燃料电池：改进燃料实现低价安全 新能源车助交通低碳

添加时间：2014-04-18 10:30:25 来源：日经技术在线

     “我们希望推出具有以轻型汽车为主力产品的大发特色的燃料电池车”，大发工业开发部行政技术专家田中裕久这样说道。2013年11月，该公司在东京车展上公开了配备燃料电池的试制车。特点是“不使用贵金属”——其白金用量为零。

　　转换思路，不使用白金

　　燃料电池利用氢和氧的化学反应发电，不排放二氧化碳。为实现未来的低碳社会，燃料电池作为汽车的动力，以及为家庭和办公室供电的分散型电源而备受期待。

　　　要普及需要进一步削减成本。燃料电池车2015年将开始市售。大约10年前，一辆燃料电池车的价格高达1亿日元，而现在，为了将价格降到1000万日元以下，各厂商纷纷展开了技术竞争。

　　燃料电池成本居高不下的最主要原因在于主要零部件使用的稀有金属。车用“固体高分子型燃料电池（PEFC）”每辆要使用30g白金。

　　而大发的燃料电池完全不使用白金。为方便读者理解实现这一点的理由，首先来介绍一下氢燃料电池的构造。

　　氢燃料电池负责发电的部件称为“电池组”：排列着数百片用金属板制造的“单元”。

　　单元有“空气极”和“燃料极”两个电极，二者中间夹着“电解质膜”。当氢接触到燃料极涂布的白金催化剂时，电子会分离出去而成为氢离子。氢离子被挤压穿过只允许离子通过的电解质膜向空气极移动。而电子无法穿过膜，所以会通过电线送到空气极。空气极上的氧会与送来的氢离子和电子发生反应生成水。用电线传送电子时会产生电流，从而将这种能量取出来。

　　田中就以往的燃料电池催化剂使用白金的理由解释说，“电解质膜采用的是强酸性材料。在酸性环境下耐腐蚀的材料就是贵金属。其中白金在切断氢离子与电子的结合键方面效率尤其高”。

　　大发的思路在这一点上有了巨大的改变。首先，将电解质膜换成了碱性材料，碱性不容易腐蚀金属。还放弃了使用氢，而选中了氢与氮的化合物“水合肼”。燃料极的催化剂采用镍，空气极采用铁。田中介绍说，“采用新燃料与低价催化剂的组合，能比白金更加高效率地切断离子与电子的结合键”。 
      目标是在现有的基础设施流通

　　水合肼还有其他优点，就是可利用现有的流通基础设施。水合肼在常温下为液体，高浓度时在日本为《消防法》规定的“第4类危险品”中的“第3石油类”。与第1石油类的汽油及第2石油类的煤油和柴油相比，易燃性要低。实际上，水合肼作为燃料电池车的燃料使用时，浓度较低，安全性也高。但是需要政府允许并放宽规定。田中看中的是，“水合肼为液体，因此可利用现有的加油站设备和技术经验。采用起来方便”。

　　如果是以往的燃料电池，氢流通基础设施的建设就成了瓶颈。由于是首次作为商用燃料在日本全面流通，因此几乎全部设备都需要新投资。且因氢的易燃性高，还需要切实确保安全性。

　　而水合肼，包括相关法规的制定等在内，如果能实现流通，可降低基础设施投资成本。

　　以氢为燃料时，还需要使用高压压缩以及安全运输氢的燃料罐。要想在确保强度的同时减轻重量，需大量采用高价的碳纤维，在燃料电池车整体成本中所占的比例也很高。而水合肼使用塑料容器即可。

　　使用水合肼还能提高发电性能。因为与以往的燃料电池相比，热损失较少。水合肼把能量转换成电气的“理论电动势率”为氢的约1.3倍。如果能高效发电，单元数量可较以往的燃料电池减少3成。

　　但田中也坦言道，“目前还未能充分提高发电效率”。作为解决对策之一，田中举出了“调整电解质膜的材料，使之仅能高效通过水氧化产生的离子”的方法。在燃料电池中，空气极和燃料极之间会产生“电位”差，电子会因此而移动，产生电流。但现在有燃料会从膜中渗出的现象，导致电位差缩小，是未能充分发挥发电效率的原因。

　　此外还将改善催化剂等，解决存在的课题，“希望产品化时间不会晚于2015年开始上市产品的其他公司”，田中跃跃欲试。

　　可装在手提包中提走

　　像片状口香糖那样加工成薄片型的燃料也已经面世。罗姆开发出了可放在手掌上的燃料电池。该燃料电池是与开发小型燃料电池的Aquafairy（京都市）和京都大学教授平尾一之共同开发的。

　　罗姆的便携式燃料电池（1）。内置电池组（2）和燃料补给机（3右图）。从包装中取出像片状口香糖一样的氢化钙燃料（3左图），装上使用

　　罗姆完全可以用来为智能手机充电的PEFC，仅重约90g。利用基于塑料的成型技术，对电极和电解质膜等进行了一体化组装。未使用容积大且重的陶瓷零部件以及金属螺栓和螺母类。

　　这种电池的燃料其实是“氢化钙”。因遇水后会产生氢，因此命名为“固体氢源”。制成薄板型时，重量约为5g。滴下5～6cc的水会产生4.5～5L的氢。

　　安装上装有氢化钙燃料的气瓶使用。输出功率为200W。除了室外用途外，罗姆还打算将其用作应急电源和野外调查用电源等

　　罗姆研究开发本部副本部长神泽公介绍说，“这一产品使女性也能将原来易燃，且有爆炸可能的氢，放入包中携带”。还能为便携卡式炉用气瓶那样的容器充氢。 
      罗姆输出功率提高到200W型的产品也在开发之中。并将开拓使用柴油等的小型柴油发电机的替代用途。安装上充满固体氢源的气瓶，一按按钮就能启动。该公司还打算以这种便利性为卖点。

　　该燃料电池无需使用耐高压的燃料罐。只要采用不会接触水和湿气的包装，预计品质可保证20年。在大量使用氢的情况下，固体氢源与向耐压气瓶中充氢时相比，重量在七分之一以下，体积不到三分之一。

　　高输出型燃料电池的开发是NEDO（新能源产业技术综合开发机构）实证业务的一环。如果商品化和量产取得进展，还能降低系统价格。因燃料容易储藏和运输，建设运输基础设施的成本也会降低。

　　除了露营等野外用途，这种电池还有望作为发生灾害时的电源等使用。神泽副本部长表示，“在东日本大地震中，很多地区都停电了。我们在灾区反复进行了访问调查，希望该产品能满足医疗机构和避难所的需求”。虽然很多医院和公共设施都有自己的发电机，但液体化石燃料储存5年左右就会劣化。有些情况应该更适合使用能长时间保证品质的固体氢源。

　　运用需制定法规和标准

　　氢化钙的利用也需要政府的允许并放宽规定。为确保安全性、品质和可靠性，还需要实现标准化等。罗姆为制定标准，也参加了IEC（国际电工委员会）的讨论。

　　在NEDO于2010年汇总的燃料电池开发蓝图中，除了开始销售燃料电池车外，还将2015年定位为家庭和办公室用定置型燃料电池的全面普及年。除此之外，还在开发用氨等代替氢的技术。

　　要想在全球广泛利用能降低环境负荷的燃料电池，尚需建立可利用多种燃料的体制。