豐田推出質子交換膜氫燃料電池

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

此次使用的質子交換膜氫燃料電池是由巴拉德電力系統(tǒng)公司設計建造，與其同類別的燃料電池相比較，此次特有的質子交換膜氫燃料固態(tài)電池是目前最大的質子交換膜燃料電池。作為氫燃料電池的首要能源供應，氫氣通過預置的工業(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大幅降低電網自身的電量損耗。另外，作為豐田燃料電池以及其他混合動力車燃料電池能量來源的氫氣供應站也與這些工業(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生電量的兩倍。據估計，質子交換膜燃料電池的應用可使得二氧化碳排放量在夏季用電高峰期時減少330萬磅之多，這相當于294輛汽車一年的二氧化碳排放量總和。

質子交換膜燃料電池所采用的能量來源——氫氣——是由空氣化工產品公司提供，其中氫氣是由天然氣轉換而得到的。氫氣質子交換膜燃料電池方法與購買垃圾填埋場產生的可再生生物氣體方法相比，氫氣質子交換膜燃料電池方法具有零廢氣排放的優(yōu)點，因此降低了轉換過程中的廢氣排放。

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

質子交換膜燃料電池發(fā)電作為新一代發(fā)電技術，其廣闊的應用前景可與計算機技術相媲美。經過多年的基礎研究與應用開發(fā)，質子交換膜燃料電池用作汽車動力的研究已取得實質性進展，微型質子交換膜燃料電池便攜電源和小型質子交換膜燃料電池移動電源已達到產品化程度，中、大功率質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。

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

質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降到200美元/kW，但為了和內燃機競爭，燃料電池的成本必須降到50美元/kW。而要降低PEMFC的成本，必須降低三個關鍵部件(即電極、電解質膜和雙極板)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，世界各大公司進行了許多研究工作。經過大量的研究工作，已經證明用氫氣/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。當陽極用純氫氣做燃料時，降低鉑負載量不存在大的技術問題，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生的氫氣作陽極燃料。由于陽極會因新制取的氫氣重整產品中存在微量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使燃料電池性能降低。對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。通過實驗證明用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用尚需進一步提高陽極催化劑的耐毒能力，才能獲得高的功率密度。

根據國際研究的最新進展，電極鉑載量已降至0.02mg/cm2，大大降低了成本。

近幾十年來，膜電極上鉑的負載量從10mg/cm2降到了0.02mg/cm2，鉑的負載量降低了近200倍。今后鉑的負載量可能還會有降低，但不會降低太多，而且鉑催化劑有一個致命的缺點是它易被CO和其它雜質引起中毒。所以降低電催化劑中鉑的用量，尋求廉價催化劑，提高電極催化劑性能是目前電極催化劑研究的主要目標。對于陰極催化劑，研究重點一方面是改進電極結構，提高催化劑的利用率，另一方面是尋求高效廉價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.電解質膜

質子交換膜是PEMFC的核心部件。作為一種厚度僅為50~180um的極薄膜片，質子交換膜是燃料電池電解質和電極活性物質(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(質子)透過，而不容許H2分子及其它離子透過。同時具有適度的含水率，對燃料電池工作過程中的氧化、還原和水解反應具有穩(wěn)定性。質子交換膜具有足夠高的機械強度和結構強度，以及膜表面適合與催化劑結合等性能。

目前，質子交換膜燃料電池中大量采用的是Nafion膜。Nafion膜電解質早已應用于氯堿工業(yè)中的鹽水電解，由于它在腐蝕性環(huán)境下的使用壽命長達50000h，故備受人們關注。多年以來，PEMFC的開發(fā)工作所取得的許多重要進展與Nafion膜的使用密切相關。Nafion是一種過氟磺酸聚合物，具有氟化共聚物骨架，磺酸基團與其化學連結，并有固定位置，質子則聯(lián)結自由，可起導電作用。當前市場上質子交換膜的價格還相當昂貴，美國杜邦公司生產的全氟磺酸型膜(Nafion)的價格是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，而且已證明這種巴拉德膜的性能可滿足汽車應用的要求，工作時間達4500h以上。由于這種膜的加工費用較低，而且生產部分氟化的聚合物產量更高，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雜，價格也很昂貴。而正在研制的部分氟化磺酸膜由于具有合理的價格和良好的化學、熱穩(wěn)定性等優(yōu)點使其具有良好的應用前景，但其最主要的缺點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，其作用是分隔反應氣體、收集電流、將各個單體電池串聯(lián)起來和通過流場為反應氣進入電極及水的排出提供通道。通常PEMFC雙極板的材料是石墨、石墨與聚合物復合或金屬。

目前應用最廣泛的雙極板是機加石墨板，由于純石墨板硬度大且脆，需要精密的機械加工，因而造價較高，約占燃料電池堆成本的60%左右，石墨雙極板技術已相當成熟，但很難降低其材料成本和加工成本。因此尋求一種價格低廉、導電性好、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鍵所在。

金屬材料具有良好的導電性、機械強度高、阻氣性好、容易加工以及易于批量生產，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，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)，結果導致接觸電阻增大、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，必須對金屬的表面進行改性。

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械加工，加工費用相當高(每塊500cm2雙極板加工費大于100美元)，占雙極板費用的80%以上，占燃料電池堆成本的40%~60%。而且加工時間比較長，不容易大批量生產。因此需要尋求一種加工方法簡單，操作成本低，容易批量生產的雙極板加工方法，降低燃料電池成本。