丰田燃料电池解析

丰田推出质子交换膜氢燃料电池

来源：盖世汽车网发布时间：2012-12-07

近日，丰田汽车美国销售公司在丰田美国总部托伦斯宣布启动了发电量为1.1兆瓦的氢燃料电池发电机组。在用电需求高峰期时，这些燃料电池将为6个总部大楼提供一半的电力供应。

此次使用的质子交换膜氢燃料电池是由巴拉德电力系统公司设计建造，与其同类别的燃料电池相比较，此次特有的质子交换膜氢燃料固态电池是目前最大的质子交换膜燃料电池。作为氢燃料电池的首要能源供应，氢气通过预置的工业氢气管道与燃料电池直接相连接。这种直接的供能方式可以在用电高峰时大幅降低电网自身的电量损耗。另外，作为丰田燃料电池以及其他混合动力车燃料电池能量来源的氢气供应站也与这些工业氢气管道相连接，为其直接提供氢气来源。

质子交换膜燃料电池作为清洁能源，其1.1兆瓦的发电量平均可为大约765个家庭提供充足的电力能源。这是丰田现有太阳能电池板所能产生电量的两倍。据估计，质子交换膜燃料电池的应用可使得二氧化碳排放量在夏季用电高峰期时减少330万磅之多，这相当于294辆汽车一年的二氧化碳排放量总和。

质子交换膜燃料电池所采用的能量来源——氢气——是由空气化工产品公司提供，其中氢气是由天然气转换而得到的。氢气质子交换膜燃料电池方法与购买垃圾填埋场产生的可再生生物气体方法相比，氢气质子交换膜燃料电池方法具有零废气排放的优点，因此降低了转换过程中的废气排放。

通过采用氢气质子交换膜燃料电池，丰田公司从南加州爱迪生能源公司购买能源总额预计将每年节约130,000美元左右。另外，此次氢气质子交换膜燃料电池项目部分经费还由加拿大可持续发展计划以及加利福尼亚自发电激励计划提供。

质子交换膜燃料电池发电作为新一代发电技术，其广阔的应用前景可与计算机技术相媲美。经过多年的基础研究与应用开发，质子交换膜燃料电池用作汽车动力的研究已取得实质性进展，微型质子交换膜燃料电池便携电源和小型质子交换膜燃料电池移动电源已达到产品化程度，中、大功率质子交换膜燃料电池发电系统的研究也取得了一定成果。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)工作温度低，适宜于较频繁起动的场合，并具有起动快、功率密度高以及续驶里程长等优点，因此它被认为是车用燃料电池的最佳选择，有望成为取代目前汽车动力的动力源之一。但质子交换膜燃料电池汽车的成本高、寿命短以及燃料问题严重制约了其商业化，本文就对这三个方面问题进行阐述。

质子交换膜燃料电池的成本

目前，PEMFC商业化的最大问题是成本太高。现在PEMFC的成本是1000~2000美元/kW，也许很快燃料电池的成本会降到200美元/kW，但为了和内燃机竞争，燃料电池的成

本必须降到50美元/kW。而要降低PEMFC的成本，必须降低三个关键部件(即电极、电解质膜和双极板)的成本。

1.电极

迄今为止，PEMFC的阴极和阳极有效催化剂仍以铂(Pt)为主，而电极的载铂量过高一直是阻碍PEMFC发展的重要因素。为了降低Pt的使用量，世界各大公司进行了许多研究工作。经过大量的研究工作，已经证明用氢气/空气工作的PEMFC，在载铂量比40mg/cm2低很多的情况下，燃料电池性能仍然不错。当阳极用纯氢气做燃料时，降低铂负载量不存在大的技术问题，在高电流密度下工作，阳极催化剂载铂量低至0.025mg/cm2就足够了。但质子交换膜燃料电池汽车，几乎一定要用天然气、甲醇、汽油或柴油等含碳燃料重整产生的氢气作阳极燃料。由于阳极会因新制取的氢气重整产品中存在微量CO而中毒，所以用这类燃料获得满意的燃料电池工作性能和使用寿命是困难的。CO2的毒性和稀释作用也会使燃料电池性能降低。对CO和CO2耐毒性均较好的催化剂是铂/钌Pt/Ru(原子百分比50∶50)。已证明，对含铂0.4mg/cm2的铂/钌阳极，完全可承受90℃和48.27kPa下氢气中100mg/L的CO 的毒性。通过实验证明用Pt/Ru作催化剂，燃料电池性能是稳定的，工作寿命可超过5000h。目前，这种低载铂量的Pt/Ru阳极催化剂在汽车方面应用尚需进一步提高阳极催化剂的耐毒能力，才能获得高的功率密度。

根据国际研究的最新进展，电极铂载量已降至0.02mg/cm2，大大降低了成本。

近几十年来，膜电极上铂的负载量从10mg/cm2降到了0.02mg/cm2，铂的负载量降低了近200倍。今后铂的负载量可能还会有降低，但不会降低太多，而且铂催化剂有一个致命的缺点是它易被CO和其它杂质引起中毒。所以降低电催化剂中铂的用量，寻求廉价催化剂，提高电极催化剂性能是目前电极催化剂研究的主要目标。对于阴极催化剂，研究重点一方面是改进电极结构，提高催化剂的利用率，另一方面是寻求高效廉价的可替代贵金属的催化剂。阳极催化剂则主要是研究具有抗CO中毒能力的催化剂。

2.电解质膜

质子交换膜是PEMFC的核心部件。作为一种厚度仅为50~180um的极薄膜片，质子交换膜是燃料电池电解质和电极活性物质(催化剂)的基地。其主要功能是在一定的温度和湿度条件下，具有选择透过性，即只容许H离子(质子)透过，而不容许H2分子及其它离子透过。同时具有适度的含水率，对燃料电池工作过程中的氧化、还原和水解反应具有稳定性。质子交换膜具有足够高的机械强度和结构强度，以及膜表面适合与催化剂结合等性能。

目前，质子交换膜燃料电池中大量采用的是Nafion膜。Nafion膜电解质早已应用于氯碱工业中的盐水电解，由于它在腐蚀性环境下的使用寿命长达50000h，故备受人们关注。多年以来，PEMFC的开发工作所取得的许多重要进展与Nafion膜的使用密切相关。Nafion 是一种过氟磺酸聚合物，具有氟化共聚物骨架，磺酸基团与其化学连结，并有固定位置，质

子则联结自由，可起导电作用。当前市场上质子交换膜的价格还相当昂贵，美国杜邦公司生产的全氟磺酸型膜(Nafion)的价格是800美元/m2。

巴拉德(Ballard)公司已开发出一种不完全氟化的膜材料，可能适用于汽车。这种膜初期的工作性能至少与MarkV型单体电池中的Dow膜和Nafion112膜相当，而且已证明这种巴拉德膜的性能可满足汽车应用的要求，工作时间达4500h以上。由于这种膜的加工费用较低，而且生产部分氟化的聚合物产量更高，如果需求量大，膜的成本可降至50美元/m2。

Nafion膜电解质有很好的燃料电池性能和使用寿命，但由于其制备工艺非常复杂，价格也很昂贵。而正在研制的部分氟化磺酸膜由于具有合理的价格和良好的化学、热稳定性等优点使其具有良好的应用前景，但其最主要的缺点是在脱水后容易变脆。

3.双极板

双极板是燃料电池堆的主要部件，其作用是分隔反应气体、收集电流、将各个单体电池串联起来和通过流场为反应气进入电极及水的排出提供通道。通常PEMFC双极板的材料是石墨、石墨与聚合物复合或金属。

目前应用最广泛的双极板是机加石墨板，由于纯石墨板硬度大且脆，需要精密的机械加工，因而造价较高，约占燃料电池堆成本的60%左右，石墨双极板技术已相当成熟，但很难降低其材料成本和加工成本。因此寻求一种价格低廉、导电性好、易加工的双极板材料是降低双极板成本和使其商品化的关键所在。

金属材料具有良好的导电性、机械强度高、阻气性好、容易加工以及易于批量生产，而且厚度可以大大降低，能大幅度提高燃料电池堆的体积功率密度等优点，是双极板材料的候选材料之一。但是通常的金属板(如不锈钢、铝合金和钛板等)在PEMFC的工作环境中被腐蚀(包括阴极氧化膜加厚、阳极腐蚀等)，结果导致接触电阻增大、电极催化剂和膜受到污染，燃料电池性能降低。因此，在采用金属为PEMFC的双极板材料时，必须对金属的表面进行改性。

双极板的加工，现在采用最广泛的双极板是石墨双极板，采用的加工方法是精密的机械加工，加工费用相当高(每块500cm2双极板加工费大于100美元)，占双极板费用的80%以上，占燃料电池堆成本的40%~60%。而且加工时间比较长，不容易大批量生产。因此需要寻求一种加工方法简单，操作成本低，容易批量生产的双极板加工方法，降低燃料电池成本。

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