2011年国外燃料电池技术研发动态

本刊 刘春娜

燃料电池是具有无污染、高效率、适用广及无噪声特点的能量转换装置，国外发达国家在燃料电池研究开发方面取得了一定进展。

日本

日本经济产业省前几年就对燃料电池汽车开发与推广制定了时间表，其战略目标是2020年达到50万辆；到2030年，要全面普及燃料电池汽车。近期，日本又计划在5年内斥资2090亿日元开发以天然气为原料的液体合成燃料技术、车用电池，以及氢燃料电池科技。

图1 日本燃料电池车（FCV）的普及规划

日本政府正与能源公司共同合作，加速推进在四大城市圈(东京、大阪、名古屋和福冈)的氢气基础设施建设。丰田、日产、本田等著名汽车企业及吉坤日矿日石能源、岩谷产业等13家公司2011年初发表了“关于国内采用燃料电池车及完善氢气供给基础设施的共同声明”，将于2015年以四大城市圈为中心开始燃料电池车的销售，为此将新建约100个加氢站。日本经济产业省也发布了相关声明，表示“此次共同声明与国家能源规划相符，为了予以实现，将推动必要措施全力支持”。日本政府还于2011年1月15日启用了“北九州氢气城”，将新日本制铁公司生产的氢气通过北九州氢气站，供应给周边7个燃料电池热电系统。

日本九州大学研究人员在2011年9月的德国《应用化学》周刊网络版上发表论文说，他们开发出了利用镍和钌作催化剂的新型燃料电池，这一发现将有助于降低燃料电池的成本，从而推动燃料电池车的普及。目前各种试制的燃料电池车，大多使用昂贵的铂作为从氢中提取电子的催化剂，而九州大学新开发的燃料电池，使用价格不到铂0.5‰的镍充当催化剂的主要原料，所以有望大幅降低成本。九州大学研究小组研制出的这种新型燃料电池即使在高温环境下也能稳定运转。不过，由于降低新催化剂电阻的技术尚未取得明显进展，现在这种新电池的发电量还只停留在使用铂催化剂时的4%左右。

日产公司展示了用于燃料电池电动车的新一代燃料电池组(2011款)。展示台上，新旧两款电池组摆放在一起，旧款大如拖箱，新款要小许多，大小和普通台式电脑机箱差不多。据介绍，2011款燃料电池组的能量密度与2005款相比，增加了2.5倍，达到2.5 kW/L。通过把膜电极的支撑框架与电极本身相整合，电池组可以单排排列，从而使电池组的整体体积缩小一半以上。另外，铂金用量以及零件差异仅为2005款的四分之一，从而使电池组的成本降至以前的六分之一。新一代燃料电池组的产生，将推进日产在燃料电池车上的开发。据介绍，日产将融合聆风中的电动汽车技术计划开发更具实用性的燃料电池车。

韩国

图2 韩国燃料电池汽车路线图

韩国仁济大学的科学家从韩国科技部以及韩国国家研究基金会获得了资助。他们已经开发出一个系统，有效克服了燃料电池全面发展过程中的一个瓶颈：水溢出问题，能够将燃料电池的效率提高20%以上。他们说：“通过创造一个用来过滤水的特殊‘通道’和膜，新的系统可以防止对燃料电池所进行的化学反应的干扰”。试验表明，新的系统能使发电效率提高23%。效率强度的提高说明较少的燃料可以转化为更高的输出功率。仁济大学的研究小组表示，如果新的系统完全开发出来，它可以给几乎完全依赖能源进口的韩国开辟出新的天地，它还能大大减少韩国的二氧化碳排放。

据韩国原子力研究院(KAERI)和韩国能源技术研究院(KIER)联合报道，经双方共同研究，成功开发出可提高燃料电池能效的新材料。此次研制成果有两种：一种为可使固体氧化物燃料电池(SOFC)在低温状态下运作的“碳素薄膜银纳米粉末催化剂”；另一种为不仅可大幅缩小甲醇燃料电池(DMFC)体积，而且还能提高能效的“放射线照射高分子燃料电子膜”。据介绍，碳素薄膜银纳米粉末可取代用稀贵金属制成的催化剂，使SOFC能在650℃的高温下达到最大功效；放射线照射高分子燃料电子具有过滤甲醇并只许氢离子透过的特性，可制作小体积高能效DMFC电池。

美国

在燃料电池早期的发展过程中，美国政府通过赞助军事和空间技术机构的研发，促进燃料电池技术的发展。随着燃料电池商业化的趋势，美国国家创新政策考虑到成本和可靠性，转向对公共领域和私营领域的研发资金进行杠杆调控，以确保燃料电池技术的市场竞争力。美国电讯巨头AT&T将斥资约5000万美元，与Bloom Energy合作进行一个7.5 MW的供电项目。他们在加利福尼亚州安装燃料电池，可获联邦政府提供30%的税项宽减，以及每kW 2500美元的津贴。一组3 kW的燃料电池能为一个普通家庭供电；一间星巴克店铺则需要大约200 kW；一组400～500 kW的燃料电池能为一家沃尔玛店铺，或网络巨擘Google的矽谷总部供电。Bloom Energy的100 kW燃料电池系统名为Bloom Energy Server，它是一种高温燃料电池，但以价格较低的陶瓷物料制造，据称成本在70～100万美元。鉴于政府提供奖励，估计不足5年便可回本。

美国其他大型企业如Adobe、eBay及联邦快递亦推出燃料电池项目，而作为竞争对手的生产商如ClearEdge Power、FuelCell Energy、联合技术动力公司(UTC Power)等也争相在这个领域占一席之地。美国研究公司Pike Research表示，到2020年，将有超过5000个氢燃料补给站运作，而氢燃料电池也可能应用于轻型商用车辆，例如叉式起重车和巴士。戴姆勒等汽车厂家也计划在未来10年内推出以氢燃料驱动的车辆。在多雨的俄勒冈州，ClearEdge Power推出适用于大型住宅和小商店的5 kW燃料电池，有机会取代需要大量阳光来发电的太阳能板。

据 Fuelcellsworks报道：ReliOn公司的E-2500燃料电池系统入围美国无线通信展新兴技术奖。据悉，E-2500燃料电池是ReliOn公司E系列燃料电池的第三代产品。一个E-2500燃料电池系统可以产生2500 W的电能，而体积仅为ReliOn公司2000 W的燃料电池系统T-2000的60%。这个新产品的开发使用了新的专利——ReliOn在高密度电源模块下经过试验考证的燃料电池容错系统。该产品是一个设计简单的靠空气冷却的燃料电池系统。所有的ReliOn燃料电池产品排放物只有温暖的空气和少量的水。E-2500系统符合最严格的空气质量标准，比如由加州空气资源局制定的标准。作为后备电源的解决方案，E-2500燃料电池系统可以连续24 h为仪器提供总计10 kW的电能，也可以达到更高的功率配置。

美国专利和商标局近期公布了两款来自苹果的新专利，这些专利描述了苹果如何将电源制作得更轻、更小并适用于便携式设备。第一款专利名为“并行燃料栈架构”，该专利描述了苹果如何将一套燃料电池安放在电池燃料堆栈之中，第二款专利的名为“轻量型燃料电池板”，该专利描述了如何使用轻量级导电性和耐腐蚀性材料建造燃料电池，这些电池通过将氢气或者含氢化合物的物质转换成电流以提供电源。燃料电池包含阴极、阳极和它们之间的电解质。在燃料电池中，在催化剂的阳极氧化燃料，产生带正电的离子和电子。燃料电池通常会产生0.5 V和0.7 V的低电压，需要多个燃料电池结合起来才能创建燃料电池堆栈。但是，这些堆栈通常都有一些问题。苹果的解决方案是构建多个并联的燃料细胞并与电源总线连接。这样，堆栈的可靠性将增加，而燃料电池的功率器件也可能具有较高的工作电压。

荷兰

荷兰代尔夫特理工大学和阿姆斯特丹自由大学的研究人员证明，使用金属纳米粒子储氢可以加快氢燃料电池的充气速度。金属合金纳米粒子的大小能够改变储存在金属氢化物中的氢气的释放速度。纳米粒子越小，氢气进入燃料电池的速度就越快。研究人员在科学期刊《先进能源材料》上发表了他们的研究成果。2011年9月27日，荷兰环境大臣宣布，将特别拨款500万欧元用于推动氢动力交通工具在荷兰的发展。目前，氢气需要以较大的气压储存在汽车油箱中。因此，充气站需要使用高压泵给汽车油箱充气，而高压泵会消耗大量能源，所以人们需要寻找新的储氢技术。镁等金属无需高压就能吸收高密度的氢，但它的劣势在于很难再次释放出氢，而且释放过程十分缓慢。加快氢释放的一种方法是使用吸附在基质上以消除粒子团聚现象的镁纳米粒子。研究人员通过试验证明，纳米粒子与基质之间的相互作用能够加快氢气的释放速度。他们利用镁箔和钛箔制作的模型证明如何释放出氢气压。这意味着人们能够使用吸附在基质上的纳米粒子来储存氢。基质材料的选择将决定需要使用多大的氢解吸压力。经济有效的储氢技术将对氢燃料电池的广泛应用起到重要作用。专家认为未来的混合动力汽车将在短途行驶时使用电池，而在长途行驶时使用氢气。

德国

2011年7月，德国汽车制造商戴姆勒公司宣布，计划在德国高速公路沿线修建20个新的氢充气站。戴姆勒集团总裁Dieter Zetsche还在一个题为“下一个125年”的座谈会上表示，其将在未来使用的汽车技术的核心就是燃料电池，这种电池将使用氢。氢在这项技术中所扮演的角色就类似于目前在经济中发挥重要作用的石油，为此戴姆勒将推出新型的研发试验车。代号为“F125”的超级汽车完全无排放，能够承载4人并且可以行驶1千公里。戴姆勒已经在6月份宣布，2014年燃料电池将会被使用到B级车的系列产品中去。这项技术主要是将氢转化为电能，从而驱动电动汽车。Zetsche称，使用氢的燃料电池只要3分钟就可以充满电，而锂离子电池充电时间则要长得多。除此之外燃料电池驱动的B级车续航可以达400公里，而其他电动车的续航距离则少得多。但是Zetsche也强调了锂离子电池和燃料电池可以应用在不同领域和满足不同需求。他举例称，在轨道交通领域不只使用一项技术。虽然戴姆勒公司推动着电池技术革新。但是直至2012年戴姆勒才会在市场上推出其第一款电动车Smart。目前为止戴姆勒只在其汽车共享系统中使用了该技术。除此之外，戴姆勒还同博世组建了一家合资工厂生产电池。Zetsche表示，燃料电池前景一片大好。他估计，燃料电池汽车的中期价格将接近混合动力车的价格。

英国

据《每日电讯报》报道，世界上第一个新型空气燃料电池在英国揭开神秘面纱，这种电池的储电能力是传统电池的10倍。科学家表示，如今，革命性“STAIR”(即“圣安德鲁斯空气”的英文首字母缩写)燃料电池为新一代的电动汽车、笔记本电脑和手机的推广使用铺平了道路。新型电池使用传统方式充电，不过，在充电或“放电”时，电池里一个网孔状敞开部分会吸入周围空气中的氧气。吸入的氧气与电池里的多孔状碳质元件发生反应，产生更多的能量，这样一来，在电池放电过程中，可以帮助不断给电池“充电”。“STAIR”电池利用多孔碳和从空气中吸收的氧气替代传统的化学构成——锂钴氧化物，所以，质量比当前使用的电池更轻。另外，在使用新型电池时，空气的流动还有助于给电池再次充电，它具有比相同大小电池更大的储电能力，而释放能量的持续时间又是它们的10倍。专家表示：“‘STAIR’电池的益处是体积小、质量轻，所以运输起来更为方便”。