质子交换膜燃料室电池与无污染汽车

　　第1苏州城建环保学院学报质子交换膜燃料室电池与无污染汽车齐兵1马王剑2 1.江苏省铜山县环保局，江苏铜山县2002.苏州城建环保学院环保系，苏州展历史。研究现状和应用前景，对于电池电堆。质子交换膜。催化剂等关键技术的国际发展情况进行了介绍，提出我国的燃料室电池汽车的研究与应用的建议和看法。

　　随着工业点源的治理和汽车拥有量的飞速发展，汽车尾气已成为大都市最主要的空气污染源。现在我国的汽车动力主要为内燃机，绝大多数汽车的燃料是汽油和柴油，也有很少数的汽车采用汽油和石油裂解气双燃料。内燃机使燃料和空气在高温下进行反应燃烧，在燃烧过程中会产生污染物随尾气排放到空气中，主要污染物有H、O.Na和SO等。为了降低污染，汽车制造商方面努力提高燃料利用率，现在开发出3升汽车，即10011仅用3升巧油；另方面净化排放的尾气，使肪和等变成〔2和比化燃料室电池化抽061是种电化学发电装置，它能把燃料的化学能直接转变成电能，用电能驱动各种机械。因此，与燃烧型的能量转换装置相比，有效率高和无污染的特性。

　　自从1汾9年既发明来，人们直在努力开发实用的民〔电源。12巧后，人类研制出第台实用的氨氧既，被用在美国人弓的航空器上。在这个成功的基础上，抖后的兰十年中，发达国家特别是美日，投入了大量的人力和物力来研制适合地面应用的既动力源。最近1年来，技术上的成熟，成本的下降，使人们对它发生了根本的改变。

　　洗的高效率和无污染的特性，使人们看到了其在无污染巧车方面应用的前景。其技究置窒巧研制和生产生亩公司名称和国家电产鹇术生中试电堆规模膜电开发和itsuU山旧本巧11本雌，眼：1美国冷德国片011，美国3叫美国巧山如禀国6加3瑞口拿大防1口意大利￡化巧73贴了国与人合作术上的可行性在撕年前被证助但是由于当时扔发电性能差，造价太高而不被人们看好。只是在近1年化由于材料学和加工工艺学的发屁人们才真正认识到防用于汽车上的现实性。特别是近些年，由于世界人口的膨胀，地球气候的变暖，城市空气质量恶化的加重，各国政府，特别是美国、日本和欧洲等发达国家迫切需要种全新的无污染的动力。经过大量的资金投入、技术开发和实用样车的道路试验，既为动力的汽车取代科内燃机和电瓶为动力的汽车成为现实，它被人们选择为未来理想的、无污染的运输、交通工具。

　　F有许多棘质子交换膜F是其中的种，被简称为PE―F.由于PE―F操作温度低撕°~90°、电流密度高、发电效率高、造价低、能用空气为氧源，被世界各大汽车制造商首选为汽车用的F.现在世界上所进行的F汽车项目，都是证F为基础的。

　　口删扔：的工作原理很简单氨气和氧气或者空气经过膜电极的两侧膜电极是由高分子腺催化剂和多孔导电支撑体姐成，氨气在负极的催化剂上变成氨质子和电子，质子通过电介质高分子膜移动到正极上与氧反应生成水，剩下的电子积累在负极，形成电压通过负载产生电流，只要不断地提供氧气和氨气，燃料电池就会不停地发电〔发动机由阳电堆、燃料转化器、空气压缩装置、电流控制器及电动机等组成。

　　际上从事F研究和生产的组织在撕年代未西方发达国家为了抢占高新技术的制高点，投入了大量的资金。些高科技开发公司、国家研究院、大学等相继开展了阳的研究项目，关键技术逐个被攻破。其最主要的标志是高性能、低成本、长寿命盼膜电极集合体。称EA的开发成功，使得些P研究开发公司能制造出高性能、低价格的护缍选4庸0年代巧开始，些公司努力把口邸1_扔：技术作为动力源用于民用的运载工具中汽车、火车等。今天这人们所追求的目标将要实现，种无污染、低噪音。高效率的室汽车，在芝加哥等城市有样车在行驶。表1列出了世界上主要PE研制开发公司及其进行的研究领域。

　　表lPE―F研究开发机构及研究内容开和山燃料室电池汽车的关键技术电堆技术优的电堆是无污染汽车的动力源向电堆输入氨气或其他还原性气体，电堆产出电能。电堆制作水平的高低是F方面成就的主要标志，也是衡量能不能实用于汽车的指标。

　　在过去的lO中，在PE―F研究领域里，拉德化al山d被世界公认为领先者。无论从技术力量、生产能力。资金的投入和技术先进性都是最多的。1997年拉德与奔驰汽车和福特汽车的联合，更增强了拉德的人。财两方面的实力，使其在降低产品的成本、技术的发展、电堆生产的产业化、零部件和原材料的工业生产更添了优势。拉德制备了纸多个样机电堆，提供给全球的十几个用户，拉德的F电堆功率密度已超过lW/3.处于目前世界领先地位。拉德的。700号电堆是与奔驰汽车公司起研制的，现用在奔驰的第=代F汽车NeaI3上；拉德盼800号现用在通用汽车公司的F项目中；与hI.yleI.汽车公司合作，800号电堆正在改良成用汽油为燃料的电堆。拉德正加紧研制汽车专用的9口，号电堆，其具有75kW的功率，预计在2004年能大规模生产。

　　同时，美国的联合信号公司A化edSignd、德诺拉Deno、能源伙伴公司化lgyPart nere通用汽车GeIalotore本田Honda、高能公司化Power、国际燃料室电池虹tealF化lel王菱电器tsubisHEletri、插座动力公司PluPo阳r都在F电堆技术方面投入了大量的人力和物丸取得了许多进展，表2给出主要组织在此方面达到技术水主要组织电堆的性能公司名称电极操作条件发电特性压力电压电流密度使用寿命拉德聪合信号德诺拉能源伙伴通用汽车本田高能公司国际燃料室电池菱电器插座动力西子丰田材料技术F技术发展是建立在材料技术的基础上的，反过来，F的需要又促进了有关材料的发展。

　　质子交换膜根据扔：的工作原理，质子交换膜是电堆的关键组件，膜的导质子性、化学稳定性、均匀性、气孔率都影响着电堆的性能。从事质子交换膜技术研究和产品开发的组织很多，主要集中在发达国家。

　　旭化成工业8血迅6011过是日本主要化王产品的生产商，是世界上生产全化高分子膜的主要企业，也是生产电解用高分子膜的主要厂商。旭化成现在得到日本新能源技术开发局曲￡00的资助，来进行高性能质子交换膜的研制。他们现已研制出种全化的杜邦Dupont生产的Nafion膜，广泛地被用在氯碱王业和其它电化学工业中作为离子子膜。Nafion膜现广泛地用在PE―F中。由于Nafion具有导质子性高、化学稳定、均匀。气孔率低等许多特性，特别适合于PE―F.除了杜邦外，世界上只有日本的旭化成和旭玻璃公司具有工业级规模的生产类似的全化高分子树脂的能力。

　　局尔016人抽粉在化高分子材料和膜审略技术上有很强的实丸1994年5他们建立了支技术队伍来研制质子交换膜。这支科研队伍很快就研究开发出品名为。高尔选择化0861=0的质子交换膜。这种膜抖出0树脂为基体，用四纤维经微观加强而成。这种膜可制得非常薄，但很牢固。因化当用在口￡1中化就显示出它的优越性。1998，高尔建成了个年产数十万平方米的高尔膜生产厂。高尔同时在组建个能连续生产膜电极集合体的生产厂。希望在1998底能提供这种产品，他们的目标是成为世界上最大的膜电极集合体nba直播吧极速体育jrs_jrs直播王_极速体育NBA直播商。

　　霍查斯特此611山是世界上最大的化学和高分子产品的生产商，具有很强科研开发能力。它的科研中屯、早就从事质子交换膜的研巧开发，因为他们相信距F汽车将会是主要的市场。霍查斯特的科技人员认为全化高分子树脂不适合于汽车用口￡1民因为这种膜的稳定性大大超过汽车所需的要求，而且太贵。他们现已研制出种用碳氨化合物制成的质子交换腺成本只有Nafion的十分之。这种膜制成的膜电极集合体在实验室测试过，其稳定性可达到5000小时。霍查斯特建成中试生产线，产品提供给欧洲的主要PEF研制机构试用。霍查斯特认为，使用碳aL化合物膜要比化膜安全，因为在高温时化膜会释放出有毒的化合物。

　　催化剂是氨氧在电堆中能低温燃烧的关键，研巧主要在降低贵金属负载量上和催化剂稳定性等方面主要是耐上展开。

　　约翰逊马色时sonatthey是世界上最大的贵金属和贵金属催化剂的生产和nba直播吧极速体育jrs_jrs直播王_极速体育NBA直播商。该公司在31―洗的发展中作出了很大的贡献。他们对，四1巧：的催化剂、膜电极集合体的研制有个长期的计划。为了实行这个计划，现在世界上的许多PE―F研究机构都采用约翰逊马色研制的催化剂。在实验室中，他们正在研制巧和钻合金催化剂，抖达到更好的电极结构和更高的电化学活性。他们希望功率密度能达到lW/2当催化剂的负载量是0.3518/时。这就相当于催化剂的成本是4~5版/1￥。如果这目标能够实现，再加上膜的成本在30~洗巧/化2时，那么膜电极集合体在大规模自动化生产的成本可降至15版/心下。约翰逊马色深信他们的目标很快就会实现。而且他们的能力能满足那时化：汽车和电站的需求。

　　3公司尽管在PBV[―F上的研究起步较晚l995年开始，但是由于采用了特有的催化剂支撑材料，他们成功地研制出种制备膜电极集合体的技术。采用这种技术，并用施五的腺制成的膜电极集合体具有很好的发电特性。55~化皮节17，能耐受100口口抖上的。现在，他们制备的膜电极集合体经受过300个电堆测试，测试时间超过撕的、时，没有发现任何衰退现象。另外，他们成功地把这项技术产业化，开发出连续生产膜电极集合体的生产方法。

　　气体导流板的材料也是降低电堆费用的关键因素，联合信号公司采用了独特的金属六角形的气体导流板而能源伙伴公司制造低价位的碳材料气体导流板。高能公司拥有最领先的金属气体导流板制备技术，这种金属板是由多层金属簿片经特殊方法粘合而成，然后运用光学加王技术制备出很精密的气流槽。采用他们的技术能生产出很精密，非常薄而价格低的气体导流板，也适于规模化生产，该气体导流板最适合汽车用口￡1电堆。

　　电堆和气体导流板技术的发展大大降低了PE―F的费用，使人们看到实际使用该技术的前景。膜电极的压制、催化剂的印刷、堆的集合制作等，各组织都有自的特色，并且都绝对保密。

　　最近几年膜电极集合体制作技术、电堆设计技术的发展加上成功地采用薄型的新型气体导流板、新的气槽设计、生成水和热的移出技术。膜的湿化技术，使得口邸1燃料电池电堆的发电特性越来越好，电堆的功率密度显着地提高。现在拉德公司的电堆功率密度达至化5胃/13，个73_的电堆只有50，这是个惊人的成绩。现在能制造电堆的公司有数十家，主要分布在北美、欧洲、日本。其中大多数是制造小型电酱有些能制造30~ 50kW的电堆，另外几个具有制备大功率电堆的能力。拉德经有能力批量生产5化W电堆的能力，在奔驰福特拉德的联合协作下，项庞大的将耗资几十亿美元的工程正在进行，计划中将设计和组装条生产75kW电堆的流水线，其中包括各个部件生产的流水线，如催化剂的印刷和膜电极集合体的制备。他们计划在2004能具有规模生产。那时的年产量是4万台，计划到20年能达到年产10万台。计划在2004年时电堆价格降到35版/ 1，而到200碑降到20版/1.

　　按照权威人±的估计，口￡1燃料电池电站的商业化将在2000年左右实现，而口￡1燃料汽车的商业化将在2004~200的。个清洁能源的时代抖燃料电池为代表的氨能源时经向我们走来它将为人类带来更美好的生活条件和自然环擦