燃料电池技术成熟度评估研究（可编辑）

燃料电池技术成熟度评估研究（可编辑） 北京理 工大 学硕 士学 位论 文 摘要 能源是国民经济的动力, 是经济发展的基础, 也是衡量综合国力和人民生活 水平的重要指标。 采用清洁、 高效的能源利用方式, 积极开发新能源, 有利于国 家和社会经济的可持续发展。 燃料电池是一种清洁、 高效的能源利用方式, 能量 转化效率高,且无噪音,无污染,正在成为理想的能源利用方式。 本文选取了中国燃料电池技术领域作为目标领域进行技术成熟度评估, 通过 技术成熟度评估, 有助于准确把握关键技术成熟度和制定针对性地科学地研发计 划, 科学地选择技术路线, 寻找潜在的 技术机会, 防止低水平重复研究, 避免不 必要的科技资源浪费。 此外, 技术成熟度评估可以应用到立项论证、 转阶段评审、 检查验收 等一系 列科研 项目管理 环节中 ,实现 对各个环 节技术 状态的 准确把握, 降低研发风险, 推动 燃料电池研制项目的成功和实现技术的进步, 对于实现燃料 电池成本下降和市场行业化具有重大意义。 本文通过 采用文献数量分析法、 期刊与会议论文比例法、 相对增长潜力法文 献计量方法 , 对中国燃料电池整体技术成熟度进行评估 分析, 发现目前中国燃料 电池技术领域的研究主要集中在理论研究, 应用研究很少, 中国燃料电池 技术处 于不成熟 。 通过建立关键技术结构分解图和指标 体系, 确定电极催化剂、 质子交 换膜、 电极材料、 气体扩散层和电解液为燃料电池关键技术 。 在此基础上, 采用 层次分析法和 技术就绪水平 (TRL ) 对关键技术成熟度进行评估。 评估结果得到 燃 料电池关键技术 电极催化剂、 质子交换膜技术 成熟度等级为 6, 电极材料技术 成熟度等级处于中等, 处于系统样机和通过试验验证阶段, 气体扩散层、 电解液 已经接近第 8 级, 即实际系统在实际运行环境中得到试验验证 , 因此需要重点关 注和加大 研发, 加快实现电极催化剂和交换膜技术成熟, 从而推动燃料电池实现 商业化进程, 通过本文的研究, 对燃料电池关键技术的成熟度评估方法起 到积极 的拓展, 为政府和企业 准确把握关键技术成熟度和制定针对性地科学地研 发, 选择技术路线提供支持,推动燃料电池行业商业化发展。 关 键词 : 燃料电池;关 键技术;技术成熟度评估;文献计量;技术就绪水平 I北京理 工大 学硕 士学 位论 文 Abstract Energy is the driving force of the national economy, and has a fundamental role to play in the growth of the economy and of the country. Achieving a more competitive and sustainable energy is therefore one of the most significant challenges for sustainable development of the country. Fuel cells are an important enabling technology for the nation's energy portfolio and have the potential to revolutionize the way we power our nation, offering cleaner, more-efficient alternatives to the combustion of gasoline and other fossil fuelsThis paper chose fuel cell as the target area, assessed the technology maturity of fuel cell key technologies. Through technology maturity assessment, we can accurately grasp the maturity of key technologies in order to scientifically select the technology route, look for potential technology opportunity. In addition, technology maturity assessment can be applied to a series of research projects and risk management to promote the success of the fuel cell research and improve the technology level, which is of great significance to reduce the cost and realize commercialization of fuel cellsWe find that fuel cell technology is immature, mainly focused on theoretical research by using the information extraction, text mining, visualization, and bibliometric analysis methods. On this basis, we identify the key technologies which are including electrode catalyst, proton exchange membrane, electrode materials, and gas diffusion layers by constructing key technical indicators and establishing the scoring system. Further, through technology readiness level TRL and experts’ knowledge to assessment the key technology to prioritize the development of technology to support for development strategy. In this study, the result of assessment is that technology maturity level of electrode catalyst material and proton exchange membrane is6, which means the technologies are still in the prototype system related to the environment demonstration phase. The technology maturity level of Electrode material is the 7, the gas diffusion layer and the electrolyte is close to the level 8, which means the actual test system has been verified in the actual operating environment. We should put more efforts on the development of electrode catalyst and II 北京理 工大 学硕 士学 位论 文 proton to realize technology maturity to promote commercialization development and competitive environment of fuel cell industryThis study has proposed the method to identify the key technologies and technology maturity model, which provide support for the government and enterprises to accurately grasp the maturity of key technologies, scientific research and development programs and scientifically select the technology roadmap to promote commercialization of fuel cell industry KeyWords: fuel cell; key technology; technology maturity assessment;bibliometric; technology readiness level III 北京理 工大 学硕 士学 位论 文 目 录 第 1 章 绪论 1 1.1 研究背景与意义. 1 1.2 国内外研究现状. 2 1.3 本文组织结构与主要研究. 5 1.4 创新点7 第 2 章 研究理论概述9 2.1 燃料电池相关理论概述. 9 2.1.1 燃料电池概述 9 2.1.2 全球燃料电池市场概述 10 2.1.3 燃料电池在国 内外的发展情况 11 2.1.4 燃料电池存在的问题和商业化瓶颈13 2.2 技术成熟度理论概述 15 2.2.1 技术成熟度的基本概念 15 2.2.2 技术成熟度评估的目的 、意义 15 2.2.3 技术成熟度评估方法. 16 第 3 章 技术成熟度评估模型. 25 3.1 构建技术成熟度评估模型. 25 3.2 数据源的选择 26 3.3 关键技术识别 27 3.3.1 技术结构分解. 28 3.3.2 确定关键技术. 28 3.4 综合评估方法 30 3.4.1 熵权法. 31 3.4.2 层次分析法31 第 4 章 燃料电池技术成熟度评估33 4.1 整体技术成熟度评估 33 IV 北京理 工大 学硕 士学 位论 文 4.1.1 数据检索与下载 33 4.1.2 技术现状分析. 34 4.1.3 文献数量分析法 37 4.1.4 期刊与会议论文比例法 39 4.1.5 相对增长潜力 法 40 4.1.6 共词分析法41 4.2 关键技术成熟度评估 45 4.2.1 技术结构分解. 45 4.2.2 确定关键技术评估指标 权重. 46 4.2.3 确定关键技术. 49 4.2.4 关键技术成熟度评估结果综合分析. 50 4.2.5 燃料电池技术发展建议 51 结论 55 参考文献. 58 附录 62 攻读学位期间发表论文与研究成果清单 62 附录 A 燃料电池关键 技术识别指标权重调查问卷64 附录 B 燃料电池关键 技术识别调查问卷 69 附录 C 技术成熟度评估专家调查问卷 74 致谢 80 V 北京理 工大 学硕 士学 位论 文 第 1 章 绪论 1.1 研究背景 与意义 能源是国民经济的动力, 是经济发展的基础, 也是衡量综合国力和人民生 活水平 的重要指标。 人类为了 更有效地利用能源一直在进行着不懈的努力。 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。 随着世界范围 内工业的高速发展和世界各国石油、 煤炭等自 然资源的匮乏, 全世界对能源的需求日 益增加。 另外, 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 的化学能必需首先转变成热能后才能被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了;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。 因此, 采用清洁、 高效的能源利用方式, 积极开发新能源, 有利于国家 和社会经济的可持续发展, 燃料电池、 风能、 核能和太阳能等清洁能源越来越受到各 国政府的重视。 燃料电池是一种清洁、 高效的能源利用方式, 能量转化效率高, 且无 噪音, 无污染, 正在成 为理想的能源利用方式。 因此, 燃料电池的发 展对于改善环境, 实施能源可持续发展具有重要意义。 燃料电池 市场商机巨大, 各大公 司对它的兴趣倍 增。 但是, 燃料电池目前在商用化方面仍然存在许多阻碍, 与目前传统的能源技术相 比还有很大的距离。 要 想实现燃料电池电动汽车的商业化, 必须使燃料电池电动汽车 的性能相当于甚至优于现在的内燃机汽车。 然 而, 现在燃料电池电动汽车成本如此高 的主要原因在于燃料电池本身的成本太高。 燃料电池成本的下降和产业的发展依赖于 燃料电池技术的进步。 通过技术成熟度评估, 对于准确把握关键技术成熟度和制定针对性地科学地研发 计划, 从而避免创新技术被己有成果所覆盖, 科学地选择技术路线, 寻找潜在的技术 机会, 防止低水平重复研究, 避免不必要 的科技资源浪费具有重大意义。 此外, 技术 成熟度评估可以应用到立项论证、 转阶段评审 、 检查验收等一系列科研项目管理环节 中, 从而实现对各个环 节技术状态的准确把握, 这对于燃料电池研制项目的成功具有 重大意义。 因此, 本文提出通过 采用文献计量和技术就绪水平方法, 定性与定量相结合,从 1 北京理 工大 学硕 士学 位论 文 专利、 文献数据和专家知识中发现技术情报对关键技术成熟度开展评估的 关键技术成 熟度评估模型。 通过建 立关键技术结构分解图和关键技术识别指标体系, 确定关键技 术。 在此基础上, 采用层次分析法对关键技术成熟度进行评估, 分析出需要重点优先 发展的技术,从而对推动 我国燃料电池技术的快速发展和商业化起到推动作用。 1.2 国内外研 究现状 技术成熟度, 又称为 “技术完备等级” 、 “技术准备度” , 指单项技术或技术系 [1] 统在研发过程所 达到的 一般性可用程度 。国内外的技术成熟 度评估 方法主要分为定 性和定量两个方面: 定性方法主要技术就绪水平 TRL ; 定量主要是基 于专利计量及基 于文献计量两类技术成熟度评估方法。 技术成熟度研究历经多年,形成从不同数据、 不同算法、 不同角度对技术成熟程度进行研究的多个方向, 在数据获取、 处理分析等 方法方面也日趋完善,成为对技术评价的重要手段之一。 1.2.1 基于 TRL 的 技术成 熟度 评估方 法研 究现状 技术成熟度研究的起源可以追溯到上个世纪六十年代末, 美国为更好的推进包括 阿波罗计划在内的一系列空间研究计划的实施, 预测并描述未来空间技术的发展状态, 将行就绪评审(Flight Readiness Review ) 与 技 术 就 绪 评 审 (Technology Readiness Review ) 结合起来, 进行技术成熟度评估。 七十年代末,NASA 正式提出了技术就绪 [11] 水平 (Technology Readiness Levels , TRL ) 用 于评价技术的开发状态和水平 。Stan [12] Sadin 设计出最早的 TRL 成熟度评价等级模 型,将技术成熟的分为 7 个等级。 利用 TRL 进行技术成 熟度评价的方法主要在 NASA 内部使用,90 年代美国空军研究 [13] 实验室开始采用 TRL 。John C.Mankins (1995 ) 在原有成熟度等级 基础上将其进一 步发展为 9 级评价, 并对评价标准进行了详细的描述。 之后美国国防部开始采用 TRL 评估国防技术水平,对技术成熟度的研究也逐渐增多。 [14] Mankins (2002) 提 出了基于定量分析的综合技术指数,建立了技术成熟度索 [15] 引方法和集成技术分析方法,用于单个技术间的比 较。Meystel (2003 ) 在 TRL 分 级基础上对评价系统集成的不确定性和复杂性进行了分析。 Sherry R 。 Mahafza (2005) [16] 针对 TRL 不能分析 和预测技术风险的问题,提出了技术性能风险测量,对技术某 [17] 一时段或者全生命周期的性能风险进行跟踪和测量。John A 。 Mitchel (2007 ) 将 每一级的评价标准细致化、规范化和标准化,提高了评价的准确性。 2 北京理 工大 学硕 士学 位论 文 [18] 国内方面, 李敬东等人 (1994) 引入技术成 熟度评价体系对废物最小化进行了 [19] 评价, 张玉杰 (1999) 利用技术成熟度 构建了技术预测和技术预警体系, 安茂春 (2008) [20] 详细介绍了美国 TRL 评价方法和程序,并 对我国的技术成熟度评价体系提出了建 [21] 议,朱毅麟(2009) 在国外 TRL 分级评价 的基础上提出了我国空间技术领域技术 成熟度的 9 级评价模型, 并用回归分析等方法对技术研发进度和技术成熟度及其风险 [22] 进行了分析,任长晟(2010 ) 不再把 TRL 局限于某一技术的成熟度评价,而是提 出了基于证据推理和期望效用的武器装备体系成熟度评价模型对武器系统的整体成 [23] 熟度进行评价, 郭道劝 (2010) 通过大量专 家访谈和调研, 建立了 符合我国国情的 武器技术成熟度评价模型,并用属性识别分析法做了综合评价。 1.2.2 基 于文 献计 量的技 术成 熟度评 估方 法研究 现状 [14] Atshuller (1999) 描 述了产品性能、专利等级、专利数量和获利能力与技术发 展状态的关系,并用这四个指标拟合成符合生命周期特征的 S 型曲线(FRCO ),开 启了利用专利计量进行成熟度评价的先河。之后众多学者在 Atshuller 基础上利用 [25] FRCO 对不同领域的技术成熟度进行评价。Severine Gahide (2000) 对滚筒型纺纱 技术进行 了技术成熟度分析, 并得出此技术已进入成熟期的结论, Sanjana Vijayakumar [26] (1999 ) 探讨了 DVD 技术的成熟度,得出 DVD 产品技术已经到 了成长期。 [27] Mann (1998) 通过 重点考察降低成本的专利和弥补缺陷的专利这两类特殊专 利, 找到专利在产品技 术生命周期中的分布情况, 以此分析技术所处 生命周期的位置, [28] 并对制冷压缩机的技术成熟度进行了实证分析。CHI 从研究产品专 利等级与专利被 引次数 之 间 的 关 系 对 专 利 的 等 级 进 行 判 断 , 从 而 得 出 技 术 在 声 明 周 期 中 所 处 的 位 置 。 [29] 国内方面,侯明曦(2004) 通 过 成 本 降 低 的专 利 数 目 等 曲 线 作 为 成 熟 度 曲 线 , [30] 提出了基于产品技术成熟度预测的产品 R&D 决策。马苏常(2007) 利用 TRIZ 生 命周期理论, 根据应用性能、 专利数量、 专利级别和利润率 4 个变量来评估激光加工 [42] 技术系统的成熟度。 刘玉琴、 朱东华 (2008 ) 等通过引入技术新颖度、 专利数量和 专利维持成本,利用文本挖掘技术对产品技术成熟度进行了预测。 国外对应用专利指标对技术成熟度的研究从理论到应用层面都比较多, 我国则是 近十年才刚兴起应用专利计量方法对技术成熟度进行评价和预测, 在验证性研究的同 时也提出了 很多改进的评价指标, 并取得了较 好的效果。 在理论应用层面已与国外没 有太大差距。 3 北京理 工大 学硕 士学 位论 文 [31] Poter (1991) 利用期 刊论文数与工作会议论文数之比来确定技术成熟度。 会议 文献数量多于期刊文献时, 技术远未接近成熟。 反之, 技术开始逐渐 接近成熟。Benot [32] Godin (1996) 通过 文献中关键词的描述和变化,即从一般性描述到反映材料、工 [33 艺的描述的转向,评价技术的发展脉络。Daim (2005 ) ] 通过分析燃 料电池出版物 数量的变化,得到的结果与 Fisher-Pry 曲线十 分相似,并以此推算技术成熟的时间。 [34] 王吉武 (2008) 结合 文献计量分析方法, 构 建了技术成熟度、 技术 机会和技术 [35] 地位三维评价模型对新兴技术商业化潜力进行评价。 娄岩 (2010) 等通过 fisher-pry 模型、 期刊与会议论文 比例法、 文献类型变换法对城市污水处理系统智能控制技术进 [36] 行实证研究, 得到此类技术尚处于成长阶段, 还不成熟。 赵志华 (2011) 结合文献 计量方法,利用系统动力学构建了技术成熟度评价模型,并进行了实证分析。 引文分析将引文间关系作为计量单位, 借助数学、 统计学和逻辑分析方法, 对科 学期刊、 论文、 著者等 各种分析对象的引用 与被引用现象进行分析, 将共引关系、 耦 合强度等作为连接手段, 反映科学结构、 发展脉络、 学科历史和科学研究热点等问题 [2-3] 。加菲尔德在上世 纪 60 年代领导建立了一系列世界上最大的覆盖了自然科学、社 会科学、人文科学的引文数据库SCI 为引文分 析提供了更为高效和便利的手段。 [4] Small 和 Griffith (1974 ) 首先提出可以对一 个活跃的研究领域使用共引分析进 行描述。 即通过在引文 网络中聚合一些高被引用文献, 其中的聚合方 法就是共引聚类。 当文献 A 和文献 B 被 文献 C 及更多的文献同时引用时, 称 A 和 B 为共引。 文献共引 的频率越高,它们就越相似,从而为观察分析学科的变化趋势提供了直观的工具。 [5] Braam (1991) 等人 利用具有连续几年的共引群之间的相似性对某学科领域在发展 过程中的连续性和稳定性进行了研究。与 Small 的研究不同,共引群之间的相似性由 共词分析度量的, 即将 共词分析与共引聚类结合在一起, 有利于对学科领域的界定和 [6] 理解。Richard (1983) 通过研究利用专利技 术的发展趋势进行技术预测的方法, 并 指出专利指标对决策者来说非常有用的预测工具。 利用这一预测工具可以对研发规划、 竞争分析、 识别热点研究领域和新兴技术、 技术的成熟度、 技术消亡分析提供十分有 效的帮助。Narin1994[7] 通过引文耦合方法, 利用统计方法探讨专利信息, 并应用专 [8] 利引用等分析各项指标。Harhoff (2000) 利 用被引用次数标志专利所包含技术内容 的重要程度, 技术的发 展脉络和发展规律, 并得到了被引用次数与重要程度正相关的 结论。 4 北京理 工大 学硕 士学 位论 文 [9] 国内方面,姜春林2005 从期刊被引的规模 ,即引用频次、学术影响力、被引 [10] 半衰期等角度对期刊进行引文计量分析。 赵黎明 (2002) 将数据挖 掘的有关算法应 用到专利引文分析之中, 并对测度基础研究与专利之间的知识转移机制进行了实证研 [47] 究。 彭爱东 (2004 ) 则将专利引文分析应用于企业竞争情报的获取和分析中去, 利 用专利引文评估竞争对手的技术实力和技术策略, 了解竞争对手的技 术循环周期。 国 外学者在引文分析的理论方面做了大量工作, 提出了很多处理引文之间关系的有效方 法, 并将研究成果应用到技术创新、 学科公共服务等领域, 开发了不少分析引文的软 件。 国内在国外学者研究的基础上, 着重对引文分析进行了应用研究, 为国家政策制 定和企业的战略发展提供了有益的帮助, 同时对引文分析的理论方法层面也做了很多 工作。 目前国内外更多的采用 TRL 技术成熟度评 估模型,用于国防工业工程的管理工 作中技术成熟度评估; 相比于其他国家, 我国尚处于起步阶段, 模型的推广工作也刚 刚处于 试 点 开 展 的 状 态 , 还 有 很 长 的 路 要 走 。 鲜 有 学 者 将 定 性 与 定 量 方 法 结 合 起 来 , 对其他技术进行技术成熟度的评估研究中。 1.3 本文组织 结构与主要 研究内容 本文的研究获得国际轴 承巨头斯凯孚(SKF ) 公司的资助,主要目的 是进行燃料 电池 关键技术成熟度评估研究, 因此本文提出通过 采用文献计量和技术就绪水平方法, 定性与定量相结合, 从 专利 、 文献数据和专家知识中发现技术情报对关键技术成熟度 开展评估的 关键技术成熟度评估模型。 通过建立关键技术结构分解图和关键技术识别 指标体系, 确定关键技术。 在此基础上, 采用层 次分析法对关键技术成熟度进行评估, 分析出需要重点优先发展的技术, 从而 有助于 企业把握市场需求, 科学地选择技术路 线, 防止低水平重复研究, 避免不必要的科技资源浪费 , 对推动我国燃料 电池技术的 快速发展和商业化起到推动作用。 本文的组织结构如图 1.1 所示。 第 1 章主要介绍了本文的研究背景、研究意义 、 国内外的研究现状, 详细 说明 了本文的组织结构、研究内容和创新点。 第 2 章主要总结了燃料电池相关理论和技术成熟度评估方法概述,完成 了 对燃 料电池行业 特点、 技术 研发状态及商业化瓶颈 的调研; 对技术成熟度评估方法相关理 论和方法进行调研对比分析 ,为本文研究工作和研究方法的选择 提供了理论指导。 第 3 章构建了技术成熟度 评估模型。 提出了采用 文献计量学方法对整体 技术成熟 5 北京理 工大 学硕 士学 位论 文 度进行 评估, 在此基础 上, 建立 了基于技术分解结构图和关键技术识别指标体系的关 键技术识别方法, 提出了采用目标层次法和技术就绪水平方法进行关键技术成熟度 评 估的方法。 第 4 章选取中国燃料 电池为目标研究领域,进行燃料 电池关键技术成熟度评估。 根据检索词, 完成了 Compendex 、Inspec 、WOS 文献数据库和 Derwent 专 利数据库数 据进行下载、 提取、 清洗和分析。 使用文献数量分析法、 期刊与会议论文比例法、 相 对增长潜力法完成了 对燃料电池整体技术成熟度进行评估。 在此基础 上, 建立了基于 燃料电池技术分解结构图和关键技术识别指标体系, 确定了关键技术 备选。 进而 采用层次分析法和技术就绪水平方法完成了关键技术成熟度评估和综合分析。 第 5 章是总结部分。 总结本文主要的研究方法、 研究内容和研究结果 。 并且指出 帮问问研究的不足之处及下一步的研究改进方案。 6 北京理 工大 学硕 士学 位论 文 研 究 背 景 及 意 义 本 文 创 新 点 研 究 国 内 外 研 究 现 状 基 础 研 究 路 径 与 研 究 内 容 燃 料 电 池 理 论 概 述 技 术 成 熟 度 评 估 理 论 概 述 相 关 理 技 术 燃 料 燃 料 燃 料 技 术 论 技 术 成 熟 电 池 电 池 电 池 成 熟 概 度 评 成 熟 行 业 度 评 技 术 商 业 估 目 述 度 概 发 展 估 方 发 展 化 的 述 的 和 概 况 法 现 状 瓶 颈 意 义 关 键 技 术 成 熟 度 评 估 模 型 数 据 处 理 技 术 成 熟 技 术 成 熟 度 度 评 估 关 键 评 技 术 数 据 技 术 确 定 数 据 指 标 估 结 构 来 源 识 别 关 键 获 取 计 算 分 解 流 指 标 技 术 体 系 程 本 文 主 要 研 究 成 果 总 结 总 结 研 究 中 存 在 的 问 题 和 局 限 性 及 展 望 未 来 需 要 进 一 步 研 究 的 内 容 图1.1 论 文组 织结 构图 1.4 创新点 (1 ) 提出了先进行整体技术成熟度评估,继而进行关键技术成熟度评估的新思 路。 先前的研究主要集中在整体技术成熟度评估, 未进行关键技术成熟度评估。 本文 基 于 技 术 成 熟 度 评 估 理 论 对 识 别 燃 料 电 池 关 键 技 术 过 程 和 关 键 技 术 成 熟 度 评 估 流 程 进行了研究和梳理。 7 北京理 工大 学硕 士学 位论 文 (2 )在关键技术识别过程中,引入了技术分解思路,构建了关键技术识别指标 体系。 提出了基于技术结构分解的关键技术识别指标体系, 在此基础上, 完成对关键 技术成熟度评估 。 (3) 提出结构化的、 可 操作性的定量与定性相结合的 整体技术成熟度评 估方法。 把当前的技术成熟度评估方法引入到以定量分析为主、 以定性工具作 为辅助、 分析流 程规范化的方向, 使得 技术成熟度评估方法环节的质量和效率 得以提高, 为整个技术 成熟度评估系统成功建设奠定扎实的基础。 8 北京理 工大 学硕 士学 位论 文 第 2 章 研 究 理 论概 述 2.1 燃料电池 相关理论概 述 2.1.1 燃料电 池概 述 燃料电池Fuel Cell ,FC 通过氧与氢或其他燃料结合成水和二氧化碳的简单电化 学反应而发电, 是一种直接将化学能转变为电能的电化学器件, 理论转化率可达 90% , 它具有高能量、 高效率、 不排放污染物或极少排放污染物的特点, 是应用前景十分广 阔的清洁能源。 它是一种电池, 只需使用便宜的燃料来进行化学反应。 这些燃料的化 学能也通过一个步骤就变为电能, 比通常通过两步方式的能量损失少得多。 于是, 可 以为人类提供的电量就大大地增加了。 广泛地 利用燃料电池发电, 对社会经济的发展 和可再生资源的有效利用具有重要意义。 燃料电池与其它发电方式相比,具有其独特的优点,综合如下: (1) 效率高。 燃料电池是在等温、 静态、 连续的化学能到电能的直接转换过程, 因此既没中间转换过程的大量损耗, 也不受热 力学卡诺循环理论限制, 其理论效率可 达 80%-100% ,可达内 燃机效率的 2-3 倍。 (2)污染小。以纯氢为燃料时,燃料电池的化学反应产物仅为水,以富氢气体 为燃料时, 其二氧化碳的排放量也极为有限。 目前, 燃料电池的有害气体排放量比美 国的国家环境保护标准还要低两个数量级。 (3)噪声低。燃料电池按电化学反应原理工作,运动部件少、工作噪声低。 (4)燃料多样。虽然燃料电池的工作物质主要是氢,但它可用的燃料有煤气、 沼气、 天然气等气体燃 料, 甲醇、 轻油 、 柴油 等液体燃料, 甚至包括 洁净煤。 其燃 料 具有多样性。 (5)寿命长。燃料电池的电极和一般电池的电极不同,它只是化学反应的场所 和电流的通道, 并不参与化学反应, 因此没有电极损耗, 寿命长, 一般可达 5 万-10 万 小时。 (6)机动灵活。燃料电池发电装置由许多基本单元组成。一个基本单元是两个 电极夹一个电解质板, 基本单元组装起来就构成一个电池组, 再将电池组集合起来就 形成发电站。 可以根据不同的需要灵活地组装成不同规模的燃料 电池发电站。 从 1839 年世界上出现第一篇关于燃料电池的以来, 燃料电池已经发展出了很多不同 9 北京理 工大 学硕 士学 位论 文 类型。 按 照 不 同 的 分 类 标 准 , 有 不 同 的 名 称 。 如 以 工 作 温 度 来 划 分 , 有 低 温 、 中 温 、 高温和 超 高 温 燃 料 电 池 。 然 而 目 前 通 用 的 方 法 还 是 以 燃 料 电 池 中 最 重 要 的 组 成 部 分 , [38] [39] 即电解质来划分 ,陈 全世 在研究中列举了这五种不同类型燃料电池的特点 。 表 2.1 燃 料电 池分 类 分类方法 分类 按运行 机理 分 酸性燃 料电 池, 碱性 燃料 电池 AFC PAFC 碱性燃 料电 池 ( ) 、 磷 酸型燃 料电 池 ( ) 、 熔融碳 酸盐 按电解 质种 类不 同 燃料电 池 (MCFC ) 、 固 体 氧化物 燃料 电池 (SOFC ) 及质子 交换 膜燃 PEMFC 料电池 ( )等 氢气、 甲醇 、甲 烷、 乙烷 、甲苯 、丁 烯、 丁烷 等有 机燃料 ,汽 按燃料 类型 分 油、柴 油和 天然 气 等 气体 燃料, 有机 燃料 和气 体燃 料必须 经过 重整 “ ” 器 重整 为 氢气 后, 才能 成为燃 料电 池的 燃料 。 有低温 型, 温度 低 于 200 ?;中 温型 ,温 度 为 200 ~750 ?;高 按燃料 电池 工作 温度 分 750 温型, 温度 高 于 ? 2.1.2 全球燃 料电 池市场 概述 2010 年, 燃料电池的总出货量增长 40%, 达到近 23 万台的新高。 便携式燃料电 池占到这一总数的 95%。 在 2010 年全球售 出的燃料电池中, 超过 97%采用质子交换 膜燃料电池技术。2007 年至 2010 年间, 燃料电池出货量翻了 20 倍。 从应用上看便携 式小幅增长, 交通运输应用在近几年大幅增长后, 由于国际研发转向纯电动汽车, 估 计 2011 年出现大幅度回落,而在电站的应用程序平稳增长。 燃料电池技术自发明以来, 提供了可以说是最 通用的能源解决方案。 燃料电池与 种类繁多的供电方式 ?? 从电池到内燃机展开竞争, 并应用于从家庭 供热、 移动电话 充电器到汽车在内的大量应用中。 燃料电池使用的燃料与其他竞争技术存在明显差别。 内燃机技术仅限于使用一些液体燃料, 电池需 要充电来补充能源, 而燃料电池则可以 使用能提供氢的任何能源。 这为该技术开辟了 巨大的潜力, 使其可以直接集成到现有 的天然气基础设施,加工废弃物氢的化工厂,以及自垃圾填埋场生物甲烷。 特定种类燃料电池的优势不仅在性能上超越现有技术, 而且超过了其他一些燃料 电池技 术。 随着时间的推移, 应用了特定的电解质, 燃料电池性能得到提高。 如采用 直接甲醇技术的便携式燃料电池, 应用于电站 的高温燃料电池, 其产生的热量可以用 于场地加热和制造蒸汽, 极大地提供了整个系统的效率。 目前, 燃料电池采用小范围 原型示范的方式, 不断开拓其应用范围。 同时依靠政府积极, 购买数量上万个燃料电 池系统为公众服务。 10 北京理 工大 学硕 士学 位论 文 [57] [57] 图2.1 燃 料电 池出 货量 图2.2 燃料 电池 应用 情况 2.1.3 燃料电 池在 国内外 的发 展情况 迄今, 燃料电池已经历 了一个多世纪的发展历程。 现代对 燃料电池的研究和开发 始于 20 世纪 50 年代, 并以 60 年代美国将燃料电池成功地应用到载人航天飞行器为 标志, 使燃料电池在这一特殊领域步入实用化阶段。80 年代以后, 燃 料电池从空间运 用转入民用。进入 90 年代,由于全球性能源紧缺问题日趋突出以及环境保护和可持 续发展的迫切要求, 燃料电池因其突出的优越性得到了蓬勃的发展, 洁净电站、 便携 式电源即将进入商业化阶段燃料电池动力汽车进入实验阶段 奔驰、丰田 。 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 第四代发电方式。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。 早在 20 世纪 50 年代 ,我国就开展燃料电池方面的研究,在燃料电池关键材料、 关键技术的创新方面取得了许多的突破。 政府 十分注重燃料电池的研究开发, 陆续开 发出 30kW 级氢氧燃料 电极、 燃料电池电动汽车等。 燃料电池技术特别是质子交换膜 燃料电池技术也得到了迅速发展,相继开发出 60kW 、75kW 等多 种规格的质子交换 膜燃料电池组; 开发出电动轿车用净输出 40kW 、 城市客车用净输出 100kW 燃料电池 发动机,使中国的燃料电池技术跨入世界先进国家行列。 11 北京理 工大 学硕 士学 位论 文 由于燃料电池技术广泛的应用前景和高效、 清 洁等特点, 各国都非常重视该技术 的研发, 各国政府都推 出了鼓励政策, 也纷纷 投入了大量的人力物力和财力进行研发。 由于燃料电池技术广泛的应用前景和高效、 清 洁等特点, 各国都非常重视该技术的研 发, 各国政府都推出了鼓励政策, 也纷纷投入了大量的人力物力和财力进行研发, 具 体的研发历程如下。 (1)美国 1 20 世纪 70 年代开始大规模研究开发民用燃料电池。 2 将燃料电池技术列为 27 项涉及国家核心竞争力技术之一。 3 2002 年 2 月启动了“Freedom Car ”计划 ,支持开发低成本、适合大规模生产 的燃料电池汽车。 4 2003 年又启动了 “Freedom Full ” 计划资助燃料电池和氢能研究。 美国政府对 两计划共投资 17 亿美元, 此外, 还制定了总投入 55 亿美元为期 10 年的燃料电池商 业化战略计划。 5 2003 年 6 月修订了 能源法案, 为氢能和燃料电池项目提供 30 亿美元的资助。 6 美国是在燃料电池研究方面投入最多的国家, 开发应用也始终处于世界的前列。 (2)日本 1 日本将燃料电池技术看作 21 世纪能源环境领域的核心技术。 2 1999 年 12 月, 日本国内的官、 学、 产等方面组成了燃料电池实用化战略研究 会。 3 2001 年 3 月成立了民间的“燃料电池实用化推进协会”,由东芝公司董事长 任会长。 4 PAFC 和 MCFC 在日本已经得以应用。 在 PAFC 的商业化方面已与美国并驾 齐驱,在 MCFC 方面的水平也接近美国,而应用于汽车领域的 PEMFC 也进入了实 用阶段,SOFC 的应用相对滞后一些。 5 自 20 世纪 90 年代以来, 丰田、 本田、 日 产、 三菱、 马自达、 大 发、 铃木以 及富士重工等大公司先 后开始了燃料电池车的研制和开发。 (3)德国 1 德国早在 19 世纪 50 年代, 如 Simens 、Varta 公司就开始从事碱 性燃料电池 的研究。据调查,如今德国燃料电池行业有大约 350 个组织拥有超过 2800 名员工。 12 北京理 工大 学硕 士学 位论 文 2 德国研究最广泛的是质子交换膜燃料电池, 大约一半的公司正在开发这方面的 技术。 3 到目前, 整个欧洲所安装的燃料电池系统有超过四分之三设置在德国。 当中大 部分是便携式的和住宅式的 小于 10kW 装置。 4 有几乎三分之一的公司将他们的精力投放在交通应用方面, 目前, “清洁欧洲 的城市交通计划 ”CUTE 所使用的燃料电池汽车均为德国的产品。 德国在将燃料电池 应用于潜艇方面处于世界先进水平,已能批量生产燃料电池驱动的 U212 潜艇。 (4)中国 1 我国是世界上研究燃料电池较早的国家之一, 上世纪 70 年代初期的技术水平 接近当时的国际水平, 此后除个别研究机构坚持研究外, 燃料电池的研究工作基本停 止,形成近 20 年的空白状态。 2 90 年代初,我国开始兴起第二次热潮,从“八五”计划开始启动燃料电池领 域的研究,在“九五”、“十五”、“863”计划等开始进行大规模的资助,与先进 国家的差距正在缩小。 3 对质子交换膜燃料电池和交通方面的应用研究比较重视, 也取得了一定的成绩。 2.1.4 燃 料电 池存在 的问 题和 商业化 瓶颈 [51] 图 2.3 列出了燃料电池堆不同部分所占的成本比例 。 质子交换膜和 电极催化剂 的成本占了整个电池电堆成本的一半多。 其次双极板和气体扩散层也占有很大的比例。 双极性互连 双极冷却液 13% 垫片 阳极 13% 3% 11% 气体扩散层 其他 15% 6% 包装 2% 膜 阴极 22% 20% 端板 1% [51] 图2.3 燃 料电 池的 成本 分 析 13 北京理 工大 学硕 士学 位论 文 要使燃料电池商业化, 必须降低质子交换膜的成本, 寻找非贵金属催化剂, 以及 生产低廉的气体扩散层和双极板。 下表 2.2 展示说明了目前燃料电池的核心技术及产 业现状。 表2.2 电 池核 心技 术及 产 业现状 核心技术 现状 正 极 材 料 磷酸铁 锂材 料, 技术 和产 品领先 的国 内厂 商包 括: 天津斯 技术 特兰、 北大 先行 、湖 南杉 杉、深 圳贝 特瑞 以及 天骄 科技 材 与国外 比, 国产 隔膜 的厚 度、强 度、 孔隙 率等 指标 不能整 料 隔膜技 术 体兼顾 ,且 稳定 性一 般, 主要供 应中 低端 市场 ,国 内能生 产隔 技 膜的企 业主 要有 金辉 高科 、星源 科技 ,新 时科 技等 电 术 电 电 解 液 技 国内具 有规 模生 产能 力的 电解液 厂商 主要 有华 荣化 工、东 池 术 莞杉杉 、新 宙邦 等 加工工 艺 国内在 电池 单体 一致 性方 面与国 外仍 存在 较大 差距 ,国内 规模较 大的 电池 生产 厂商 有比亚 迪、 天津 力神 、深 圳比克 等 电池管 理技 术 电池管 理技 术对 电池 的单 体一致 性、 可靠 性、 寿命 等具有 重要作 用。 国内 主要 有惠 州蓝微 、深 圳航 盛等 公司 燃料电池市场商机巨大, 各大公司对它的兴趣倍增。 但是, 燃料电池目前在商用 化方面仍然存在许多阻碍, 与目前传统的能源 技术相比还有很大的距离。 燃料电池能 量密度极高, 接近于汽 油和柴油的能量密度, 几乎是零污染, 号称 “ 终极电池” , 代 表着电动车未来的发展方向,也是各国重点研发的领域之一。 目前高成本瓶颈表现在: 第一, 燃料电池反应中需要使用贵金属铂作为催化剂, 使得成本高居不下。 目前 铂价约在 47 美元/ 克, 较 08 年 2 月高点 85 美元/ 克已下跌 44% , 即便如此, 目前铂 价对应的燃料电池价格约为 47-235$/kw(按 1-5 克铂/kw 耗量计),成本过于昂贵。 第二, 在后续使用上, 贮存和运输氢成本高昂。 氢的贮存条件很严格, 一 般主要 有高压 气 态 、 低 温 液 态 两 种 贮 存 方 法 , 但 这 两 种 方 法 的 单 位 能 量 所 占 体 积 都 非 常 大 , 且设备昂贵, 一个进口 储氢罐要一千万美元一个, 贮存设备的硕大体积和重量也给运 输造成不便。 第三 ,加氢站等配套设施不够完善,如何提高氢站安全性也需高额的前期投入。 14 北京理 工大 学硕 士学 位论 文 第四, 燃料电池受制于制氢、 储氢技术的高额成本, 在短期内没有商业化的可能。 未来大规模应用有赖于低成