燃料电池产业化与标准化情况

1、中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociationCEEIA燃料电池产业化与标准化情况中国电器工业协会标准部 卢琛饪2007年11月燃料电池概述燃料电池产业化情况燃料电池标准化情况以标准化推进产业化中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociattonCEEIA燃料电池概述1.1燃料电池将外部供应的燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化为电能、热能和其它反应产物的发电装置。5中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry Associ

2、attonCEEIA1.2燃料电池不是电池(battery)燃料电池是一个发电装置或发电系统，甚至可以说 “燃料电池是一个自动运行的发电厂"。需要有燃 料处理系统、氧化剂处理系统、通风系统、水管 理系统、热管理系统以及功率调节系统、自动控 制系统等。”产*7中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociattonCEEIA、/ X /、 、9中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociationCEEIA中国亀器工业协会China Electrical Equipment I

3、ndustry AssociationCEEIA系统边界噪中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociationCEEIA燃料电池概述13燃料电池优点高效：不经过卡诺循环，能量转换效率高达60%-80%;节能：主要以氢为燃料，来源多样性，而且比能 量高；环保：发电产物为水，排气干净，噪声小，环境 污染低。中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociationCEEIA1.4燃料电池分类1.4.1按电解质分类中国亀器工业协会China Electrical Equipment Indu

4、stry AssociationCEEIA中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociationCEEIA燃料电池(Fuel cells)中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociationCEEIA中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociationCEEIA磷酸燃料电池(PAFC)J碱性燃料 电池(AFC) 丿熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)<7固体氧化物燃料电池(SOFC)<丿质子交换膜燃料电池(PEMFC)

5、特种燃料电泄中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociationCEEIA中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociationCEEIA直接醇类燃料电池(DMFC 等)7金属空气燃料电池V J中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociattonCEEIA1.4.2按用途分类.丿<_丿<丿k.y中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociattonCEEIA

6、.丿<_丿<丿k.y中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociattonCEEIA燃料电池(Fuel cells)J丿.丿<_丿<丿k.y中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociattonCEEIA.丿<_丿<丿k.y中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociattonCEEIA固定式电站用燃料电池(Stationary)驱动和辅助动力用燃料电池(propulsi onsand aux

7、iliarypower)便携式燃料电池(Portable )微型燃料电池(Micro)其他用途 燃料电池.丿<_丿<丿k.y中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociationCEEIA1.5各种燃料电池应用前景应用形式碱性燃料 电池 (AFC)磷酸燃料 电池 (PAFC)熔融碳酸盐 燃料电池 (MCFC)固体氧化物 燃料电池 (S0FC)质子交换膜 燃料电池 (PEMFC)直接醇类燃 料电池 (DMFC)并网型固定 式电站分布式热电 联产电站驱动用动力 系统辅助动力系 统便携式电源 (百瓦级)微型电源 (瓦级)燃料电池概述

8、燃料电池产业化分析燃料电池标准化情况以标准化推进产业化燃料电池产业化分析(AFC)2.1碱性燃料电池(AFC )以强碱为电解质，氢为燃料，纯氧或空气堀化剂, 以贵金属Pt、Ag等为催化剂。AFC是最早获得应用的燃料电池，其辉煌的历史记录是在航天飞行中得到应用，在各种可移动动力电源和 电动汽车动力电源为PEMFC的发展积累了经验。中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociattonCEEIA我国在20世纪70年代由于航天事业的推动，形成了一 个碱性燃料电池研制的高潮，中科院大连化物所、天 津电源研究所都分别研制了不同型号的碱性燃料电 池。

9、但由于AFC以浓碱为电解液，以纯氢或NH3、汕也等 为燃料，要除CO?,导致系统复杂化和成本增加。在 PEMFC出现并技术取得突破后，寻求地面和水下应用的燃料电池工作已转向PEMFC。燃料电池产业化分析(PAFC)2.2磷酸燃料电池(PAFC) 221以氢为燃料，空气为氧化剂，以磷酸为电解质,以贵金属钳为催化剂。其原理图:燃料氢气氧化剂空气氢极板氢电极炭化硅多孔隔膜(饱浸磷酸水溶液)氧电极氧极板222国外发展情况磷酸燃料电池(PAFC)目前应用最多的是分布式电 站，经过30多年努力，全世界有200多座200kW的PAFC 在运行。美国最早发展PAFC电站技术，而日本是 PAFC电站技术发展最快

10、的国家，美国联合技术公司(UTC )和日本的东芝公司(TOSHIBA )是PAFC技 术水平最高的公司。2.23我国发展情况nrj我国广东番禺也曾有一台日本制造的200kW的PAFC试验运行，主要是利用猪粪发酵，产生沼气利用脱硫重整等技术将沼气转换为富氢气体，供PAFC使用。该项目是技术援助项目，但现在由于多种原因而停止。2.2.4 PAFC前景不被看好总体来看，PAFC必须采用贵金属为电催化剂，而 且由于启动时间长，作为备用电源、驱动用电源使 用不及PEMFC方便，其应用领域只限于固定电 站。其工作温度在200乜左右，作为热电联产用 时，余热利用价值较低，因此其应用前景不被看 好，有被其他燃

11、料电池取代的趋势。燃料电池产业化分析(MCFC)2.3熔融碳酸盐燃料电池(MCFC )2.3.1 MCFC是以熔融碳酸盐为电解质，以氢或碳氢化合物为燃料，运行温度在650弋左右的高温燃料电池。阴极极板=?阴极进气口穿孔集流板阴极隔腫阳极穿孔集流板二阳极进气口阳极极板25中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociattonCEEIA#中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociattonCEEIAMCFC的结构27中国亀器工业协会China Electrical Equipment

12、Industry AssociattonCEEIAIII2.3.2 MCFC的工作温度高，余热利用价值较大；主要以镰为催化剂，不使用贵金属，可以采用脱硫煤气或天然气为燃料。2.3.3若应用基础研究能成功解决电池关键材料的腐 蚀等技术难题，使电池寿命从现在的20000h达到 40000h以上，MCFC将很快实现产业化，作为分散型 电站或中心电站将迅速进入发电设备市场o29中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry Association#中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociattonCEE

13、IA31中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociattonCEEIA燃料电池产业化分析(SOFC)2.4固体氧化物燃料电池(SOFC)2.4.1 SOFC采用固体氧化物作为电解质，通常采用的结构类型有管型和平板型。高温SOFC般采用管型结构(主要用于固定电站),而中温SOFC大都采用平板型结构(主要用于分散电源、家庭热点联供市场)O2.4.2 SOFC的特点：III2.4.2.1由于是高温动作(600-1000T ),通过设置底面 循环，可以获得超过60%效率的高效发电。2A.2.2由于氧离子是在电解质中移动，所以也可以用 CO、煤气

14、化的气体作为燃料。2.4.23由于电池本体的构成材料全部是固体，所以没有 电解质的蒸发、流淌。另外，燃料极空气极也没有腐蚀。动作温度高，可以进行甲烷等内部改质。2.4.2.4与其他燃料电池比，发电系统简单，可以期望从 容量比较小的设备发展到大规模设备，具有广泛用途。2.4.3国际研发情况目前国际上西门子西屋动力公司（SWFC）已制造和运 行了多套标称功率至220kW的完整电站系统，形成了每 年单班4MW的生产能力。日本的一些公司也开展了管式SOFC的研究开发，使之成为目前最接近商业化的SOFC发电技术。2.4.4我国研究开发情况除SWFC和一些日本公司外，国际上目前的研发主流是中温SOFC的研

15、制和新材料的开发。我国中科院上海硅酸盐所、大连化物所、中国科技大学、吉林大学等正在进行平板型SOFC的研发。33中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociattonCEEIA35中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociattonCEEIA燃料电池产业化分析(PEMFC)2.5质子交换膜燃料电池(PEMFC ):氧。2.5.1电解质-全氟磺酸型固体聚合物;电催化剂-钳/炭或钳一钉/炭；燃料一氢或净化重站；氧化剂一空气或纯PEMFC的工作原理示意图#中国亀器工业协会China El

16、ectrical Equipment Industry AssociattonCEEIA2.5.2 PEMFC 的特点:IIIPEMFC除了能量转化效率高，环境友好的燃料电池 基本特点外，还具备可在室温快速启动，无电解液流 失、水易排出、寿命长、比能量高等优点。2.5.3 PEMFC的用途:PEMFC不但可以作为分散电站，也特别适宜于作为移 动电源，是电动车和不依靠空气推进潜艇的理想候选电 源之一，也是未来以氢为主要能量载体的氢能时代的最佳的家庭动力源O37中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociationCEEIA中国亀器工业协会C

17、hina Electrical Equipment Industry AssociationCEEIAner財団湫新工利舛一財団简易安装的家庭用1 kW PEFC分散电源（日本）中国亀器工业协会China Electriral Equipment Industry AssociattonCEEIA自动变速箱单元 电动牵引电机单元附件单元燃料电池堆空调单元41中国亀器工业协会China Electriral Equipment Industry AssociattonCEEIA#中国亀器工业协会China Electriral Equipment Industry AssociattonCEEI

18、AMercedes-Benz Citaro 燃料电池巴士#中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociattonCEEIAPowerPEM-VC （35瓦）Ballard公司的电动汽车丿JJ燃料电池发动机的PEMFC电堆43中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociattonCEEIA#中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociattonCEEIAPowerPEM-RW35 （35瓦）PowerPEM-200H （200瓦）

19、#中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociattonCEEIA2.5.4我国燃料电池研发情况“九五”、“十五”以来，在科技部的支持下，我燃料电池车取得长足进展，已研制出具有自主知识产权的燃料电池大客车、小轿车、自行车和助力车等。2541据专家介绍，我国最新的燃料电池大客车造价已 经大大下降，不到国外同类产品价格的1/5,初具竞争 力；2542我国自行研制的“超越3号”氢燃料电池小轿 车，去年在巴黎举行的“清洁能源汽车挑战赛”中， 取得了4 “A”、1 “B”的优异成绩，并完成了 120公 里的拉力赛。45中国亀器工业协会China E

20、lectrical Equipment Industry AssociationCEEIA中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociationCEEIA人连化学物理研究所研制 的氢-空燃料电池发动机同济人学等单位合作推出的两辆 “超越三号”氢能燃料电池轿车(FCEV)大连新源动力股份有限公司 开发的燃料电池电动口行车上汽集团推出的上海牌燃料电池车29中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociattonCEEIA2.5.43 2008年北京奥运会期间，我国自制的燃料电池汽车将参与服

21、务运营；2544上海已制定了未来5年的燃料电池汽车“百千万” 发展计划。根据该计划，将在2008年2月前完成百辆级 燃料电池汽车的试制，2009年底完成1000辆多品种燃料 电池汽车（含轿车和客车）的试制和小批量生产；2011- 2012年形成万辆级燃料电池汽车产能o2.5.5 PEMFC产业化面临的问题2.5.5.1价格问题目前PEMFC的成本仍在800美元/kW左右，要比内燃机 高10多倍。即使在PEMFC电动汽车的年产量为50万 辆,其价格还要在300美元/kW左右；2.5.5.2燃料问题1A目前PEMFC般用高压氢作燃料，但高压氢在储运和 使用方面都有很大的不安全性，而且，如要把目前的

22、加 油站改装成加氢站或重新建设加氢站都需要投入巨大的 费用；2.5.53低温运行问题PEMFC的隔膜是Nafion膜，它必须在水存在时才能起到隔膜的作用，而水的存在使PEMFC的低温运行发生问题;2.55.4贵金属催化剂的资源问题目前PEMFC中的催化剂主要是Pt,如PEMFC商品化 后，Pt的来源肯定不够。51中国亀器工业协会China Electriral Equipment Industry AssociattonCEEIA中国亀器工业协会China Electriral Equipment Industry AssociattonCEEIA燃料电池产业化分析(DMFC)2.6直接甲醇燃

23、料电池(DMFC)2.6.1 DMFC 是 PEMFC 的一种，其工作原理与PEMFC 基本相同，不同之处在于DMFC的燃料是甲醇(气态或液态)o氧化剂仍为空气扩散层 质子交换膜催化层DMFC工作原理图或纯氧，也是以贵金属(Pt)为催化剂。中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociattonCEEIA2.6.2 DMFC的优点:使用液体燃料，燃料储运和使用安全方便，而且具备 结构简单、体积小、比能量高等优点。2.6.3 DMFC的用途:便携式电源和电动车电源，预计将在汽车、小型家用 电器、传感器、摄像机、笔记本电脑、手机以及军事 移动性

24、仪器等领域具有广泛的应用前景。日本几个知名公司研制的DMFCCellular PhoneDiaital Music Plaver中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociattonCEEIACellular PhoneDiaital Music Plaver中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociattonCEEIAPersonal ComputerPDAaCellular PhoneDiaital Music Plaver中国亀器工业协会China Electrical Eq

25、uipment Industry AssociattonCEEIA中科院大连化物所研制的DMFCCellular PhoneDiaital Music Plaver中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociattonCEEIACellular PhoneDiaital Music Plaver中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociattonCEEIA28瓦笔记木电脑用DMFC用于驱动PDA的空气 自吸式DMFC用于驱动手机的空气口吸式DMFC空气|'|吸式DMFCCe

26、llular PhoneDiaital Music Plaver中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociattonCEEIA264 DMFC将会得到优先发展尽管DMFC要商品化还需解决电极催化剂成本高，电 池组长时间运行的稳定性差以及甲醇有毒等问题，但因 其显著的优点，各国政府和各大公司均将其作为优先发 展的高新技术之一，并不断取得突破。2.6.5关于DMFC的利好消息美国交通部最近公布了一项许可证：微型便携式甲醇 燃料电池及其配套的甲醇燃料盒可以带上民航飞机，并 可在机上使用。而国际民航组织(ICAO)已于今年1月 日颁布了该项许可

27、。这将有力地推动DMFC成为率先实 现产业化和商品化燃料电池。燃料电池概述燃料电池产业化情况燃料电池标准化情况以标准化推进产业化61中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociattonCEEIA燃料电池标准化情况3.1国际标准化现状3.1.1目前燃料电池国际标准由国际电工委员会燃料电 池技术委员会(IEC/TC105 )负责，目前IEC/TC105 主席由来自日本日立公司的Hiromichi Fujisawa博士担 任，秘书处设在德国，秘书是来自汉堡大学的 Wolfgang Winkler教授,IEC中办负责联络该TC的是 Charle

28、s Jacquemart博士。3.1.2 IEC/TC105工作范围“制定用于所有燃料电池设备的燃料电池技术相关国际 标准，如固定式燃料电池，运输用燃料电池（包括驱动 和辅助动力燃料电池）,便携式燃料电池发电系统和微 型燃料电池系统。”3.1.3 IEC/TC105工作开展情况IEC/TC105目前下设11个工作组，共制定燃料电池际标准，其中包括：FC术语、FC賊、63中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociattonCEEIA（3项）、驱动和辅助动力用FC、便携式FC和微型FC （3项）、PEMFC单体电池性能测试方法等11项国际标

29、65中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry Association3.1-4 EEC/TC105已发布的标准IEC TS 62282-1: 2005燃料电池技术术语IEC TS 62282-2 : 2004燃料电池技术模块EEC 62282 3 1 :-疑IEC 62282 3 2 :2007固定式燃料电池发电系统2006固定式燃料电池发电系统-性能测试方法IEC 62282-5-1 :2007便携式燃料电池发电系统一安全IEC/PAS 62282-6-1 Cor.l : 2007微型燃料电池 发电系统-安全67中国亀器工业协会China Ele

30、ctrical Equipment Industry AssociationCEEIA3.1.5燃料电池国际标准化特点3.1.5.1主要工业发达国家掌握了主导权德国、日本、美国、加拿大等国基本控制了IEC/ TC105标准的制定权，除了WG6由ISO和IEC联合开 展工作外，10个工作组召集人中，日本、美国和德国 分别占据5、3、2席（我国只有一名专家参加了 WG11）;3.1.5.2发达国家的工业协会和大公司积极介入的DKE协会，美国的UL、UTC,加拿大的Ballard.日本的JEMA协会、TOSHIBA.HITACHI. NEC等公司均是标准的主导和主要参与 者，也是标准化活动的主要赞助

31、者；中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociattonCEEIA3.1.53标准化先于产业化TC105标准制定过程中,提出了要开展“发展中的技术的标准化(Standardization of developing technology) 55 ,指出“杰出的标准化进程是设计机构自然的基础” (Classic standardization process is Naturally base of project organization) o3.1.5.4制定的标准更考虑系统性目前已制定和正在制定的燃料电池国际标准更加注重燃料电池系统

32、的安全、性能、安装和接口标准，更 符合产业化的需求。69中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociationCEEIA中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociationCEEIA3.2内标准化情况中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociationCEEIA中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociationCEEIA3.2.1在科技部等有关部门的大力扶持和各方面

33、的关注下，结合国家863计划等重大项目，目前我国已 形成了大连、上海、北京和武汉等几个以研发机构和 高新技术企业为基础的、以PEMFC为主的燃料电池 产业化基地，已研制出不同功率、不同用途的燃料电 池样品并部分形成小批量试制能力，从各方面加快了 形成产业化的进程。随着燃料电池产业化进程的迅速发展，如果企业无标准可循，用户无标准可参照，势必造成将来产业化 过程的无序、市场的混乱和无法进行国际贸易。因此 标准早期介入燃料电池产业化过程是非常必要的，可 以避免出现标准滞后于市场的现象，而且制定出技术 先进的标准，还可以引领行业发展。中国亀器工业协会China Electrical Equipment

34、 Industry AssociationCEEIA322国内燃料电池标准化已完成标准和拟制定的标“十五”期间，在国际科技部和国家标准委等部门的支持下，机械工业北京电工所会同中科院大连化物所、新源动力股份有限公司等单位，共同开展了!=“质子交换膜燃料电池关键技术标准研究”的课题研 究，完成了一项体系研究，制定完成了4项标准。中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociationCEEIA中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociationCEEIA质子交换膜燃料电池术语丿厂质子交换

35、膜燃料电池关键技术标准研究k丿质子交换膜燃料驰标准体系丿质子交趣燃料电池便携式质子交融固定顼子交繩 燃料电池发电系统性能瞬方法电池堆通用技术条件燃料电池发电系统中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociationCEEIA中国亀器工业协会China Electrical Equipment Industry AssociationCEEIA3.2.3国内标准化技术机构的组建情况第一届全国燃料电池标准化技术委员会组建方案如下:秘书处：机械北京电工技术经济研究所；主任委员：中国科学院大连化物所衣宝廉院士；副主任委员：中国电器工业协会、科技部高新司、 上海神力科技有限公司、清华大学、武汉理工大学、新 源动力股份有限公司；在43名委员中，来自高