氢能与燃料电池的发展现状与市场趋势

安全可靠性：PEMFC的安全可靠性主要来自电堆和

电堆材料的模块特性，同时由于燃料电池中没有运动部件而且易于维护，这些都给PEMFC提供了较高的运行可靠性。随着PEMFC的发展，电池的模块性越来越明显，可靠性越来越高，寿命也越来越长。

模块化：燃料电池从原理上可以和普通电池一样，做成一个个很小的单体（模块），若干个单体组成一个燃料电池系统。模块化技术提高了燃料电池的可靠性，减少了移动部件，便于组装和保养。

（三）PEMFC的应用与市场状况

目前，PEMFC是汽车研发公司最为喜欢的一类燃料电池，研究者正尝试用它来替代原先使用的内燃机。另外，PEMFC可以为绝大多数军事装置（战场上的移动手提装备，水下机器人，地下工事，海、陆运输工具等）提供动力。21世纪前十年，是PEMFC从特殊应用和示范运行转到产业化、民用化阶段的重要时期。按照现在的发展趋势，我们完全相信，PEMFC技术将在21世纪应用到我们生活的很多方面，从分布式电站到移动式电源，从电动汽车^［6］到航天飞机，从军用装置到民用产品^{［7］［8］}。表2给出了PEMFC在不同领域的应用成本和技术目标，从表中可以看到，部分燃料电池产品已经具备进入市场的成本、寿命等必要条件。

1. PEMFC在分布式能源中心及热电联产、固定电站方面的应用

分布式发电^{［9］［10］}（Distributed generation，DG）简单地说就是将原来建在较远距离的大容量热电厂（或者电厂），改为在市区内建设一些小容量热电厂（或电厂），规模一般较小，通常为几十千瓦至几十兆瓦，这样能降低成本并提高能源的利用效率，还可以采用冷、热、电联供方式^［11］。分布式能源中心所使用的能源包括水电、风能、太阳能、生物质等可再生能源或清洁能源。分布式发电可以减少长距离输变电工程，与集中式发电相结合可以提高电力系统的供电可靠性。
 

进入21世纪，人们对可再生的新能源发电方式的关注度逐渐增加。燃料电池与汽轮机、柴油机等传统发电方式相比，有众多优良特性，如表3所示^［19］，它可以不受时间和天气等因素的制约，可稳定、可靠、持续地发电，是一种很有前途的分布式电源，受到了人们的广泛关注^［12］。

在质子交换膜燃料电池热电联供系统方面，研发首先开始于北美和欧洲。由加拿大Ballard公司开发的第一台以天然气重整氢气为燃料的250kW质子交换膜燃料电池热电联供商用展示系统，于2000年6月在德国柏林Treptow供热厂开始运行^［13］。该系统提供250kW交流电和230kW热量，系统的电效率为35%，总的能量效率为80%，并提供75℃的热水。在德国的Mingolsheim，另一套同样的系统在2002年9月至2003年10月运行了1年时间，期间系统输出150kW～212kW的交流电，电效率28%～38%，热效率30%～42%^［14］。这之后，GM和Dow化学公司合作在Dow的工厂内安装了类似的300kW热电联供商用展示系统^{［15］［19］}，如图3所示。
在小型家用燃料电池方面，日本为我们做出了表率，日本政府认为^［16］，1kW燃料电池系统基本能够满足家庭的用电需要，采用这样的系统可以为居民住宅供电8小时，并且24小时供应热水。这样的系统在白天开启，夜晚以及峰值输出时用电网来补充供电不足，系统效率超过30%，总效率超过65%。日本、美国、中国等国近几年在民用燃料电池电站方面的投入巨大，如表4所示^［17］。
中国的燃料电池发电研究起步并不晚，“九五”期间，质子交换膜燃料电池被列为重点，并于2006年组装了多套百瓦、千瓦级燃料电池电堆与燃料电池系统。北京飞驰绿能公司、清华大学、上海神力公司^［17］和北京富原公司等都研制出5kW的氢燃料电池电站。广东省已建成了广州大学城分布式能源站，是目前全国最大的分布式能源站^［18］，如图4。此能源站以天然气为一次能源，通过燃气—蒸汽联合发电机组发电的同时，将发电后的余热用于生活热水和空调冷冻水制备，向大学城供应冷、热、电；通过能源的分级利用，系统的综合能源利用效率能够达78%。北京市于2006年开展天然气—质子交换膜燃料电池分布式电站的研究^［19］，由北京科技大学主持，建立了10kW级天然气重整制氢的PEMFC分布式热电联产电站