豐田推出質(zhì)子交換膜氫燃料電池

近日，豐田汽車美國(guó)銷售公司在豐田美國(guó)總部托倫斯宣布啟動(dòng)了發(fā)電量為1.1兆瓦的氫燃料電池發(fā)電機(jī)組。在用電需求高峰期時(shí)，這些燃料電池將為6個(gè)總部大樓提供一半的電力供應(yīng)。

此次使用的質(zhì)子交換膜氫燃料電池是由巴拉德電力系統(tǒng)公司設(shè)計(jì)建造，與其同類別的燃料電池相比較，此次特有的質(zhì)子交換膜氫燃料固態(tài)電池是目前最大的質(zhì)子交換膜燃料電池。作為氫燃料電池的首要能源供應(yīng)，氫氣通過預(yù)置的工業(yè)氫氣管道與燃料電池直接相連接。這種直接的供能方式可以在用電高峰時(shí)大幅降低電網(wǎng)自身的電量損耗。另外，作為豐田燃料電池以及其他混合動(dòng)力車燃料電池能量來源的氫氣供應(yīng)站也與這些工業(yè)氫氣管道相連接，為其直接提供氫氣來源。

質(zhì)子交換膜燃料電池作為清潔能源，其1.1兆瓦的發(fā)電量平均可為大約765個(gè)家庭提供充足的電力能源。這是豐田現(xiàn)有太陽能電池板所能產(chǎn)生電量的兩倍。據(jù)估計(jì)，質(zhì)子交換膜燃料電池的應(yīng)用可使得二氧化碳排放量在夏季用電高峰期時(shí)減少330萬磅之多，這相當(dāng)于294輛汽車一年的二氧化碳排放量總和。

質(zhì)子交換膜燃料電池所采用的能量來源——?dú)錃狻怯煽諝饣ぎa(chǎn)品公司提供，其中氫氣是由天然氣轉(zhuǎn)換而得到的。氫氣質(zhì)子交換膜燃料電池方法與購(gòu)買垃圾填埋場(chǎng)產(chǎn)生的可再生生物氣體方法相比，氫氣質(zhì)子交換膜燃料電池方法具有零廢氣排放的優(yōu)點(diǎn)，因此降低了轉(zhuǎn)換過程中的廢氣排放。

通過采用氫氣質(zhì)子交換膜燃料電池，豐田公司從南加州愛迪生能源公司購(gòu)買能源總額預(yù)計(jì)將每年節(jié)約130,000美元左右。另外，此次氫氣質(zhì)子交換膜燃料電池項(xiàng)目部分經(jīng)費(fèi)還由加拿大可持續(xù)發(fā)展計(jì)劃以及加利福尼亞自發(fā)電激勵(lì)計(jì)劃提供。

質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電作為新一代發(fā)電技術(shù)，其廣闊的應(yīng)用前景可與計(jì)算機(jī)技術(shù)相媲美。經(jīng)過多年的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開發(fā)，質(zhì)子交換膜燃料電池用作汽車動(dòng)力的研究已取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，微型質(zhì)子交換膜燃料電池便攜電源和小型質(zhì)子交換膜燃料電池移動(dòng)電源已達(dá)到產(chǎn)品化程度，中、大功率質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的研究也取得了一定成果。

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)工作溫度低，適宜于較頻繁起動(dòng)的場(chǎng)合，并具有起動(dòng)快、功率密度高以及續(xù)駛里程長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此它被認(rèn)為是車用燃料電池的最佳選擇，有望成為取代目前汽車動(dòng)力的動(dòng)力源之一。但質(zhì)子交換膜燃料電池汽車的成本高、壽命短以及燃料問題嚴(yán)重制約了其商業(yè)化，本文就對(duì)這三個(gè)方面問題進(jìn)行闡述。

質(zhì)子交換膜燃料電池的成本

目前，PEMFC商業(yè)化的最大問題是成本太高?，F(xiàn)在PEMFC的成本是1000~2000美元/kW，也許很快燃料電池的成本會(huì)降到200美元/kW，但為了和內(nèi)燃機(jī)競(jìng)爭(zhēng)，燃料電池的成本必須降到50美元/kW。而要降低PEMFC的成本，必須降低三個(gè)關(guān)鍵部件(即電極、電解質(zhì)膜和雙極板)的成本。

1.電極

迄今為止，PEMFC的陰極和陽極有效催化劑仍以鉑(Pt)為主，而電極的載鉑量過高一直是阻礙PEMFC發(fā)展的重要因素。為了降低Pt的使用量，世界各大公司進(jìn)行了許多研究工作。經(jīng)過大量的研究工作，已經(jīng)證明用氫氣/空氣工作的PEMFC，在載鉑量比40mg/cm2低很多的情況下，燃料電池性能仍然不錯(cuò)。當(dāng)陽極用純氫氣做燃料時(shí)，降低鉑負(fù)載量不存在大的技術(shù)問題，在高電流密度下工作，陽極催化劑載鉑量低至0.025mg/cm2就足夠了。但質(zhì)子交換膜燃料電池汽車，幾乎一定要用天然氣、甲醇、汽油或柴油等含碳燃料重整產(chǎn)生的氫氣作陽極燃料。由于陽極會(huì)因新制取的氫氣重整產(chǎn)品中存在微量CO而中毒，所以用這類燃料獲得滿意的燃料電池工作性能和使用壽命是困難的。CO2的毒性和稀釋作用也會(huì)使燃料電池性能降低。對(duì)CO和CO2耐毒性均較好的催化劑是鉑/釕Pt/Ru(原子百分比50∶50)。已證明，對(duì)含鉑0.4mg/cm2的鉑/釕陽極，完全可承受90℃和48.27kPa下氫氣中100mg/L的CO的毒性。通過實(shí)驗(yàn)證明用Pt/Ru作催化劑，燃料電池性能是穩(wěn)定的，工作壽命可超過5000h。目前，這種低載鉑量的Pt/Ru陽極催化劑在汽車方面應(yīng)用尚需進(jìn)一步提高陽極催化劑的耐毒能力，才能獲得高的功率密度。

根據(jù)國(guó)際研究的最新進(jìn)展，電極鉑載量已降至0.02mg/cm2，大大降低了成本。

近幾十年來，膜電極上鉑的負(fù)載量從10mg/cm2降到了0.02mg/cm2，鉑的負(fù)載量降低了近200倍。今后鉑的負(fù)載量可能還會(huì)有降低，但不會(huì)降低太多，而且鉑催化劑有一個(gè)致命的缺點(diǎn)是它易被CO和其它雜質(zhì)引起中毒。所以降低電催化劑中鉑的用量，尋求廉價(jià)催化劑，提高電極催化劑性能是目前電極催化劑研究的主要目標(biāo)。對(duì)于陰極催化劑，研究重點(diǎn)一方面是改進(jìn)電極結(jié)構(gòu)，提高催化劑的利用率，另一方面是尋求高效廉價(jià)的可替代貴金屬的催化劑。陽極催化劑則主要是研究具有抗CO中毒能力的催化劑。

2.電解質(zhì)膜

質(zhì)子交換膜是PEMFC的核心部件。作為一種厚度僅為50~180um的極薄膜片，質(zhì)子交換膜是燃料電池電解質(zhì)和電極活性物質(zhì)(催化劑)的基地。其主要功能是在一定的溫度和濕度條件下，具有選擇透過性，即只容許H離子(質(zhì)子)透過，而不容許H2分子及其它離子透過。同時(shí)具有適度的含水率，對(duì)燃料電池工作過程中的氧化、還原和水解反應(yīng)具有穩(wěn)定性。質(zhì)子交換膜具有足夠高的機(jī)械強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以及膜表面適合與催化劑結(jié)合等性能。

目前，質(zhì)子交換膜燃料電池中大量采用的是Nafion膜。Nafion膜電解質(zhì)早已應(yīng)用于氯堿工業(yè)中的鹽水電解，由于它在腐蝕性環(huán)境下的使用壽命長(zhǎng)達(dá)50000h，故備受人們關(guān)注。多年以來，PEMFC的開發(fā)工作所取得的許多重要進(jìn)展與Nafion膜的使用密切相關(guān)。Nafion是一種過氟磺酸聚合物，具有氟化共聚物骨架，磺酸基團(tuán)與其化學(xué)連結(jié)，并有固定位置，質(zhì)子則聯(lián)結(jié)自由，可起導(dǎo)電作用。當(dāng)前市場(chǎng)上質(zhì)子交換膜的價(jià)格還相當(dāng)昂貴，美國(guó)杜邦公司生產(chǎn)的全氟磺酸型膜(Nafion)的價(jià)格是800美元/m2。

巴拉德(Ballard)公司已開發(fā)出一種不完全氟化的膜材料，可能適用于汽車。這種膜初期的工作性能至少與MarkV型單體電池中的Dow膜和Nafion112膜相當(dāng)，而且已證明這種巴拉德膜的性能可滿足汽車應(yīng)用的要求，工作時(shí)間達(dá)4500h以上。由于這種膜的加工費(fèi)用較低，而且生產(chǎn)部分氟化的聚合物產(chǎn)量更高，如果需求量大，膜的成本可降至50美元/m2。

Nafion膜電解質(zhì)有很好的燃料電池性能和使用壽命，但由于其制備工藝非常復(fù)雜，價(jià)格也很昂貴。而正在研制的部分氟化磺酸膜由于具有合理的價(jià)格和良好的化學(xué)、熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)使其具有良好的應(yīng)用前景，但其最主要的缺點(diǎn)是在脫水后容易變脆。

3.雙極板

雙極板是燃料電池堆的主要部件，其作用是分隔反應(yīng)氣體、收集電流、將各個(gè)單體電池串聯(lián)起來和通過流場(chǎng)為反應(yīng)氣進(jìn)入電極及水的排出提供通道。通常PEMFC雙極板的材料是石墨、石墨與聚合物復(fù)合或金屬。

目前應(yīng)用最廣泛的雙極板是機(jī)加石墨板，由于純石墨板硬度大且脆，需要精密的機(jī)械加工，因而造價(jià)較高，約占燃料電池堆成本的60%左右，石墨雙極板技術(shù)已相當(dāng)成熟，但很難降低其材料成本和加工成本。因此尋求一種價(jià)格低廉、導(dǎo)電性好、易加工的雙極板材料是降低雙極板成本和使其商品化的關(guān)鍵所在。

金屬材料具有良好的導(dǎo)電性、機(jī)械強(qiáng)度高、阻氣性好、容易加工以及易于批量生產(chǎn)，而且厚度可以大大降低，能大幅度提高燃料電池堆的體積功率密度等優(yōu)點(diǎn)，是雙極板材料的候選材料之一。但是通常的金屬板(如不銹鋼、鋁合金和鈦板等)在PEMFC的工作環(huán)境中被腐蝕(包括陰極氧化膜加厚、陽極腐蝕等)，結(jié)果導(dǎo)致接觸電阻增大、電極催化劑和膜受到污染，燃料電池性能降低。因此，在采用金屬為PEMFC的雙極板材料時(shí)，必須對(duì)金屬的表面進(jìn)行改性。

雙極板的加工，現(xiàn)在采用最廣泛的雙極板是石墨雙極板，采用的加工方法是精密的機(jī)械加工，加工費(fèi)用相當(dāng)高(每塊500cm2雙極板加工費(fèi)大于100美元)，占雙極板費(fèi)用的80%以上，占燃料電池堆成本的40%~60%。而且加工時(shí)間比較長(zhǎng)，不容易大批量生產(chǎn)。因此需要尋求一種加工方法簡(jiǎn)單，操作成本低，容易批量生產(chǎn)的雙極板加工方法，降低燃料電池成本。