燃料电池技术发展及其成本

　　一燃料电池技术发展及其成本庞志成，胡玉舂，罗震宁（北京理工大学化工与材料学院，北京100081）解决人们目前所面对的能源缺乏问题。文章对燃料电池进行成本分析、预算，指出了实现燃料电池商业化存在的问题及相应的解决办法。同时，论述了ZAFC的成本及在交通运输中的应用，也对混合型交通工具的发展进行了分析，指出其在燃料电池发展过程中所起的作用和意义。

　　燃料电池作为一种新型的发电装置不受卡诺循环的限制，能量转化效率理论上可达9%m.氢燃料电池反应的唯一副产物是水，能有效地避免环境污染，是一种真正意义上的清洁能源。其中质子交换膜燃料电池，在美国时代周刊1995年10月刊登的社会调查结果中被列为21世纪十大科技新技术之首。近年来，燃料电池的发展取得了巨大进步，欧美、日本等国的燃料电池在很多领域的应用试验都取得了成功，国内许多科研院所及高校对燃料电池的研究也取得了巨大的成就，大连化物所、长春应化所、贵金属所、清华大学、天津大学、武汉大学等在燃料电池的不同研究方向上都取得了巨大进展。

　　目前燃料电池面临的最大问题仍然是成本问题，尽管与研究初期相比，燃料电池的成本已有很大幅度的降低，据报道，目前某些人工组堆的燃料电池的成本仍然高达20000美元/kW，这个惊人的数字是阻碍燃料电池商业化的主要障碍。据有关人员预测只有当燃料电池的成本降低到30美元/kW以下，才能与现代技术日趋成熟的内燃机市场相竞争。解决成本问题的方法之一，就是投入大批量的生产，据估计，燃料电池的生产量至少为105kW/a，才能将成本降低到预想的结果，实现商业化的目标。另一方面，燃料电池所用材料成本的降低，则有赖于燃料电池结构的改善和新型材料的开发与研制。

　　1燃料电池成本与技术改进以目前研究最为广泛的质子交换膜燃料电池为例，质子交换膜燃料电池材料成本的降低，主要在于以下几个方面：膜组件、双极板材料、单电池结构、电池系统的改善、电池堆的操作和运行等。

　　1.1膜组件目前，在质子交换膜燃料电池中，常用的膜材料Nafion膜价格大约为50060美元/m2.要降低膜组件的成本，就必须用价格低廉性能优良的膜来代替。通过对各种不同的无氟高聚物膜进行单电池实验，已发现一种以聚乙醚酮为原料的无氟膜具有良好的性能，并且性能稳定，能够连续运行2000h以=150kPa）。此夕卜，巴拉德公司开发的Bam 10、20、30、三氟苯乙烯磺酸膜系列，成本也有大幅度地降低，大约为150美元/m2左右。

　　要降低膜组件成本的另一方面为降低催化电极的Pt的负载量。Pt是燃料电池中不可缺少的组成部分，它分散在电极表面，用来催化阴、阳极上的电化学反应。燃料电池研究之初，催化电极Pt的负载量可高达4mg/cm2；随着燃料电池技术、催化技术和电极制备技术的发展，现在Pt的负载量平均为0.32mg/cm2；既使如此，要输出一辆重型、中型汽车所需的功率，仍然需要25g Pt；根据目前的价格计算，仅Pt需求量一项，成本就高达500美元。椐报道，已有人通过对不同Pt载量的电极进行试验（f =200kPa），发现即使Pt载量降低到。7mg/cm2，仍能够输出足够高的功率，还有人乐观地预测Pt载量还会进一步降低。

　　1.2双极板构造材料目前所使用的双极板，无论是材料成本还是加工工艺，价格都非常昂贵。现在用于质子交换膜燃料电池的极板材料有两种：石墨等碳材料、金属（包括Ni、Ti等金属单质或合金）材料。石墨等碳材料产生气体通道的加工过程非常复杂，石墨化的温度很高，可达2500°C，并且要严格控制升温程序的进行，因此费用极高，占整个燃料电池成本的6% 70%.而且石墨机械强度低，为保证电极强度石墨双极板的厚度大约为1. 55mm.与之相比，金属双极板仅需用l/xm的金属箔片就可以了，这在一定程度上提高了燃料电池的功率体积比。

　　采用金属作为双极板，既易于大批量生产，又可以大幅度提高比能量、比功率。而且对于大多数金属例如铁来说加工过程比较简单，若双极板上不再镀金、铂等贵金属薄层，则在降低了材料成本的同时，也大大减少了极板加工工艺的费用。在各种不同铁合金材料的试验中发现，对于酸性介质，各种不同的铁合金都有较严重的被腐蚀现象，并且伴随着膜与极板、集流网之间的接触电阻有较大程度的增力口。要实现铁合金材料在燃料电池中的应用，金属腐蚀的电流密度应小于l6A/Cm2，寿命不短于5000h.考虑到铁合金材料的经济性，人们对铁合金极板工艺进行了大量的研究，实验证明通过对铁合金表面进行特殊处理和提高极板之间的压力，可将接触电阻降低到lmQcm2以下，腐蚀速度大幅度降低，单电池试验寿命可达7h以上。目前，各国研究机构对金属极板表面处理进行了大量的研究，并且具体技术极为保密。

　　1.3电池的设计及运行要进一步降低燃料电池的成本，还必须简化燃料电池的结构设计。新的电池设计将气体通道插入到两个金属极板之间，在极板的四个角上用钻打空，使其与气体管路相连接。这种加工过程非常简单，尤其是进行大批量的生产，成本费用很低。与原有的电池设计相比，新的设计工艺除了成本上的优势外，还有很多其他的优点：对于膜组件，使用四个螺栓将膜固定在两个金属箔片之间由膜本身实现密封，而不需要其他的粘胶或密封用物品。

　　新的电池结构易于拆装，能够方便地实现电池组的维修和燃料的补充，并且燃料电池堆的重量也会降低。

　　电池系统的简化，取消了原系统中用来散热和增湿的水循环系统，改用鼓风进行散热冷却，这又在很大程度上降低了系统成本。

　　试运行结果表明新设计的燃料电池系统具有很好的稳定性和可重复性。在电流密度为3mA/cm2的情况下，历经3500h之后，电池的电位改变平均不到7fxV/h.新设计的燃料电池堆还具有体积小、重量轻的特点，一个35单电池燃料电池堆的重量、体积功率比分别为2kg/kW、l. 1.4展望降低燃料电池成本的可行性假定燃料电池的功率密度为。

　　电池堆的生产量大于l5kW/a，则燃料电池的成本可降低至36美元/kW.若燃料电池的功率密度能达到0.49kW/cm2，且实现Pt的回收利用，则燃料电池的材料成本可降低至21美元/kW. 2燃料电池电池组混合交通工具的发展在韩国，有些研究人员对燃料电池电池组混合交通工具进行了经济预测，他们通过建立交通工具、燃料电池、电池组的一系列经济模型，结合市区运行循环模拟，估算了燃料电池、燃料电池车、氢燃料等的成本。通过对单纯燃料电池车和电池电池组混合型车的模型对比，他们认为在目前燃料电池成本居高不下的情况下，采用燃料电池与电池组组合比单纯的燃料电池更为有效。利用同电池组的组合，燃料电池可以在更高效的范围内运行，同时也大大降低了动力系统的成本，具有更好的经济性。只有当燃料电池的成本降低到一定程度后，单纯的燃料电池车才会比这种混合型的交通工具更经济。由此看来，燃料电池-电池组混合型交通工具是一种从电池组到燃料电池运输工具的有效的过渡。

　　3清洁节能的ZAFC ZAFC也即锌-空气燃料电池。锌在电池介质中与空气中的氧发生氧化反应产生电流供给外电路。ZAFC的阳极反应是锌的氧化，阴极则是氧气的还原，这与氢、氧燃料电池中的阴极过程是一样的，因此有人把ZAFC看作是燃料电池中的一种。ZAFC在能源和环境方面具有良好的效应，据有关专家预测，ZAFC与普通意义上的燃料电池相比更容易降低成本、实现其商业化。

　　ZAFC不仅重量轻，易于拆装维修，而且使用周期长，能够快速启动。而ZAFC的成本除了空气催化电极之外，不需任何成本高的组件，并且如果实现了锌的回收利用，ZAFC的价格功率比可降低至40美元/kW. 4燃料电池的发展前景燃料电池由于其自身的优点深受人们的青睐。

　　它具有高效率、可靠性高、良好的环境效益和操作性能，并且有很强的灵活性，因此与传统的发电技术相比具有更大的发展潜力°。燃料电池的应用非常广泛，可以应用到宇航、军事、潜艇、电站发电、汽车动力及作为便携式电源等各个方面，具有广阔的应用前景。虽然目前的燃料电池还存在不少问题，比如成本昂贵、高温时寿命和稳定性差、燃料技术不普及以及没有完善的燃料nba直播吧极速体育jrs_jrs直播王_极速体育NBA直播体系等，尤其是成本问题，是阻碍燃料电池商业化的最主要的因素，但相信随着燃料电池技术和燃料技术的进一步发展，燃料电池的成本不久有望降低到人们所期望的范围之内，燃料电池的商业化在不远的将来会实现。