2011年國外燃料電池技術研發動態

本刊 劉春娜

燃料電池是具有無污染、高效率、適用廣及無噪聲特點的能量轉換裝置，國外發達國家在燃料電池研究開發方面取得了一定進展。

日本

日本經濟產業省前幾年就對燃料電池汽車開發與推廣制定了時間表，其戰略目標是2020年達到50萬輛；到2030年，要全面普及燃料電池汽車。近期，日本又計劃在5年內斥資2090億日元開發以天然氣為原料的液體合成燃料技術、車用電池，以及氫燃料電池科技。

圖1 日本燃料電池車（FCV）的普及規劃

日本政府正與能源公司共同合作，加速推進在四大城市圈(東京、大阪、名古屋和福岡)的氫氣基礎設施建設。豐田、日產、本田等著名汽車企業及吉坤日礦日石能源、巖谷產業等13家公司2011年初發表了“關于國內采用燃料電池車及完善氫氣供給基礎設施的共同聲明”，將于2015年以四大城市圈為中心開始燃料電池車的銷售，為此將新建約100個加氫站。日本經濟產業省也發布了相關聲明，表示“此次共同聲明與國家能源規劃相符，為了予以實現，將推動必要措施全力支持”。日本政府還于2011年1月15日啟用了“北九州氫氣城”，將新日本制鐵公司生產的氫氣通過北九州氫氣站，供應給周邊7個燃料電池熱電系統。

日本九州大學研究人員在2011年9月的德國《應用化學》周刊網絡版上發表論文說，他們開發出了利用鎳和釕作催化劑的新型燃料電池，這一發現將有助于降低燃料電池的成本，從而推動燃料電池車的普及。目前各種試制的燃料電池車，大多使用昂貴的鉑作為從氫中提取電子的催化劑，而九州大學新開發的燃料電池，使用價格不到鉑0.5‰的鎳充當催化劑的主要原料，所以有望大幅降低成本。九州大學研究小組研制出的這種新型燃料電池即使在高溫環境下也能穩定運轉。不過，由于降低新催化劑電阻的技術尚未取得明顯進展，現在這種新電池的發電量還只停留在使用鉑催化劑時的4%左右。

日產公司展示了用于燃料電池電動車的新一代燃料電池組(2011款)。展示臺上，新舊兩款電池組擺放在一起，舊款大如拖箱，新款要小許多，大小和普通臺式電腦機箱差不多。據介紹，2011款燃料電池組的能量密度與2005款相比，增加了2.5倍，達到2.5 kW/L。通過把膜電極的支撐框架與電極本身相整合，電池組可以單排排列，從而使電池組的整體體積縮小一半以上。另外，鉑金用量以及零件差異僅為2005款的四分之一，從而使電池組的成本降至以前的六分之一。新一代燃料電池組的產生，將推進日產在燃料電池車上的開發。據介紹，日產將融合聆風中的電動汽車技術計劃開發更具實用性的燃料電池車。

韓國

圖2 韓國燃料電池汽車路線圖

韓國仁濟大學的科學家從韓國科技部以及韓國國家研究基金會獲得了資助。他們已經開發出一個系統，有效克服了燃料電池全面發展過程中的一個瓶頸：水溢出問題，能夠將燃料電池的效率提高20%以上。他們說：“通過創造一個用來過濾水的特殊‘通道’和膜，新的系統可以防止對燃料電池所進行的化學反應的干擾”。試驗表明，新的系統能使發電效率提高23%。效率強度的提高說明較少的燃料可以轉化為更高的輸出功率。仁濟大學的研究小組表示，如果新的系統完全開發出來，它可以給幾乎完全依賴能源進口的韓國開辟出新的天地，它還能大大減少韓國的二氧化碳排放。

據韓國原子力研究院(KAERI)和韓國能源技術研究院(KIER)聯合報道，經雙方共同研究，成功開發出可提高燃料電池能效的新材料。此次研制成果有兩種：一種為可使固體氧化物燃料電池(SOFC)在低溫狀態下運作的“碳素薄膜銀納米粉末催化劑”；另一種為不僅可大幅縮小甲醇燃料電池(DMFC)體積，而且還能提高能效的“放射線照射高分子燃料電子膜”。據介紹，碳素薄膜銀納米粉末可取代用稀貴金屬制成的催化劑，使SOFC能在650℃的高溫下達到最大功效；放射線照射高分子燃料電子具有過濾甲醇并只許氫離子透過的特性，可制作小體積高能效DMFC電池。

美國

在燃料電池早期的發展過程中，美國政府通過贊助軍事和空間技術機構的研發，促進燃料電池技術的發展。隨著燃料電池商業化的趨勢，美國國家創新政策考慮到成本和可靠性，轉向對公共領域和私營領域的研發資金進行杠桿調控，以確保燃料電池技術的市場競爭力。美國電訊巨頭AT&T將斥資約5000萬美元，與Bloom Energy合作進行一個7.5 MW的供電項目。他們在加利福尼亞州安裝燃料電池，可獲聯邦政府提供30%的稅項寬減，以及每kW 2500美元的津貼。一組3 kW的燃料電池能為一個普通家庭供電；一間星巴克店鋪則需要大約200 kW；一組400～500 kW的燃料電池能為一家沃爾瑪店鋪，或網絡巨擘Google的矽谷總部供電。Bloom Energy的100 kW燃料電池系統名為Bloom Energy Server，它是一種高溫燃料電池，但以價格較低的陶瓷物料制造，據稱成本在70～100萬美元。鑒于政府提供獎勵，估計不足5年便可回本。

美國其他大型企業如Adobe、eBay及聯邦快遞亦推出燃料電池項目，而作為競爭對手的生產商如ClearEdge Power、FuelCell Energy、聯合技術動力公司(UTC Power)等也爭相在這個領域占一席之地。美國研究公司Pike Research表示，到2020年，將有超過5000個氫燃料補給站運作，而氫燃料電池也可能應用于輕型商用車輛，例如叉式起重車和巴士。戴姆勒等汽車廠家也計劃在未來10年內推出以氫燃料驅動的車輛。在多雨的俄勒岡州，ClearEdge Power推出適用于大型住宅和小商店的5 kW燃料電池，有機會取代需要大量陽光來發電的太陽能板。

據 Fuelcellsworks報道：ReliOn公司的E-2500燃料電池系統入圍美國無線通信展新興技術獎。據悉，E-2500燃料電池是ReliOn公司E系列燃料電池的第三代產品。一個E-2500燃料電池系統可以產生2500 W的電能，而體積僅為ReliOn公司2000 W的燃料電池系統T-2000的60%。這個新產品的開發使用了新的專利——ReliOn在高密度電源模塊下經過試驗考證的燃料電池容錯系統。該產品是一個設計簡單的靠空氣冷卻的燃料電池系統。所有的ReliOn燃料電池產品排放物只有溫暖的空氣和少量的水。E-2500系統符合最嚴格的空氣質量標準，比如由加州空氣資源局制定的標準。作為后備電源的解決方案，E-2500燃料電池系統可以連續24 h為儀器提供總計10 kW的電能，也可以達到更高的功率配置。

美國專利和商標局近期公布了兩款來自蘋果的新專利，這些專利描述了蘋果如何將電源制作得更輕、更小并適用于便攜式設備。第一款專利名為“并行燃料棧架構”，該專利描述了蘋果如何將一套燃料電池安放在電池燃料堆棧之中，第二款專利的名為“輕量型燃料電池板”，該專利描述了如何使用輕量級導電性和耐腐蝕性材料建造燃料電池，這些電池通過將氫氣或者含氫化合物的物質轉換成電流以提供電源。燃料電池包含陰極、陽極和它們之間的電解質。在燃料電池中，在催化劑的陽極氧化燃料，產生帶正電的離子和電子。燃料電池通常會產生0.5 V和0.7 V的低電壓，需要多個燃料電池結合起來才能創建燃料電池堆棧。但是，這些堆棧通常都有一些問題。蘋果的解決方案是構建多個并聯的燃料細胞并與電源總線連接。這樣，堆棧的可靠性將增加，而燃料電池的功率器件也可能具有較高的工作電壓。

荷蘭

荷蘭代爾夫特理工大學和阿姆斯特丹自由大學的研究人員證明，使用金屬納米粒子儲氫可以加快氫燃料電池的充氣速度。金屬合金納米粒子的大小能夠改變儲存在金屬氫化物中的氫氣的釋放速度。納米粒子越小，氫氣進入燃料電池的速度就越快。研究人員在科學期刊《先進能源材料》上發表了他們的研究成果。2011年9月27日，荷蘭環境大臣宣布，將特別撥款500萬歐元用于推動氫動力交通工具在荷蘭的發展。目前，氫氣需要以較大的氣壓儲存在汽車油箱中。因此，充氣站需要使用高壓泵給汽車油箱充氣，而高壓泵會消耗大量能源，所以人們需要尋找新的儲氫技術。鎂等金屬無需高壓就能吸收高密度的氫，但它的劣勢在于很難再次釋放出氫，而且釋放過程十分緩慢。加快氫釋放的一種方法是使用吸附在基質上以消除粒子團聚現象的鎂納米粒子。研究人員通過試驗證明，納米粒子與基質之間的相互作用能夠加快氫氣的釋放速度。他們利用鎂箔和鈦箔制作的模型證明如何釋放出氫氣壓。這意味著人們能夠使用吸附在基質上的納米粒子來儲存氫?；|材料的選擇將決定需要使用多大的氫解吸壓力。經濟有效的儲氫技術將對氫燃料電池的廣泛應用起到重要作用。專家認為未來的混合動力汽車將在短途行駛時使用電池，而在長途行駛時使用氫氣。

德國

2011年7月，德國汽車制造商戴姆勒公司宣布，計劃在德國高速公路沿線修建20個新的氫充氣站。戴姆勒集團總裁Dieter Zetsche還在一個題為“下一個125年”的座談會上表示，其將在未來使用的汽車技術的核心就是燃料電池，這種電池將使用氫。氫在這項技術中所扮演的角色就類似于目前在經濟中發揮重要作用的石油，為此戴姆勒將推出新型的研發試驗車。代號為“F125”的超級汽車完全無排放，能夠承載4人并且可以行駛1千公里。戴姆勒已經在6月份宣布，2014年燃料電池將會被使用到B級車的系列產品中去。這項技術主要是將氫轉化為電能，從而驅動電動汽車。Zetsche稱，使用氫的燃料電池只要3分鐘就可以充滿電，而鋰離子電池充電時間則要長得多。除此之外燃料電池驅動的B級車續航可以達400公里，而其他電動車的續航距離則少得多。但是Zetsche也強調了鋰離子電池和燃料電池可以應用在不同領域和滿足不同需求。他舉例稱，在軌道交通領域不只使用一項技術。雖然戴姆勒公司推動著電池技術革新。但是直至2012年戴姆勒才會在市場上推出其第一款電動車Smart。目前為止戴姆勒只在其汽車共享系統中使用了該技術。除此之外，戴姆勒還同博世組建了一家合資工廠生產電池。Zetsche表示，燃料電池前景一片大好。他估計，燃料電池汽車的中期價格將接近混合動力車的價格。

英國

據《每日電訊報》報道，世界上第一個新型空氣燃料電池在英國揭開神秘面紗，這種電池的儲電能力是傳統電池的10倍?？茖W家表示，如今，革命性“STAIR”(即“圣安德魯斯空氣”的英文首字母縮寫)燃料電池為新一代的電動汽車、筆記本電腦和手機的推廣使用鋪平了道路。新型電池使用傳統方式充電，不過，在充電或“放電”時，電池里一個網孔狀敞開部分會吸入周圍空氣中的氧氣。吸入的氧氣與電池里的多孔狀碳質元件發生反應，產生更多的能量，這樣一來，在電池放電過程中，可以幫助不斷給電池“充電”?！癝TAIR”電池利用多孔碳和從空氣中吸收的氧氣替代傳統的化學構成——鋰鈷氧化物，所以，質量比當前使用的電池更輕。另外，在使用新型電池時，空氣的流動還有助于給電池再次充電，它具有比相同大小電池更大的儲電能力，而釋放能量的持續時間又是它們的10倍。專家表示：“‘STAIR’電池的益處是體積小、質量輕，所以運輸起來更為方便”。