料电池提供。我国是一个发展中国家，能源作为基础工业在国民经济中的地位十分重要，加强燃料电池的研究开发并形成新的经济增长点，意义重大，尤其是关系到我国加入WTO后未来整个能源行业的发展。
我国政府已认识到燃料电池的重要性，但是，组织开发的力度还远远不够。与国外相比，我国的燃料电池研究水平还较低，总的来说仍处于科研阶段，离实用化商业化应用还有较大距离。迄今为止，还没有燃料电池发电站的应用实例，这和我国这样一个大国的地位很不相称。其主要原因在于：研究力量分散，经费投入少，没有产业界的参与。尽管国家科技部也将燃料电池技术列为"九五"攻关项目，但经费较少，年度经费仅为百万元级，与发达国家数亿美元的投入相比微不足道。承担研究任务的也只是中科院等少数科研院所，没有企业的介入，很难形成产业化的趋势。而美、加、欧、日则有数十家专门研究开发、生产制造燃料电池的公司，如加拿大的Ballard公司，其资产已达10亿美元。
从国家安全和国民经济可持续发展的战略需要出发，我国必须大力发展军民两用燃料电池发电技术。为了促进燃料电池发电技术的实用化商业化研究开发，建议由国家科技部、国家发展委、国家经贸委牵头，根据国家长远发展需要出发，制订规划，组织有关高等院校、科研院所和国家电力公司、石油集团、石化集团及机械制造等工业部门参与研究开发。集中研究力量，加大经费投入。除国家加大研究经费投入力度外，各大电力、电气、汽车、石油、石化等企业也应投入大量人力、物力、财力从事燃料电池发电技术的研究开发和应用工作。比如国家电力公司系统，1998-2000年城乡电网改造总费用达3000亿元，可否从中拿出10亿元用于燃料电池发电技术的研究开发和应用工作？
下世纪头十年，将是燃料电池发电技术商品化、产业化的重要阶段，其技术实用性、生产成本都将取得重大突破。分散电源供电系统-燃料电池发电厂必将在21世纪内取代以"大机组、大电网、高电压"为主要特征的现代电力系统，成为电力行业的主力军。而燃料电池的普遍推广应用，必将在能源及相关领域引发一场深刻的革命，促进新兴产业的形成，带动国民经济高速发展。对能源领域的这场革命，政府、企业、科研院所、高等院校都必须给予足够的认识和重视，准确把握它所带给我们的机遇和未来。针对电力工业，我们不应过分强调发展更高的电压等级、更大的单机容量以及大区电网互联等。适当控制单机容量、电压等级、电网规模的发展，而应将有限的人力、物力、财力投入到燃料电池发电技术的研究开发和应用上来，使之早日实用化产业化，为国家安全和国民经济可持续发展服务。
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我们经历了长时间的摸索，不断失败、不断改进，从2008年开始，燃料电池技术出现了重大突破，虽然中国在燃料电池发展历程中一直是疑惑疑惑再疑惑，但是我想现在应该逐步清醒，然后可以开始行动了。
局部商业化突破在什么地方出现？从技术上看，总会拿燃料电池技术跟纯电动技术相比，这是一个一直被讨论的话题，尤其是现在以锂离子电池为主要动力源的纯电动汽车发展得非常之好，已经取得了一定的成功，但是5年前的纯电动汽车的状况可能跟今天燃料电池的状况大体相当，当时业内外一片怀疑之声，也没有多少人相信锂离子电池汽车会有今天的发展，我们现在首先要肯定锂离子电池是一个目前商业化的新能源汽车零排放的主流技术，这是不用怀疑的事实。燃料电池汽车跟锂离子电池车型如果在家用轿车领域相比，目前要进行商业化进程显然还不太现实，尤其是中国纯电动汽车的技术与国外的差距，相比燃料电池车型要小一些，这也是一个不容忽视的事实。
如果轿车上装100多千瓦的燃料电池，只是用很少的电池，比如丰田的方案，我们现在无论从成本还是其他方面，在轿车、乘用车领域，我估计在近期还是很难突破的。从技术角度来看，燃料电池车型的出路，尤其在中国的出路，可能是要把锂电池的技术跟其他的应用进行组合，这种组合应当是减少燃料电池的功率――不能用那么大功率，因为成本、Pt含量都与功率直接相关。车用的功率应该由锂电池来承担，这可能是将车、锂电池、燃料电池进行最佳组合的一个方案。
至于承载的储氢瓶，成本要急剧下降，当然我们现在新的技术要尽快进行技术评估，来确认我们的技术突破，这对车载储氢瓶的发展而言将会是一个重大突破。
我们在技术上不得不承认国内氢能燃料电池的技术跟国外的差距在2008年之后应该说是在拉大，可以说国外的氢能燃料技术，以丰田为代表的产品，其技术问题已经基本解决，它可以商业化了，但是我们国内的氢燃料电池技术目前离实用化还有距离，仅就耐久性而言，国外的轿车已经做到5000小时，大客车也做到了15000小时以上，但是我们现在国内的还做不到，所以相比而言，我们锂离子电池电动车跟国外差距相对会小一点，这是我们必须承认的技术差距。
商业化突破口
在市场方面，在乘用车方面我们现在还很难在中国进行燃料电池轿车商业化，近期主要还是示范，不太可能进行商业化。现在中国的优势或者全球可能率先突破商业化的是商用车或者大客车，而大客车是中国新能源汽车的优势，中国新能源客车在世界上遥遥领先，今年可能会做到5万辆，我们历史上已经积累了5万辆，也就是说保有量会超过10万辆，全球的保有量大概也不到20万辆，所以在这个方面中国有绝对的优势，中国新能源客车是全球燃料电池技术的最佳应用场合，也是中国新能源自主技术最有优势的地方，把这两者结合起来，我想我们就可以实现燃料电池汽车局部的商业化突破。
如果从长远看，我个人估计，对以汽油机为代表的动力源，锂离子电池等也许是近期或者更长远的一个主流替代方案，但是对柴油机的替代方案，可能燃料电池更具优势。
四个行动方向
基于这样的判断我们现在该做什么？我们现在要行动，不是疑惑，我想一些业内人士可能不疑惑，但全社会还是疑惑的，在10年前我们曾经宣传燃料电池、氢能经济，遭到了大规模的批判，但经过国外的技术突破，现在对燃料电池的认识应该说全社会都有新的看法，为我们开发燃料电池的商业化奠定了很好的社会环境，所以业内人士应该都是行动者，所以我们要行动起来。
第一就是要协同创新，这一领域产业链上的众多单位就是我们协同的基础。我们的纯电动汽车产业是怎么推起来的？就是官产学研的大协同，当然“官”的作用非常重要，补贴就是非常重要的一个方面。所以我们纯电动汽车很快就发展起来了，这是我们的经验，我们下面应该利用这个优势往前推。
第二就是技术集成。丰田可以一次性向全球免费开放4560项专利，这么一个企业成为燃料电池相关技术的集大成者，中国目前不具备这样的企业，怎么办？需要大家一起努力，同时我们也希望中国有类似的企业。比如郑州宇通客车是现在新能源客车的第一大生产商，年产过万辆甚至2万辆，以前我们是根本不敢想象的。正是因为有了这样的突破，他们才有自信，再来进行氢燃料电池的突破，他们才敢于提出庞大的目标。所以我们认为，很多事情我们过去认为不可能，就像10年前我们认为氢能燃料电池有很多不可能，但现在已经被国外的技术突破，变成可能了，所以今天也许我们再提一些大家觉得不可能的事，5年之后也可能会变成现实。所以我们希望出现一些这样的企业，把相关的技术进行集成。
第三是国际合作。我们现在跟国外有明显差距，如果现在全用中国的技术搞商业化，估计是有困难的，这也是为什么我们的一些地方政府，如佛山和如皋都选择了国外的技术。地方政府真正推进燃料电池商业化的时候是很实在的，如果不能用，他是绝对不能买的，所以不能指望我们的东西没有实用价值却想让地方政府买单，这是不可能的。基于这样的实际情况，我们必须汇聚全球资源，我们现在已经具备汇聚全球资源的得天独厚的条件。据我所知，现在很多国外大公司已经突破燃料电池技术，而且成本下降速度很快，但是由于氢能基础设施的滞后，他们的技术暂时没法大规模推广，他们也在寻求在商用车领域、在非轿车领域的突破，这给我们带来了极大的机会。所以我们要利用这个机会来进行全方位的国际合作，站在巨人的肩膀上，把我们自己的技术发展起来。
1 发展燃料电池是实现节能和环保的有效手段
近10年来，中国、美国等国家经济的快速发展，带动了对石油的旺盛需求。虽然目前国际石油储量还相当丰富，但是石油主产区(中东地区)的政治不稳定，石油输出组织不断采取限采保价措施，使原油价格快速攀升并持续维持在高位。国际能源争夺愈演愈烈，美国、日本、欧盟等都不断加快调整各自的能源战略，全球能源形势正经历深刻演变，亟需我们对能源问题从战略的高度重视和深入思考。
上世纪70年代的石油危机和近年来石油价格恐慌等能源效应表明，对能源资源的占有量、能源综合效率、能源使用的方式和能源使用的安全性成为影响一个国家人民的生活水平提高、综合国力的发展以及国家文明和社会进步的重要因素。中国从1993年成为石油净进口国，2004年对原油的进口依存度已超过40%，预计2020年对原油的进口依存度将达到60%。因此，保持石油的安全供应成为涉及国家安全的重大问题。多年的实践证明，在一定的国际能源环境下，迅速改善能源环境的有效手段就是节能。
在“九五”和“十五”期间，我国在节能方面已取得了较好的成绩，那么在节能方面还能有所作为吗？从国际上来看，目前每百万美元GDP消耗的标准油分别是：日本90吨，约为世界平均水平的1／3；美国250吨，欧盟180吨，而我国836吨。每百万美元GDP消耗的标准油，我国是日本的9.3倍，美国的3.4倍。此外，“十五”期间，我国能源消费的弹性指数平均值已超过了1，这说明我国能源消费增长速度已经超过经济增长速度。如果按照这种弹性指数发展下去，到2010年我国将消耗30亿吨以上的标准煤。而这个能源的消费量是我国原来制订的2020年的规划目标。再从年人均能源消费量来看，目前发达国家的消费量很大。例如，从年人均消费标准油来看，日本和欧盟为4吨，美国大于8吨，而中国不到1吨。对于中国这样一个人口大国来说，如果按照发达国家年人均能源消费量进行活动，很难实现可持续发展，根本不符合国情。节能、建设节约型社会成为改变这一发展模式的重要手段。不过，要实现节能降耗，不找到一条跨越式的降耗之路，肯定无法实现目标。例如，上海在“十五”期间，万元GDP能耗已下降了16.5%。要在“十一五”期间在“十五”的基础上将万元GDP的能耗再降20%，只有倚重于新技术的应用。
目前，在以化石燃料为主的能源供给模式中，能源的供给量总是与污染物的排放量一同增长。国家环保总局张力军副局长认为，48.1%的中国城市的空气质量处于中度或重度污染，颗粒物是首要的污染物。张力军说，在人口超百万的特大型城市中，二氧化硫和颗粒物超标比例高，空气质量达标比例低。如果能将节能措施落实到位的话，在减少能耗总量的同时，也同时减少了污染物的排放量。因此，节能除了减少对能源的净需求，还能起到环保的作用。
从能源系统效率来看，目前中国能源的综合利用效率为32%，而发达国家的为40%，甚至50%左右。如果按开采效率32%计算，从开采、加工、运输、到新设备，中国总的能源利用效率为9.3%，不到发达国家的50%。要进一步提高能源利用效率，必须倚重于新技术的应用。在常规火力发电中，能源效率受卡诺循环（由两个绝热过程和两个等温过程构成的循环过程）的限制，能量转换效率不高。例如，内燃机的能源效率只能达到18％～24％。而燃料电池的理论热电转化效率可达85%-90%，实际能量转化效率在40%-60%的范围内。若实现热电联供，燃料电池的总能量利用效率可达到80%以上。为了实现“十一五”提出将单位GDP能耗降低20%的约束性指标，在十届人大二次会议上，总理强调使用新能源、可再生能源以及节能汽车的重要性。在2005-2020年国家科技发展计划中指明，在未来，氢能尤其是燃料电池公共汽车将成为城市公交系统的主要组成部分。从应用的角度来看，燃料电池除了可作为发电装置以外，还可以作为电动汽车、家用机器人、笔记本电脑、以及众多可移动电子装置的电源。2000年诺贝尔化学奖获得者（美国德克萨斯大学）Alan G. MacDiarmid教授在2006年5月国家自然科学基金委员会成立20周年时预言，将来汽车的动力将从仅用空气和生物乙醇或生物燃油的燃料电池中获得动力。美国已将燃料电池列为27个国家关键技术领域之一，加拿大将燃料电池列为国家知识经济的支柱产业之一，我国也已将燃料电池列为“九•五”攻关计划之一。
2 燃料电池的优势及应用
广义的燃料电池是一种发电系统。该系统包含燃料处理或重整系统、直流输出的电流和电压调节系统、热交换系统、安全控制系统和其他装置。狭义上的燃料电池是一个单电池或独立的电池堆，它包含燃料重整系统、燃料电池反应系统、能量回收系统等。其中,燃料重整系统可以将天然气等转化为可供电池使用的富氢气体，比较复杂。但是，在使用H2为燃料的燃料电池中可以省去这一系统。
2.1 燃料电池的优点
与其它类型电池和其它产生能量的方法相比，燃料电池有如下的优点：
2.1.1 能量转化率高
在燃料电池中可以将燃料的化学能直接转变为电能，不需要经过中间燃烧过程，能量转换中不受卡诺循环的约束，能量转化效率很高。
2.1.2 环境污染少
由于燃料电池具有高的能量转换效率，产生相同能量排放的二氧化碳的量就比使用热机过程产生相同能量排放的二氧化碳的量减少40%以上，这对缓解地球的温室效应是十分重要的。燃料电池所用的燃料在反应前必须经过脱硫及脱除污染物的步骤，在燃料电池的发电过程中，化学能转变为电能是按电化学原理进行的，不经过热机的燃烧过程，几乎不排放氮氧化物和硫氧化物，减轻了对大气的污染。当燃料电池以纯氢为燃料时，化学反应的产物仅为水,从根本上消除了污染物的排放。
2.1.3 噪音污染少
在燃料电池系统的运行过程中几乎没有移动的部件，运行过程没有通常发电机发电的噪音。
2.1.4 比能量高
液氢燃料电池的比能量是镍镉电池的800倍，直接甲醇燃料电池的比能量是锂电池的10倍以上。虽然目前燃料电池的实际比能量只有理论比能量的10%左右，但比其它高能电池还是高很多。
2.1.5 使用寿命长
在通常的化学电池中，正极活性物质和负极活性物质是共处于同一体系中，电池的使用寿命受到正极活性物质和负极活性物质的用量及循环寿命的制约。然而，燃料电池的正极活性物质和负极活性物质是从外部供给的，因此从理论上来看，燃料电池的寿命不会短。
2.1.6 操作方便，安全可靠，灵活性大
燃料电池的结构简单，辅助设备少，几乎可以在任何需要的地方发电，不必使用输送电线和电站等配套设备，操作十分方便。燃料电池的灵活性大，功率可以从几瓦到兆瓦，使用对象可以从手机到大规模发电。在使用过程中，燃料电池的可靠性大，能量效率与负载的大小没有太大的关系。同时，由于整个电池系统是由单个电池组成的，维修时只要拆换单个电池就可以了，十分方便。
2.2 燃料电池的应用
燃料电池的发展历史已经有160多年。伴随着燃料电池的发展，其应用领域也在不断扩大，下面分别讨论。
2.2.1 在军事上的应用
燃料电池具有高效、多面性、使用时间长、运行噪音低、安全方便、灵活可靠、适合移动等特点，非常适合军事的需要。比如：美国海军的海底探索船只和潜艇就常用燃料电池来驱动。
2.2.2 在移动装置上的应用
微型燃料电池的寿命长、质量小、燃料添加方便、安全可靠，比常规的电池更具优势。美国、日本、欧盟、中国等正在研究以燃料电池为能源的手机。
2.2.3 在家庭中应用
可解决农村能源问题，供给较大的电子设备电能，如用于即将面世的家用机器人。
2.2.4 在空间领域的应用
早在60年代，美国就将燃料电池用于登月计划。燃料电池在这一方面应用是最为广泛的。
2.2.5 在固定区域的应用
在区域发电中使用燃料电池，可以避免长距离输电的电力损耗和解决架设线路困难等问题。
2.2.6 在运输车辆中的应用
在运输车辆中，特别是在城市公共汽车中使用燃料电池，可以提供清洁无污染的能源。
3 燃料电池的发展状况
3.1 燃料电池的发展历史
早期燃料电池的价格很高，主要应用于航天领域中。经过世界各国多年竟相研究和开发，目前燃料电池的价格已经大幅度降低。从燃料电池的发展来看，已有160多年的历史。1839年，当用铂电极电解H2SO4溶液时,Grove发现铂电极对新析出的氢气和氧气有电催化活性，从而提出燃料电池的雏形。1889年,Mond和Langer首先采用“燃料电池”一词来命名这类电池。1894年，Ostuard从热力学上证实：用低温电化学氧化法获得燃料能量的效率远高于用热机方法获得能量的效率。然而，由于在发电技术和电极过程动力学理论研究中没有取得突破性的进展，直到20世纪50年代，燃料电池才有实质性的进展。Bacan开发了多孔镍电极，制造了第一个千瓦级碱性燃料电池系统。现代燃料电池的研究与开发始于20世纪50年代，并以60年代末美国将燃料电池成功应用于阿波罗登月计划为顶点和标志。70年代后，由于全球石油危机和环境保护的呼声，使燃料电池又一次引人注目，成为研究的热点。80年代熔融盐和90年代的固体氧化物燃料电池也得到了很大的发展。如今，质子交换膜燃料电池的研究已经取得了重要进展，已研制出了高功率密度的质子交换膜。美国、日本、欧盟、中国等国都开展了众多领域燃料电池的研究。
3.2 中国燃料电池的发展现状
正如前面讨论的，由于我国国民经济的快速发展，伴随着许多城市的空气污染十分严重。为减少城市空气污染和提高能源使用效率，科技部和有关部委共同组织了以“清洁能源行动”和“清洁汽车行动”为主要内容的“空气净化工程”，并在包括北京市、上海市在内的全国30多个城市实施。同时，北京市和上海市制定了一系列的法规、政策和措施，以推动清洁能源技术和清洁汽车技术的推广和应用，减少城市空气污染，改善空气质量。下面我们回顾一下燃料电池的发展现状。
中国燃料电池的研究和开发始于1958年。当时的电子工业部天津电源研究所最早开展燃料电池研究。上世纪70年代初期，在航天事业的推动下，我国燃料电池的研究出现过一次高峰。90年代中期，国家科技部和中国科学院将燃料电池列入“八五”攻关项目，我国出现了研究燃料电池的第二个高峰。其中，质子交换膜燃料电池被列为重点项目，以大连化物所为牵头单位在全国开展了质子交换膜燃料电池的电极材料和电池系统的研究，组装了多台1百瓦、1千瓦、2千瓦、5千瓦、50千瓦的电池组和电池系统。2000年9月，上海神力科技公司开发出以纯氢气为燃料的质子交换膜燃料电池的观光车，同年11月，北京富源新科技开发公司也开发出以质子交换膜燃料电池为动力的汽车。2001年，科技部开始实施以燃料电池汽车为重要内容的“电动汽车专项”，作为12个国家重大科技专项之一，国家投入近9亿元。2005年8月上海神力科技有限公司承担了科技部电动汽车重大专项中10辆轿车发动机、4辆大巴发动机的研制任务。研究成果通过了科技部监理检查组对神力科技工作的节点检查验收。制备的电动汽车的续驶里程为230km，在0-100km/h间的加速时间为19s，燃料经济性指标达到1.132kg/100km。
3.3 小型燃料电池的研究现状
几年来不断有公司宣布推出用于便携产品的微型燃料电池原型，业界人士曾在2004年期望“2006年可以像购买普通干电池一样，在超市里买到甲醇燃料盒”。然而,2007年已经来到，虽然有些燃料电池厂商实现了小批量生产，但距离这个愿望还有相当长的路要走。不过，越来越明朗的是：技术的不断改进、公众认知度的深入以及来自政府的支持，都在加速推进微型燃料电池的商业化进程，目前已到破茧成蝶的阶段，全面起飞指日可待。
在以3C电子产品为主要应用领域的小型燃料电池方面，现今全球最具有成为3C电子产品新世代电源潜力者，当属质子交换膜燃料电池，其中又以小型直接甲醇燃料电池具有激活速度快，使用的燃料为甲醇，具有储运方便且成本低等优势而倍受青睐，近年在全球国际大厂积极投入研发推波助澜下，技术进展迅速。ABI的分析师Atakan Ozbek说：“许多公司正在以飞快的速度开发该产品的原型” 。他预计，全球的微型燃料电池出货量将会从2004年的5,000个增长到2011年的2亿个，销售额也将从100万美元上升到20亿美元。国外最近的研发成果及部分产品显示小型甲醇燃料电池已经接近商业的需求。
(1)日本
日本东芝公司2003年推出小型甲醇燃料电池(大小：10.82x2.95 x1.57英寸，重量：28.9盎司)，能提供5小时的电量，燃料盒可以重复使用。因为该电池所使用的电极与锂电池的相同，所以它也可以替换便携设备中的锂电池。该公司2004年的小型甲醇燃料电池输出功率100mW，（大小：22 × 56 × 4.5mm，重量：8.5g），燃料储存槽(厚:9.1mm，甲醇容量2ml，溶度为99.5%的甲醇)，这种超小型燃料电池可用于便携式音乐播放器和卡片型收音机等电子设备，如果用于笔形音乐播放器，电池可使用20小时。日本东芝公司2005年推出采用燃料电池的MP3随身听原型机如图8所示，其中一款是闪存产品，一款是微型硬盘产品，分别采用了输出功率为100mW和300mW的燃料电池。300mW燃料电池(尺寸：60x75x10mm)，播放器（尺寸：65×125×27mm），带电池重量为270g。一次充电后可以维持60小时的运作。
(2)韩国
韩国三星尖端技术研究所(SAIT)研制成功了可支持笔记本电脑正常工作10小时的燃料电池系统，其最大输出功率为20W，燃料使用100ml甲醇水溶液。2006年前后，将燃料电池的单位体积能量密度由当前的200Wh/l左右提高到500Wh/l，达到与现有锂离子充电电池相同的水平。
(3)美国
摩托罗拉计划投入巨资于北美Tekion 公司进行。用于为手持设备提供1mW到50W的功率的燃料电池。可以广泛用于工业计算机、卫星设备、笔记本电脑以及移动电话上。他们利用燃料电池反应产生的温度上升现象，加快了甲醇的汽化反应，提高了反应效率，使功率密度最高可达250mW/cm2，是直接甲醇型样机的4～5倍。
(4)德国
直接采用甲醇的燃料电池的样品的平均输出功率为12 W，最大输出为20 W，可提供5 h的电能。德国SFC公司专门面向笔记本电脑和掌上电脑的小型燃料电池。平均输出功率为25W。
(5)中国
直接甲醇燃料电池项目落户济南。
4 发展燃料电池的挑战
国内外研究和开发燃料电池的实践表明，燃料电池项目是一个系统工程项目，不是一朝一夕、某个单位就能够完成的，需要政府、企业、科研院所的通力合作，经过一定时期的努力才能完成的。正如中国院大连化物所衣宝廉院士说的“燃料电池的商业化不是百米冲刺，而是厚积薄发的长跑”。他在2006年东莞召开的第27次全国物理与化学电源会议上，指出燃料电池的初期成本较高，目前中国独立研究的燃料电池中还存在燃料电池的循环寿命有待于进一步提高的不足。
5 发展燃料电池的展望
21世纪是氢能的世纪，新材料的发现和纳米技术的发展将有利于降低燃料电池的成本，而环境的治理和能源的缺乏等问题势必大大地促使燃料电池大规模地进入人类社会。目前，欧洲、美国和日本等发达国家以及许多发展中国家都制定了严谨的计划，投入了大量的人力、物力和财力对各类的燃料电池进行大规模的研究和开发。专家预计到2010年燃料电池的汽车才可能大规模生产；到2017年，全世界30%的电力是有燃料电池提供的。燃料电池技术将导致21世纪新能源的革命。
燃料电池一旦得到普遍应用，那么，我们的社会便将步入一个使用氢能源的新型社会，而这种氢能源，实际上永远也不会枯竭。因此，燃料电池可能引发自工业革命以来的又一次大变革。
参考文献
[1] 2006年中国能源发展报告. http: // 省略 /info /06nengyuan/ txt /2006-08/29/content_7114989.htm
[2] 周大地. 中国能源形势报告会.
[3] 蔡夏英,上海市城市交通管理局.省略 /tiring_room /new/ywnews/2006316145450.htm
燃料电池发电是将燃料的化学能直接转换为电能的过程，其发电效率不受卡诺循环的限制，发电效率可达到50％一70％，被誉为二十一世纪重要的发电新技术之一。目前，国际上磷酸型燃料电池已进入商业化，其它几种燃料电池预计在2005年一2010年200KW一将全面进入商业此。对于这种蓬勃发展的发电新技术，国家电力公司应该采取怎样态度?要不要发展?怎样发展?这些问题亟待解决。
l燃料电池发电的技术特点和应用形式
1．1技术特点
燃料电池发电是在一定条件下使燃料(主要是H2)和氧化剂(空气中的02)发电化学反应，将化学能直接转换为电能和热能的过程。与常规电池的不同：只要有燃料和氧化剂供给，就会有持续不断的电力输出。与常规的火力发电不同，它不受卡诺循环的限制，能量转换效率高。与常规发电相比燃料电池具有以下优点：
(1)理论发电效率高，发展潜力大。燃料电池本体的发电效率可达到50一60％，组成的联合循环发电系统在(10—50)MW规模即可达到70％以上的发电效率。
(2)污染物和温室气体排放量少。与传统的火电机组相比，C02排出量可减少40％一60％。Nox(＜2ppm)和SOx(＜1ppm)排放量很少。
(3)小型高效，可提高供电可靠性。燃料电池的发电效率受负荷和容量的影响较小。
(4)低噪音。在距发电设备3英尺(1．044米)处噪音小于60dB(A)。
(5)电力质量高。电流谐波和电压谐波均满足IEEE519标准。
(6)变负荷率高。变负荷率可达到(8％一lO％)／min，负荷变化的范围大(20一120)。
(7)燃料电池可使用的燃料有氢气、甲醇、煤气、沼气、天然气、轻油、柴油等。
(8)模块化结构，扩容和增容容易，建厂时间短。
(9)占地面积小，占地面积小于lm2／KW。
(10)自动化程度高，可实现无人操作。
总之，燃料电池是一种高效、洁净的发电方式，既适合于作分布式电源，又可在将来组成大容量中心发电站，是2l世纪重要的发电方式。制约燃料电池走向大规模商业化的主要因素是：高价格和寿命问题。
2．1燃料电池的应用形式
(1)现场热电联供，常用的容量为200KW一1MW。
(2)分布式电源，容量比现场用燃料电池大，约(2—20)MW。
(3)基本负荷的发电站(中心发电站)，容量为(100—300MW)。
(4)燃料电池还可用于100W—100KW多种可移动电源、便携式电源、航空电源、应急电源和计算机电源等。
2为什么要在我国电力系统发展燃料电池发电技术?
2．1采用燃料电池发电是提高化石燃料发电效率的重要途径之一
以高温燃料电池组成的联合循环发电系统，可使发电效率达到60—75(LHV)，这一目标将在2005年左右实现。预计到2010年，发电效率可超过72％。煤气化燃料电池联合循环(IGFC)的发电效率可达到62％以上。以燃料电池组成的热电联产机组的总热效率可达到85％以上。燃料电池本体的发电效率基本不随容量的变化而变化，这使得燃料电池既可用作小容量分散电源，又可用于集中发电应用范围广泛。
2．2燃料电池发电可有效地降低火力发电的污染物和温室气体排放量
燃料电池发电中几乎没有燃烧过程，NOx排放量很小，一般可达到(O．139一0．236)kg／MW·h以下，远低于天然气联合循环的NOx排放量(1kg／MW·h一3kg/MW．h)。由于燃料进入燃料电池之前必须经过严格的净化处理，碳氢化合物也必须重整成氢气和CO，因此，尾气中S02、碳氢化合物和固态粒子等污染物排量也污染物的含量非常低。与常规燃煤发电机组相比，C02的排放量可减少40％一60．在目前CO2分离和隔绝技术尚不成熟的状况下，通过提高能源转换效率减少CO2排放是必然的选择。
2.3采用燃料电池发电可提高供电的灵活性和可靠性
燃料电池具有高效率、低污染、低噪声、模块化结构、体积小、可靠性高等突出特点，是理想的分布式电源。与目前一些可做为分布式电源的内燃机相比，燃料电池的发电效率更高、污染更低。在250KW—lOMW的功率范围内，具有与目前数百兆瓦中心电站相当甚至更高的发电效率。作为备用电源的柴油发电机由于污染和噪声大不宜在未来的城市中应用。低温燃料电池不仅发电效率高，而且启动快、变负荷能力强，是很好的备用电源。现代社会对供电的可靠性和环境的兼容性要求越来越高，高效、低污染的分布式电源系统日益受到重视。近年来美国、加拿大、台湾相继发生因自然灾害或人为因素造成的大面积停电，许多重要用户长期不能恢复供电，给社会和经济造成了巨大的损失。北约轰炸南联盟，使电力系统严重受损。这些由不可抗力引起的电网破坏无不使人引发出一个重要的思考：提高我国电力系统供电的可靠性和供电质量，虽然主要依靠电网的改造和技术革新，但如果在电网中有许多分布式电源在运转，供电的可靠性将会大大提高。
对于象军事基地、指挥中心、医院、数据处理和通讯中心、商业大楼、娱乐中心、政府要害部门、制药和化学材料工业、精密制造工业等部门，对电力供应的可靠性和质量要求很高。目前采用的备用电源效率低、污染严重、电压波动大。而采用燃料电池作为分布式电源向这些部门提供电力，会使供电的可靠性和电力质量大大提高。他们将是燃料电池发电技术的第一批用户。
对于边远地区，负荷小且分散，若建设完善的电网，不仅投资大，线损大，且电网末端地区电力质量不稳定。对于这些区域若辅助燃料电池发电的分布式电源，更能有效地解决这些地区的电力供应问题。燃料电池的重量比功率和体积比功率均比常规的小型发电装置大，因此，它也是理想的移动电源，适合于各种建设工地、野外作业和临时急用。
2．4发展燃料电池发电技术是提高国家能源和电力安全的战略需要
美国已将燃料电池发电列为国家安全关键技术之一。美、日之所以能在燃料电池技术方面处于世界领先地位，与国家从战略高度予以组织、资助和推动密不可分。在目前复杂的国际环境下，高技术的垄断日趋严重，掌握清洁高效发电的高新技术对未来国家的能源和电力安全具有重要的战略意义，而燃料电池发电技术，正是这种高效清洁的高新发电技术之一。燃料电池突出的优点，以及发达国家竟相投入巨资研究开发的行动，足以说明燃料电池发电技术在21世纪会起到越来越重要的作用。
2．5发展燃料电池发电技术是国电公司“加强技术创新，发展高科技，形成高新技术产业”的需要
燃料电池发电技术是电力工业中的高新技术，己受到普遍重视。美国燃料电池发电技术的研究开发主要由美国能源部组织实施，其中一个重要的目的就是形成新的高技术产业，为美国的经济注入新的活力。日本的东京电力公司、关西电力公司及其它公用事业单位是日本燃料电池开发及商业化的主要承担者和推动者，其目的也是为电力公司注入新的经济增长点以获得巨大的经济效益和社会效益。
国家电力公司处在完成“两型”、“两化”、“进入世界500强”的历史时刻，恰逢党中央国务院号召全国各行业“加强技术创新，发展高科技，实现产业化”的有利时机，在国家电力公司内不失时机地进行燃料电池发电技术的研究开发是非常必要的。采取引进、消化、吸收和再创新的技术路线，以高起点，在尽可能短的时间内初步形成自主产权的燃料电池发电关键技术，不仅可以使我国在燃料电池发电技术领域与国外的差距大大缩小，而且，对国家电力公司进行发电系统的结构调整、技术创新、形成高新技术产业、实现跨越式发、提高国际竞争能力都具有非常重要的意义。
2．6燃料电池发电技术在我国有广阔的发展前景
未来二十年，随着我国“西气东送”，全国天然气管网的不断完善及液化天然气(LNG)的广泛应用，燃用天然气的燃料电池发电将会有很大市场。煤层气也是燃料电池的理想燃料。我国丰富的煤层气资源也将是燃料电池发电的巨大潜在能源之一。燃料电池可与常规燃气一蒸汽联合循环结合，形成更高效率的发电方式。与煤气化联合循环(IGCC)结合，形成数百兆瓦级的大型、高效、低污染的中心发电站，比IGCC效率更高，污染更小。
燃料电池可与水电、风电和太阳能发电等结合，在高出力时，利用电解水制氢，低出力时用燃料电池发电，达到既储能，又高效发电的目的。采取气化或厌氧处理的方法将生物质变为燃料气，通过燃料电池发电，提高能源转换效率，并降低污染物排放量。对一些经济欠发达但有丰富的沼气资源的地区，利用燃料电池发电技术有可能更有有效地解决这些地区的电力供应问题。
2．7与国外有较大的差距
在燃料电池发电技术方面，我国与国际先进水平有较大的差距。在MCFC和SOFC技术方面，国外已分别示范成功了2MW和100KW的燃料电池发电机组，而我国在这方面才刚刚起步，2000年才可望研制出2KW左右的试验装置。在PAFC和PEFC技术方面，国内与国外的差距更大。倘若我们现在不开始研究开发燃料电池发电技术，等到燃料电池完全成熟后再引进，不但会受制于人，还将付出更大的经济代价，更谈不上尽快形成燃料电池发电的产业化。若不能形成燃料电池的产业化并在电力系统广泛应用，那么，也谈不上提高发电效率和降低污染物的排放。只有从现在开始，在国外的基础上，高起点研究，经过10—20年的努力，有可能在国电公司形成燃料电池的产业和广泛的商业应用。
2．8在我国电力系统发展燃料电池发电技术是市场经济条件下的迫切要求
分散式电源作为大电网的有效补充己得到许多国家的重视，而电源提供者的多元化更是一种趋势。我国电网的容量大、技术水平和可靠性还较低、抵御各种灾害的能力较差，在这种情况下，小型高效的燃料电池分布式电源随着技术的商业化市场潜力巨大。
倘若电力系统不及时进行研究开发，在未来几年内，有可能被国外企业和国内其它其它行业或民营企业占领燃料电池分散电源市场。在市场经济条件下，国电公司既是用户，又是开发者。对于燃料电池这样重要的发电高新技术，应不失时机地着手研究开发，联合国内一些基础研究单位，争取纳入国家的攻关计划，获得国家支持，在尽可能短的时间内，形成燃料电池发电技术研究开发的优势，开发燃料电池发电关键技术和成套技术，形成国电公司的高新技术产业，既可优化调整电力结构，又能满足市场的不同需求。
3国外燃料电池发展计划及商业化的预测
研究美、日、欧洲等国家和地区燃料电池的发展进程及商业化的预测，对我们制定燃料电池的发展战略和预测应用前景会有一定的参考价值。
3．1美国燃料电池发电技术研究开发状况
(1)美国燃料电池发电技术的研究开发计划
1997年，美国总统克林顿颁发了"改善气候行动计划”，燃料电池被确定为一项关键技术，联邦政府为此制定了一项“美国联邦燃料电池发展计划”，目的是通过燃料电池的商业化来减少温室气体排放量。在这项计划中，对每一个燃料电池的新用户资助l000／KW的优惠。结果，仅在1998年，就有42台200kwPAFC发电机组投入运行。
美国政府鼓励在一些对环境敏感的地区建立燃料电池发电站。此外，政府已促使美国所有的军事基地安装200KW燃料电池发电机组。通过这些措施，加速燃料电池的商业化，并提高国家能源的安全性。美国政府投入巨资研究开发燃料电池发电技术的另一个目的，就是要保持美国在这一领域的领先地位。随着商业化过程不断深入，将逐步形成新的高技术产业，为美国的经济注入新的活力，提供更多的就业机会。
美国DOE的燃料电池发展计划如下：
PAFC己商业化，不再投入资金进行研究开发。PAFC目前的发电效率为40％一45(LHV)，热电联产的热效率为80％(LHV)。
已完成250KW和2MWMCFC的现场示范，预计2002年进行20MW的示范；2003年左右，使250KW和MW级MCFC达到商业化；2010年，燃用天然气的250KW一20MWMCFC分散电源达到商业化，100MW以上MCFC的中心电站也进入商业化;2020年，100MW以上燃煤MCFC中心发电站进入商业化。MCFC技术目标是运行温度为650℃，发电效率达到60％(LHV)，组成联合循环的发电效率为70(LHV)，热电联产的热效率达到85(LHV)以上。
目前，己完成25kw和100kwSOFC现场试验，正在进行SOFC的商业化设计。预计2002年左右，进行MW级SOFC示范；2003年左右，100kw一1MWSOFC进行商业化：2010年，250kw一20MW燃用天然气的SOFC以分布式电源形式进入商业化，100MW以上燃用天然气的SOFC以中心电站形式进入商业化；2020年，100W及以上容量的燃煤S0FC以中心电站的形式进入商业化。SOFC技术目标是：运行温度为1000℃，发电效率达到62％(LHV)，组成联合循环的发电效率达到72％(LHV)，热电联产的热效率达到85(LHV)以上，燃煤时发电效率可达到65％(LHV)，这一目标预计2010完成。
美国是最早研究开发PEFC的国家，但在大容量化和商业应用方面已落后于加拿大。目前美国生产的质子交换膜仍居世界领先水平。美国在PEFC的开发方面是面向家庭用分散式电源，实现热电联供。PlugPower公司与GE合作，计划2001年使10kwPEFC进入商业化，价格达到S750—1000／kw，大批量生产后，使PEFC的价格达到$350／kw。
(2)市场预测
美国能源部(DOE)对美国潜在的燃料电池市场的预测认为：在2005年一2010年，美国年需求燃料电池发电容量约2335MW一4075MW。现在美国的燃料电池年生产能力为60MW，商业化的价格为$2000一$3000／kw，若年生产能力达到100MW／a，商业化的价格则可达到$l000—$1500/Kw。若能达到(2000—4000)MW／a的生产能力，燃料电池的原材料费仅$200一$300／kw。那么燃料电池的价格则有可能达到$900—$l100／kw，此时可完全与常规的发电方式竞争。
3．2日本燃料电池发电技术的发展进程及应用前景预测
(1)发展进程
日本在PAFC研究方面，走的是一条引进合作、消化吸收、再提高的路线。1972年东京煤气公司从美国引进两台PAFC燃料电池发电机组，大阪煤气公司也在1973年引进两台PAFC机组。日本政府于1981年设立了以开发节能技术为宗旨的“月光计划”，燃料电池发电是其中一项重要内容。此后，日本国内的电力公司、煤气公司和一些大型的制造厂纷纷投入燃料电池的研究开发，并与美国IFC合作，使日本的PAFC得到更大的发展。目前，日本的PAFC技术已赶上了美国，商业化程度超过了美国。5MW(富士电机制造)和11MW(东芝与IFC合制)均在日本投运，日本公司制造的PAFC机组已运行了近100多台。
日本有关MCFC的研究是从1981年开始的，通过自主开发并与美国合作。1987年10kwMCFC开发成功，1993年100kw加压型MCFC开发成功，1997年开发出1MW先导型MCFC发电厂，并投入运行。MCFC已被列为日本“新阳光计划”的一个重点，目标是2000年一2010年，实现燃用天然气的10MW一50MW分布式MCFC发电机组的商业化，并进行100MW以上燃用天然气的MCFC联合循环发电机组的示范，2010年后，实现煤气化MCFC联合循环发电，并逐步替代常规火电厂。
日本的SOFC技术也是从1981年的“月光计划”开始研究的，立足于自主开发。1989年一1991年，开发出l00W一400WSOFC电池堆，1992年一1997年开发出l0kw平板型SOFC。SOFC的研究进展也远远落后于NEDO原来的计划。“新阳光计划”中预计2000年一2010年，使SOFC达到MW级，并形成联合循环发电。日本的PEFC也被列入“新阳光计划”，目前开发的容量为(1—2)kw。
(2)政府采取的措施
日本政府在“月光计划”和“新阳光计划”中，先后资助了3台200kw、2台lMW和l台5MW的PAFC；1台100kw和1台1MW的MCFC示范电站研究开发、建设及运行。
在通产省和NEDO的统一组织和管理下，使公用事业单位(电力公司和煤气公司)和开发商及研究单位紧密结合，实现燃料电池研究开发和商业示范应用一体化。日本电力公司和煤气公司，过去十年来安装了约80多台燃料电池机组，装机容量达到20.1MW，燃料电池及电厂的费用主要由业主承担，但是制造商和政府也各承担一部分。这种政府和企业联合研究开发的方式促进了日本燃料电池的发展。使用燃料电池发电享有许多优惠政策：燃料电池的相关设备，在未超过一定规模时，其工程计划仅须申报即可动工。对500kw以下的常压燃料电池生产与使用的审批手续大大简化。在医院、旅馆、办公大楼等安装的燃料电池发电机组，政府提供的经费资助。新建的燃料电池发电设备享有10的免税额，并获有30％的加速折旧。对装设于电力公司或自备发电用的燃料电池项目，日本开发银行将提供投资额40％的低息贷款。
(3)市场预测
1990年，日本通产省发表了“长期电源供需展望”报告，预计日本国内的燃料电池发电容量到2000年约2250MW；2010年约10720MW，电力系统用5500MW，其中约有2400MW是MCFC和SOFC高温型燃料电池；2010年煤气化MCFC和SOFC达到实用化；发电效率达到50％一60％。由于燃料电池发电技术仍有许多技术上的难题没有突破，进展速度低于预期值，因此日本目前已将原目标做了修正，预计2000年燃料电池装机容量将达到200MW，其中分布式电源l12MW，工业用热电联产型为88MW；2010年将达到2200MW，其中分布式电源型为735MW，工业用热电联产型为1465MW。
3．3其它国家和地区的发展进程
目前，欧洲的燃料电池发电技术远远落后于美国和日本。80欧洲又重新开始研究燃料电池发电技术。它们采用向美国、日本购买电池组，自行组装发电厂的方式来发展PAFC发电技术。1990年成立了一个“欧洲燃料电池集团(EFCG)”。意大利已完成了一座1MW的PAFC示范工程，由IFC供应，BOP由欧洲制造。意大利、西班牙与美国IPC合作，于1993年在米兰建了一座l00kwMCFC电厂，1996年投运。德国正在开发250kwMCFC。德国西门子公司于1998年收购了美国西屋公司的管形SOFC技术后，现在拥有世界上最先进的平板型和管形SOFC技术。
加拿大在PEFC方面居世界领先地位，在继续开发交通用PEFC的同时，目前也将PEFC应用于固定电站，已建成250kwPEFC示范电站，目标是在近几年内使250kw级PEPC商业化。澳大利亚在1993年一1997年，共投资3000万美元，研究开发平板型SOFC，目前正在开发(20一25)kwSOFC电池堆。韩国电力公司于1993年从日本购进一座200kwPAFC进行示范运行。
3．4国外发展燃料电池发电技术的经验总结
回顾国外燃料电地发展的道路，有许多值得我们吸取和借鉴的经验。下面归纳几点：
美国在燃料电池发电技术的研究开发方面始终处于世界领先地位。除了雄厚的财力之外，还有三方面重要的原因：一是政府将燃料电池发电技术视为提高火力发电效率、减少污染物和温室气体排放的重要措施，列入政府的“改变气侯技术战略”中，并大力投入资金和力量研究开发；二是燃料电池技术提高到“国家能源安全并大力投入资金和力量研究开发；二是将燃料电池技术提高到“国家能源安全关键技术”的战略高度，DOD和DOE均投入资金研究开发；三是对燃料电池的应用前景充满信心，希望能形成新的高技术产业，给美国的经济注入新的活力，政府和企业共同投入资金研究开发，力图保持领先地位。
日本走的是一条通过与美国合作、引进技术并消化吸收实现产业化的路线，并在PAFC的商业化方面己超过了美国，在MCFC的研究开发方面也接近美国。成功的重要经验也是政府对燃料电池给予高度重视，先后列入了“月光计划”和“新阳光计划”，大力投入研究开发。另一条经验是研究机构、企业和用户联合，组成从研究、开发到商业应用一体化集团，既承担研究开发的风险，也享受成功的优惠。
加拿大Ballard公司在PEFC方面成功的经验告诉我们：只要坚定不移地进行研究开发，一个小公司也能在10—20年内成为举世瞩目的燃料电池技术拥有者。
燃料电池起源于欧洲，但是，现在欧洲的燃料电池技术已远远落后于美国和日本。主要原因是政府和企业对燃料电池发电技术重视不够。目前，欧洲已经意识到这一点，成立了—个燃料电池发电技术集团，引进美国、日本的技术，并进行研究开发。
4各种燃料电池发电技术综合比较
(1)AFC：与其它燃料电池相比，AFC功率密度和比功率较高，性能可靠。但它要以纯氢做燃料，纯氧做氧化剂，必须使用Pt、Au、Ag等贵金属做催化剂，价格昂贵。电解质的腐蚀严重，寿命较短，这些特点决定了AFC仅限于航天或军事应用，不适合于民用。
(2)PAFC：以磷酸做为电解质，可容许燃料气和空气中C02的存在。这使得PAFC成为最早在地面上应用或民用的燃料电池。与AFC相比它可以在180℃一210℃运行，燃料气和空气的处理系统大大简化，加压运行时，可组成热电联产。但是，PAFC的发电效率目前仅能达到40％一45％(LHV)，它需要贵金属铂做电催化剂；燃料必须外重整：而且，燃料气中C0的浓度必须小于1％(175℃)一2(200℃)，否则会使催化剂中毒；酸性电解液的腐蚀作用，使PAFC的寿命难以超过40000小时。PAFC目前的技术已成熟，产品也进入商业化，做为特殊用户的分散式电源、现场可移动电源和备用电源，PAFC还有市场，但用作大容量集中发电站比较困难。
(3)MCFC：在650℃一700℃运行，可采用镍做电催化剂，而不必使用贵重金属：燃料可实现内重整，使发电效率提高，系统简化；CO可直接用作燃料；余热的温度较高，可组成燃气／蒸汽联合循环，使发电容量和发电效率进一步提高。与SOFC相比，MCFC的优点是：操作温度较低，可使用价格较低的金属材料，电极、隔膜、双极板的制造工艺简单，密封和组装的技术难度相对较小，大容量化容易，造价较低。缺点是：必须配置C02循环系统；要求燃料气中H2S和CO小于0.5PPM；熔融碳酸盐具有腐蚀性，而且易挥发；与SOFC相比，寿命较短；组成联合循环发电的效率比SOFC低。与低温燃料电池相比，MCFC的缺点是启动时间较长，不适合作备用电源。MCFC己接近商业化，示范电站的规模已达到2MW。从MCFC的技术特点和发展趋势看，MCFC是将来民用发电(分散电源和中心电站)的理想选择之一。
(4)SOFC：电解质是固体，可以被做成管形、板形或整体形。与液体电解质的燃料电池(AFC、PAFC和MCFC)相比，SOFC避免了电解质蒸发和电池材料的腐蚀问题，电池的寿命较长(已达到70000小时)。CO可做为燃料，使燃料电池以煤气为燃料成为可能。SOFC的运行温度在1000℃左右，燃料可以在电池内进行重整。由于运行温度很高，要解决金属与陶瓷材料之间的密封也很困难。与低温燃料电池相比，SOFC的启动时间较长，不适合作应急电源。与MCFC相比，SOFC组成联合循环的效率更高，寿命更长(可大于40000小时)；但SOFC面临技术难度较大，价格可能比MCFC高。示范业绩证明SOFC是未来化石燃料发电技术的理想选择之一，既可用作中小容量的分布式电源(500kw一50MW)，也可用作大容量的中心电站(＞l00MW)。尤其是加压型SOFC与微型燃气轮结合组成联合循环发电的示范，将使SOFC的优越性进一步得到体现。
(5)PEFC：PEPC的运行温度较低(约80℃)，它的启动时间很短，在几分钟内可达到满负荷。与PAFC相比，电流密度和比功率都较高，发电效率也较高(45％一50(LHV))，对CO的容许值较高(＜10ppm)。PEFC的余热温度较低，热利用率较低。与PAFC和MCFC等液体电解质燃料电池相比，它具有寿命长，运行可靠的特点。PEFC是理想的可移动电源，是电动汽车、潜艇、航天器等移动工具电源的理想选择之一。目前，在移动电源、特殊用户的分布式电源和家庭用电源方面有一定的市场，不适合做大容量中心电站。
5结论
选择适合于我国电力系统发展的燃料电池发电技术，应综合考虑以下几点：较高的发电效率；环保性能好；既能作为高效、清洁的分布电源，又具有形成大容量的联合循环中心发电站的发展潜力；既能以天然气为燃料，又具有以煤为燃料的可能性；技术的先进性及商业化进程；运行的可靠性和寿命；降低造价的潜力；国内的基础。综合考虑以上几点，对适合于我国电力系统发展的燃料电池发电技术，提出以下几点选择意见：
(1)优先发展高温燃料电池发电技术。即选择MCFC和SOFC为我国电力系统燃料电池发电技术的主要发展方向，这两种燃料电池既能以天然气为燃料作为高效清洁的分布电源，又具有形成大容量的联合循环中心发电站(以天然气或煤为燃料)的发展潜力。
(2)MCFC和SOFC各有特点，都存在许多问题，尚未商业化。若考虑技术难度和成熟程度以及商业化的进程，对于MCFC，应走引进、消化吸收、研究创新，实现国产化的技术路线，并尽快投入商业应用：对于SOFC，应立足于自主开发，走创新和跨越式发展的技术发展路线。
(3)随着氢能技术的发展，PEFC在移动电源、分散电源、应急电源、家庭电源等方面具有一定优势和的市场潜力，国家电力公司应密切跟踪研究。
l 燃料电池发电的技术特点和应用形式
1．1 技术特点
燃料电池发电是在一定条件下使燃料(主要是H2)和氧化剂(空气中的02)发电化学反应，将化学能直接转换为电能和热能的过程。与常规电池的不同：只要有燃料和氧化剂供给，就会有持续不断的电力输出。与常规的火力发电不同，它不受卡诺循环的限制，能量转换效率高。与常规发电相比燃料电池具有以下优点：
(1)理论发电效率高，发展潜力大。燃料电池本体的发电效率可达到50%一60％，组成的联合循环发电系统在(10-50)MW规模即可达到70％以上的发电效率。
(2)污染物和温室气体排放量少。与传统的火电机组相比，C02排出量可减少40％一60％。Nox(＜2ppm)和SOx(＜1ppm)排放量很少。
(3)小型高效，可提高供电可靠性。燃料电池的发电效率受负荷和容量的影响较小。
(4)低噪音。在距发电设备3英尺(1．044米)处噪音小于60dB(A)。
(5)电力质量高。电流谐波和电压谐波均满足IEEE519标准。
(6)变负荷率高。变负荷率可达到(8％一lO％)／min，负荷变化的范围大(20%一120%)。
(7)燃料电池可使用的燃料有氢气、甲醇、煤气、沼气、天然气、轻油、柴油等。
(8)模块化结构，扩容和增容容易，建厂时间短。
(9)占地面积小，占地面积小于lm2／KW。
(10)自动化程度高，可实现无人操作。
总之，燃料电池是一种高效、洁净的发电方式，既适合于作分布式电源，又可在将来组成大容量中心发电站，是2l世纪重要的发电方式。制约燃料电池走向大规模商业化的主要因素是：高价格和寿命问题。
2．1 燃料电池的应用形式
(1)现场热电联供，常用的容量为200KW一1MW。
(2)分布式电源，容量比现场用燃料电池大，约(2-20)MW。
(3)基本负荷的发电站(中心发电站)，容量为(100-300MW)。
(4)燃料电池还可用于100W-100KW多种可移动电源、便携式电源、航空电源、应急电源和计算机电源等。
2 为什么要在我国电力系统发展燃料电池发电技术?
2．1 采用燃料电池发电是提高化石燃料发电效率的重要途径之一
以高温燃料电池组成的联合循环发电系统，可使发电效率达到60%-75%(LHV)，这一目标将在2005年左右实现。预计到2010年，发电效率可超过72％。煤气化燃料电池联合循环(IGFC)的发电效率可达到62％以上。以燃料电池组成的热电联产机组的总热效率可达到85％以上。燃料电池本体的发电效率基本不随容量的变化而变化，这使得燃料电池既可用作小容量分散电源，又可用于集中发电应用范围广泛。
2．2 燃料电池发电可有效地降低火力发电的污染物和温室气体排放量
燃料电池发电中几乎没有燃烧过程，NOx排放量很小，一般可达到(O．139一 0．236)kg／MW·h以下，远低于天然气联合循环的NOx排放量(1kg／MW·h一3kg/MW．h)。由于燃料进入燃料电池之前必须经过严格的净化处理，碳氢化合物也必须重整成氢气和CO， 因此，尾气中S02、碳氢化合物和固态粒子等污染物排量也污染物的含量非常低。与常规燃煤发电机组相比，C02的排放量可减少40％一60%．在目前CO2分离和隔绝技术尚不成熟的状况下，通过提高能源转换效率减少CO2排放是必然的选择。
2. 3 采用燃料电池发电可提高供电的灵活性和可靠性
燃料电池具有高效率、低污染、低噪声、模块化结构、体积小、可靠性高等突出特点，是理想的分布式电源。与目前一些可做为分布式电源的内燃机相比，燃料电池的发电效率更高、污染更低。在250KW-lOMW的功率范围内，具有与目前数百兆瓦中心电站相当甚至更高的发电效率。作为备用电源的柴油发电机由于污染和噪声大不宜在未来的城市中应用。低温燃料电池不仅发电效率高，而且启动快、变负荷能力强，是很好的备用电源。现代社会对供电的可靠性和环境的兼容性要求越来越高，高效、低污染的分布式电源系统日益受到重视。近年来美国、加拿大、台湾相继发生因自然灾害或人为因素造成的大面积停电，许多重要用户长期不能恢复供电，给社会和经济造成了巨大的损失。北约轰炸南联盟，使电力系统严重受损。这些由不可抗力引起的电网破坏无不使人引发出一个重要的思考：提高我国电力系统供电的可靠性和供电质量，虽然主要依靠电网的改造和技术革新，但如果在电网中有许多分布式电源在运转，供电的可靠性将会大大提高。
对于象军事基地、指挥中心、医院、数据处理和通讯中心、商业大楼、娱乐中心、政府要害部门、制药和化学材料工业、精密制造工业等部门，对电力供应的可靠性和质量要求很高。目前采用的备用电源效率低、污染严重、电压波动大。而采用燃料电池作为分布式电源向这些部门提供电力，会使供电的可靠性和电力质量大大提高。他们将是燃料电池发电技术的第一批用户。
对于边远地区，负荷小且分散，若建设完善的电网，不仅投资大，线损大，且电网末端地区电力质量不稳定。对于这些区域若辅助燃料电池发电的分布式电源，更能有效地解决这些地区的电力供应问题。燃料电池的重量比功率和体积比功率均比常规的小型发电装置大，因此，它也是理想的移动电源，适合于各种建设工地、野外作业和临时急用。
2．4 发展燃料电池发电技术是提高国家能源和电力安全的战略需要
美国已将燃料电池发电列为国家安全关键技术之一。美、日之所以能在燃料电池技术方面处于世界领先地位，与国家从战略高度予以组织、资助和推动密不可分。在目前复杂的国际环境下，高技术的垄断日趋严重，掌握清洁高效发电的高新技术对未来国家的能源和电力安全具有重要的战略意义，而燃料电池发电技术，正是这种高效清洁的高新发电技术之一。燃料电池突出的优点，以及发达国家竟相投入巨资研究开发的行动，足以说明燃料电池发电技术在21世纪会起到越来越重要的作用。
2．5 发展燃料电池发电技术是国电公司“加强技术创新，发展高科技，形成高新技术产业”的需要
燃料电池发电技术是电力工业中的高新技术，己受到普遍重视。美国燃料电池发电技术的研究开发主要由美国能源部组织实施，其中一个重要的目的就是形成新的高技术产业，为美国的经济注入新的活力。日本的东京电力公司、关西电力公司及其它公用事业单位是日本燃料电池开发及商业化的主要承担者和推动者，其目的也是为电力公司注入新的经济增长点以获得巨大的经济效益和社会效益。
国家电力公司处在完成“两型”、“两化”、 “进入世界500强”的历史时刻，恰逢党中央国务院号召全国各行业“加强技术创新，发展高科技，实现产业化”的有利时机，在国家电力公司内不失时机地进行燃料电池发电技术的研究开发是非常必要的。采取引进、消化、吸收和再创新的技术路线，以高起点，在尽可能短的时间内初步形成自主产权的燃料电池发电关键技术，不仅可以使我国在燃料电池发电技术领域与国外的差距大大缩小，而且，对国家电力公司进行发电系统的结构调整、技术创新、形成高新技术产业、实现跨越式发、提高国际竞争能力都具有非常重要的意义。
2．6 燃料电池发电技术在我国有广阔的发展前景
未来二十年，随着我国“西气东送”，全国天然气管网的不断完善及液化天然气(LNG)的广泛应用，燃用天然气的燃料电池发电将会有很大市场。煤层气也是燃料电池的理想燃料。我国丰富的煤层气资源也将是燃料电池发电的巨大潜在能源之一。燃料电池可与常规 燃气一蒸汽联合循环结合，形成更高效率的发电方式。与煤气化联合循环(IGCC)结合，形成数百兆瓦级的大型、高效、低污染的中心发电站，比IGCC效率更高，污染更小。
燃料电池可与水电、风电和太阳能发电等结合，在高出力时，利用电解水制氢，低出力时用燃料电池发电，达到既储能，又高效发电的目的。采取气化或厌氧处理的方法将生物质变为燃料气，通过燃料电池发电，提高能源转换效率，并降低污染物排放量。对一些经济欠发达但有丰富的沼气资源的地区，利用燃料电池发电技术有可能更有有效地解决这些地区的电力供应问题。
2．7 与国外有较大的差距
在燃料电池发电技术方面，我国与国际先进水平有较大的差距。在MCFC和SOFC技术方面，国外已分别示范成功了2MW和100KW的燃料电池发电机组，而我国在这方面才刚刚起步，2000年才可望研制出2KW左右的试验装置。在PAFC和PEFC技术方面，国内与国外的差距更大。倘若我们现在不开始研究开发燃料电池发电技术，等到燃料电池完全成熟后再引进，不但会受制于人，还将付出更大的经济代价，更谈不上尽快形成燃料电池发电的产业化。若不能形成燃料电池的产业化并在电力系统广泛应用，那么，也谈不上提高发电效率和降低污染物的排放。只有从现在开始，在国外的基础上，高起点研究，经过10-20年的努力，有可能在国电公司形成燃料电池的产业和广泛的商业应用。
2．8 在我国电力系统发展燃料电池发电技术是市场经济条件下的迫切要求
分散式电源作为大电网的有效补充己得到许多国家的重视，而电源提供者的多元化更是一种趋势。我国电网的容量大、技术水平和可靠性还较低、抵御各种灾害的能力较差，在这种情况下，小型高效的燃料电池分布式电源随着技术的商业化市场潜力巨大。
倘若电力系统不及时进行研究开发，在未来几年内，有可能被国外企业和国内其它其它行业或民营企业占领燃料电池分散电源市场。在市场经济条件下，国电公司既是用户，又是开发者。对于燃料电池这样重要的发电高新技术，应不失时机地着手研究开发，联合国内一些基础研究单位，争取纳入国家的攻关计划，获得国家支持，在尽可能短的时间内，形成燃料电池发电技术研究开发的优势，开发燃料电池发电关键技术和成套技术，形成国电公司的高新技术产业，既可优化调整电力结构，又能满足市场的不同需求。
3 国外燃料电池发展计划及商业化的预测
研究美、日、欧洲等国家和地区燃料电池的发展进程及商业化的预测，对我们制定燃料电池的发展战略和预测应用前景会有一定的参考价值。
3．1美国燃料电池发电技术研究开发状况
(1)美国燃料电池发电技术的研究开发计划
1997年，美国总统克林顿颁发了"改善气候行动计划”， 燃料电池被确定为一项关键技术，联邦政府为此制定了一项“美国联邦燃料电池发展计划”，目的是通过燃料电池的商业化来减少温室气体排放量。在这项计划中，对每一个燃料电池的新用户资助l000／KW的优惠。结果，仅在1998年，就有42台200kw PAFC发电机组投入运行。
美国政府鼓励在一些对环境敏感的地区建立燃料电池发电站。此外，政府已促使美国所有的军事基地安装200KW燃料电池发电机组。通过这些措施，加速燃料电池的商业化，并提高国家能源的安全性。美国政府投入巨资研究开发燃料电池发电技术的另一个目的，就是要保持美国在这一领域的领先地位。随着商业化过程不断深入，将逐步形成新的高技术产业，为美国的经济注入新的活力，提供更多的就业机会。
美国DOE的燃料电池发展计划如下：
PAFC己商业化，不再投入资金进行研究开发。PAFC目前的发电效率为40％一 45%(LHV)，热电联产的热效率为80％(LHV)。
已完成250KW和2MW MCFC的现场示范，预计2002年进行20MW的示范；2003年左右，使250KW和MW级MCFC达到商业化；2010年，燃用天然气的250KW一20MW MCFC分散电源达到商业化，100MW以上MCFC的中心电站也进入商业化; 2020年，100MW以上燃煤MCFC中心发电站进入商业化。MCFC技术目标是运行温度为650℃，发电效率达到60％(LHV)，组成联合循环的发电效率为70%(LHV)，热电联产的热效率达到85%(LHV)以上。
目前，己完成25kw和100kw SOFC现场试验，正在进行SOFC的商业化设计。预计2002年左右，进行MW级SOFC示范；2003年左右，100kw一1MW SOFC进行商业化：2010年，250kw一20MW燃用天然气的SOFC以分布式电源形式进入商业化，100MW以上燃用天然气的SOFC以中心电站形式进入商业化；2020年，100W及以上容量的燃煤S0FC以中心电站的形式进入商业化。SOFC技术目标是：运行温度为1000℃，发电效率达到62％(LHV)，组成联合循环的发电效率达到72％(LHV)，热电联产的热效率达到85%(LHV)以上，燃煤时发电效率可达到65％(LHV)，这一目标预计2010完成。
美国是最早研究开发PEFC的国家，但在大容量化和商业应用方面已落后于加拿大。目前美国生产的质子交换膜仍居世界领先水平。美国在PEFC的开发方面是面向家庭用分散式电源，实现热电联供。Plug Power公司与GE合作，计划2001年使10kw PEFC进入商业化，价格达到S750-1000／kw，大批量生产后，使PEFC的价格达到$350／kw。
(2)市场预测
美国能源部(DOE)对美国潜在的燃料电池市场的预测认为：在2005年一2010年，美国年需求燃料电池发电容量约2335MW一4075MW。现在美国的燃料电池年生产能力为60MW，商业化的价格为$2000一$3000／kw，若年生产能力达到100MW／a，商业化的价格则可达到$l000-$1500/Kw。 若能达到(2000-4000)MW／a的生产能力，燃料电池的原材料费仅$200一$300／kw。那么燃料电池的价格则有可能达到$900-$l100／kw，此时可完全与常规的发电方式竞争。
3．2 日本燃料电池发电技术的发展进程及应用前景预测
(1)发展进程
日本在PAFC研究方面，走的是一条引进合作、消化吸收、再提高的路线。1972年东京煤气公司从美国引进两台PAFC燃料电池发电机组，大阪煤气公司也在1973年引进两台PAFC机组。日本政府于1981年设立了以开发节能技术为宗旨的“月光计划”，燃料电池发电是其中一项重要内容。此后，日本国内的电力公司、煤气公司和一些大型的制造厂纷纷投入燃料电池的研究开发，并与美国IFC合作，使日本的PAFC得到更大的发展。目前，日本的 PAFC技术已赶上了美国，商业化程度超过了美国。5MW(富士电机制造)和11MW(东芝与IFC 合制)均在日本投运，日本公司制造的PAFC机组已运行了近100多台。
日本有关MCFC的研究是从1981年开始的，通过自主开发并与美国合作。1987年10kw MCFC开发成功，1993年100kw加压型MCFC开发成功，1997年开发出1MW先导型MCFC发电厂，并投入运行。MCFC已被列为日本“新阳光计划”的一个重点，目标是2000年一2010年，实现燃用天然气的10MW一50MW分布式MCFC发电机组的商业化，并进行100MW以上燃用天然气的MCFC联合循环发电机组的示范，2010年后，实现煤气化MCFC联合循环发电，并逐步替代常规火电厂。
日本的SOFC技术也是从1981年的“月光计划”开始研究的，立足于自主开发。1989年一1991年，开发出l00W一400W SOFC电池堆，1992年一1997年开发出l0kw平板型SOFC。SOFC的研究进展也远远落后于NEDO原来的计划。 “新阳光计划”中预计2000年一2010年，使SOFC达到MW级，并形成联合循环发电。日本的PEFC也被列入“新阳光计划”，目前开发的容量为(1-2)kw。
(2)政府采取的措施
日本政府在“月光计划”和“新阳光计划”中，先后资助了3台200kw、2台lMW和l台5MW的PAFC；1台100kw和1台1MW的MCFC示范电站研究开发、建设及运行。
在通产省和NEDO的统一组织和管理下，使公用事业单位(电力公司和煤气公司)和开发商及研究单位紧密结合，实现燃料电池研究开发和商业示范应用一体化。日本电力公司和煤气公司，过去十年来安装了约80多台燃料电池机组，装机容量达到20.1MW，燃料电池及 电厂的费用主要由业主承担，但是制造商和政府也各承担一部分。这种政府和企业联合研 究开发的方式促进了日本燃料电池的发展。使用燃料电池发电享有许多优惠政策：燃料电池的相关设备，在未超过一定规模时，其工程计划仅须申报即可动工。对500kw以下的常压燃料电池生产与使用的审批手续大大简化。在医院、旅馆、办公大楼等安装的燃料电池发电机组，政府提供的经费资助。新建的燃料电池发电设备享有10%的免税额，并获有30％的加速折旧。对装设于电力公司或自备发电用的燃料电池项目，日本开发银行将提供投资额40％的低息贷款。
(3)市场预测
1990年，日本通产省发表了“长期电源供需展望”报告，预计日本国内的燃料电池发电容量到2000年约2250MW；2010年约10720MW，电力系统用5500MW，其中约有2400MW是 MCFC和SOFC高温型燃料电池；2010年煤气化MCFC和SOFC达到实用化；发电效率达到50％一60％。由于燃料电池发电技术仍有许多技术上的难题没有突破，进展速度低于预期值，因此日本目前已将原目标做了修正，预计2000年燃料电池装机容量将达到200MW，其中分布式电源l12MW，工业用热电联产型为88MW；2010年将达到2200MW，其中分布式电源型为 735MW，工业用热电联产型为1465MW。
3．3其它国家和地区的发展进程
目前，欧洲的燃料电池发电技术远远落后于美国和日本。80欧洲又重新开始研究燃料电池发电技术。它们采用向美国、日本购买电池组，自行组装发电厂的方式来发展PAFC发电技术。1990年成立了一个“欧洲燃料电池集团(EFCG)”。意大利已完成了一座1MW的PAFC示范工程，由IFC供应，BOP由欧洲制造。意大利、西班牙与美国IPC合作，于1993年在米兰建了一座l00kw MCFC电厂，1996年投运。德国正在开发250kw MCFC。德国西门 子公司于1998年收购了美国西屋公司的管形SOFC技术后，现在拥有世界上最先进的平板型和管形SOFC技术。
加拿大在PEFC方面居世界领先地位，在继续开发交通用PEFC的同时，目前也将PEFC应用于固定电站，已建成250kw PEFC示范电站，目标是在近几年内使250kw级PEPC商业化。澳大利亚在1993年一1997年，共投资3000万美元，研究开发平板型SOFC，目前正在开发(20一25)kw SOFC电池堆。韩国电力公司于1993年从日本购进一座200kw PAFC进行示范运行。
3．4 国外发展燃料电池发电技术的经验总结
回顾国外燃料电地发展的道路，有许多值得我们吸取和借鉴的经验。下面归纳几点：
美国在燃料电池发电技术的研究开发方面始终处于世界领先地位。除了雄厚的财力之外，还有三方面重要的原因：一是政府将燃料电池发电技术视为提高火力发电效率、减少污染物和温室气体排放的重要措施，列入政府的“改变气侯技术战略”中，并大力投入资金和力量研究开发；二是燃料电池技术提高到“国家能源安全并大力投入资金和力量研究开发；二是将燃料电池技术提高到“国家能源安全关键技术”的战略高度，DOD和DOE均投入资金研究开发；三是对燃料电池的应用前景充满信心，希望能形成新的高技术产业，给美国的经济注入新的活力，政府和企业共同投入资金研究开发，力图保持领先地位。
日本走的是一条通过与美国合作、引进技术并消化吸收实现产业化的路线，并在PAFC的商业化方面己超过了美国，在MCFC的研究开发方面也接近美国。成功的重要经验也是政府对燃料电池给予高度重视，先后列入了“月光计划”和“新阳光计 划”，大力投入研究开发。另一条经验是研究机构、企业和用户联合，组成从研究、开发到商业应用一体化集团，既承担研究开发的风险，也享受成功的优惠。
加拿大Ballard公司在PEFC方面成功的经验告诉我们：只要坚定不移地进行研究开发，一个小公司也能在10-20年内成为举世瞩目的燃料电池技术拥有者。
燃料电池起源于欧洲，但是，现在欧洲的燃料电池技术已远远落后于美国和日本。主要原因是政府和企业对燃料电池发电技术重视不够。目前，欧洲已经意识到这一点，成立了-个燃料电池发电技术集团，引进美国、日本的技术，并进行研究开发。
4 各种燃料电池发电技术综合比较
(1)AFC：与其它燃料电池相比，AFC功率密度和比功率较高，性能可靠。但它要以纯氢做燃料，纯氧做氧化剂，必须使用Pt、Au、Ag等贵金属做催化剂，价格昂贵。电解质的腐蚀严重，寿命较短，这些特点决定了AFC仅限于航天或军事应用，不适合于民用。
(2)PAFC：以磷酸做为电解质，可容许燃料气和空气中C02的存在。这使得PAFC成为最早在地面上应用或民用的燃料电池。与AFC相比它可以在180℃一210℃运行，燃料气和空气的处理系统大大简化，加压运行时，可组成热电联产。但是，PAFC的发电效率目前仅能达到40％一45％(LHV)，它需要贵金属铂做电催化剂；燃料必须外重整：而且，燃料气中C0的浓度必须小于1％(175℃)一2%(200℃)，否则会使催化剂中毒；酸性电解液的腐蚀作用，使PAFC的寿命难以超过40000小时。PAFC目前的技术已成熟，产品也进入商业化，做为特殊用户的分散式电源、现场可移动电源和备用电源，PAFC还有市场，但用作大容量集中发电站比较困难。
(3)MCFC：在650℃一700℃运行，可采用镍做电催化剂，而不必使用贵重金属：燃料可实现内重整，使发电效率提高，系统简化；CO可直接用作燃料；余热的温度较高，可组成燃气／蒸汽联合循环，使发电容量和发电效率进一步提高。与SOFC相比，MCFC的优点是：操作温度较低，可使用价格较低的金属材料，电极、隔膜、双极板的制造工艺简单，密封和组装的技术难度相对较小，大容量化容易，造价较低。缺点是：必须配置C02循环系统；要求燃料气中H2S和CO小于0.5PPM；熔融碳酸盐具有腐蚀性，而且易挥发；与SOFC相比，寿命较短；组成联合循环发电的效率比SOFC低。与低温燃料电池相比，MCFC的缺点是启动时间较长，不适合作备用电源。MCFC己接近商业化，示范电站的规模已达到2MW。从MCFC的技术特点和发展趋势看，MCFC是将来民用发电(分散电源和中心电站)的理想选择之一。
(4)SOFC：电解质是固体，可以被做成管形、板形或整体形。与液体电解质的燃料电池(AFC、PAFC和MCFC)相比，SOFC避免了电解质蒸发和电池材料的腐蚀问题，电池的寿命较长(已达到70000小时)。CO可做为燃料，使燃料电池以煤气为燃料成为可能。SOFC的运行温度在1000℃左右，燃料可以在电池内进行重整。由于运行温度很高，要解决金属与陶瓷材料之间的密封也很困难。与低温燃料电池相比，SOFC的启动时间较长，不适合作应急电源。与MCFC相比，SOFC组成联合循环的效率更高，寿命更长(可大于40000小时)；但SOFC面临技术难度较大，价格可能比MCFC高。示范业绩证明SOFC是未来化石燃料发电技术的理想选择之一，既可用作中小容量的分布式电源(500kw一50MW)，也可用作大容量的中心电站(＞l00MW)。尤其是加压型SOFC与微型燃气轮结合组成联合循环发电的示范，将使SOFC的优越性进一步得到体现。
(5)PEFC：PEPC的运行温度较低(约80℃)，它的启动时间很短，在几分钟内可达到满负荷。与PAFC相比，电流密度和比功率都较高，发电效率也较高(45％一50%(LHV))，对CO的容许值较高(＜10ppm)。PEFC的余热温度较低，热利用率较低。与PAFC和MCFC等液体电解质燃料电池相比，它具有寿命长，运行可靠的特点。PEFC是理想的可移动电源，是电动汽车、潜艇、航天器等移动工具电源的理想选择之一。目前，在移动电源、特殊用户的分布式电源和家庭用电源方面有一定的市场，不适合做大容量中心电站。
5 结论
选择适合于我国电力系统发展的燃料电池发电技术，应综合考虑以下几点：较高的发电效率；环保性能好；既能作为高效、清洁的分布电源，又具有形成大容量的联合循环中心发电站的发展潜力；既能以天然气为燃料，又具有以煤为燃料的可能性；技术的先进性及商业化进程；运行的可靠性和寿命；降低造价的潜力；国内的基础。综合考虑以上几点，对适合于我国电力系统发展的燃料电池发电技术，提出以下几点选择意见：
（1）优先发展高温燃料电池发电技术。即选择MCFC和SOFC为我国电力系统燃料电池发电技术的主要发展方向，这两种燃料电池既能以天然气为燃料作为高效清洁的分布电源，又具有形成大容量的联合循环中心发电站（以天然气或煤为燃料）的发展潜力。
（2）MCFC和SOFC各有特点，都存在许多问题，尚未商业化。若考虑技术难度和成熟程度以及商业化的进程，对于MCFC，应走引进、消化吸收、研究创新，实现国产化的技术路线，并尽快投入商业应用：对于SOFC，应立足于自主开发，走创新和跨越式发展的技术发展路线。
(3) 随着氢能技术的发展，PEFC在移动电源、分散电源、应急电源、家庭电源等方面具有一定优势和的市场潜力，国家电力公司应密切跟踪研究。
