豐田推出質(zhì)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(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買垃圾填埋場產(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(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力的動力源之一。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。現(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(nèi)燃機(jī)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(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(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)載量可能還會有降低，但不會降低太多，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)前市場上質(zhì)子交換膜的價(jià)格還相當(dāng)昂貴，美國杜邦公司生產(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，不容易大批量生產(chǎn)。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(chǎn)的雙極板加工方法，降低燃料電池成本。