燃料電池：改進(jìn)燃料實(shí)現低價(jià)安全，將用于汽車(chē)和家庭

“我們希望推出具有以輕型汽車(chē)為主力產(chǎn)品的大發(fā)特色的燃料電池車(chē)”，大發(fā)工業(yè)開(kāi)發(fā)部行政技術(shù)專(zhuān)家田中裕久這樣說(shuō)道。2013年11月，該公司在東京車(chē)展上公開(kāi)了配備燃料電池的試制車(chē)。特點(diǎn)是“不使用貴金屬”——其白金用量為零。

轉換思路，不使用白金

燃料電池利用氫和氧的化學(xué)反應發(fā)電，不排放二氧化碳。為實(shí)現未來(lái)的低碳社會(huì )，燃料電池作為汽車(chē)的動(dòng)力，以及為家庭和辦公室供電的分散型電源而備受期待。

大發(fā)工業(yè)的燃料電池車(chē)和燃料電池系統。不使用貴金屬，可降低成本

在2013年的東京車(chē)展上展出的“FC凸DECK”。在座位下方安裝了燃料電池系統

在東京車(chē)展上展示了作為可搬運發(fā)電機使用的燃料電池系統“FCDock”（左）。在燃料瓶中填充水合肼，安裝到系統上使用（右）

要普及需要進(jìn)一步削減成本。燃料電池車(chē)2015年將開(kāi)始市售。大約10年前，一輛燃料電池車(chē)的價(jià)格高達1億日元，而現在，為了將價(jià)格降到1000萬(wàn)日元以下，各廠(chǎng)商紛紛展開(kāi)了技術(shù)競爭。

燃料電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屬。車(chē)用“固體高分子型燃料電池（PEFC）”每輛要使用30g白金。

而大發(fā)的燃料電池完全不使用白金。為方便讀者理解實(shí)現這一點(diǎn)的理由，首先來(lái)介紹一下氫燃料電池的構造。

氫燃料電池負責發(fā)電的部件稱(chēng)為“電池組”：排列著(zhù)數百片用金屬板制造的“單元”。

單元有“空氣極”和“燃料極”兩個(gè)電極，二者中間夾著(zhù)“電解質(zhì)膜”。當氫接觸到燃料極涂布的白金催化劑時(shí)，電子會(huì )分離出去而成為氫離子。氫離子被擠壓穿過(guò)只允許離子通過(guò)的電解質(zhì)膜向空氣極移動(dòng)。而電子無(wú)法穿過(guò)膜，所以會(huì )通過(guò)電線(xiàn)送到空氣極?？諝鈽O上的氧會(huì )與送來(lái)的氫離子和電子發(fā)生反應生成水。用電線(xiàn)傳送電子時(shí)會(huì )產(chǎn)生電流，從而將這種能量取出來(lái)。

田中就以往的燃料電池催化劑使用白金的理由解釋說(shuō)，“電解質(zhì)膜采用的是強酸性材料。在酸性環(huán)境下耐腐蝕的材料就是貴金屬。其中白金在切斷氫離子與電子的結合鍵方面效率尤其高”。

大發(fā)的思路在這一點(diǎn)上有了巨大的改變。首先，將電解質(zhì)膜換成了堿性材料，堿性不容易腐蝕金屬。還放棄了使用氫，而選中了氫與氮的化合物“水合肼”。燃料極的催化劑采用鎳，空氣極采用鐵。田中介紹說(shuō)，“采用新燃料與低價(jià)催化劑的組合，能比白金更加高效率地切斷離子與電子的結合鍵”。

在將電解質(zhì)膜換成堿性的同時(shí)，采用了不是令氫離子在單元內移動(dòng)，而是使從氧和水中提取的水氧化離子移動(dòng)的機制

目標是在現有的基礎設施流通

水合肼還有其他優(yōu)點(diǎn)，就是可利用現有的流通基礎設施。水合肼在常溫下為液體，高濃度時(shí)在日本為《消防法》規定的“第4類(lèi)危險品”中的“第3石油類(lèi)”。與第1石油類(lèi)的汽油及第2石油類(lèi)的煤油和柴油相比，易燃性要低。實(shí)際上，水合肼作為燃料電池車(chē)的燃料使用時(shí)，濃度較低，安全性也高。但是需要政府允許并放寬規定。田中看中的是，“水合肼為液體，因此可利用現有的加油站設備和技術(shù)經(jīng)驗。采用起來(lái)方便”。

如果是以往的燃料電池，氫流通基礎設施的建設就成了瓶頸。由于是首次作為商用燃料在日本全面流通，因此幾乎全部設備都需要新投資。且因氫的易燃性高，還需要切實(shí)確保安全性。

而水合肼，包括相關(guān)法規的制定等在內，如果能實(shí)現流通，可降低基礎設施投資成本。

以氫為燃料時(shí)，還需要使用高壓壓縮以及安全運輸氫的燃料罐。要想在確保強度的同時(shí)減輕重量，需大量采用高價(jià)的碳纖維，在燃料電池車(chē)整體成本中所占的比例也很高。而水合肼使用塑料容器即可。

使用水合肼還能提高發(fā)電性能。因為與以往的燃料電池相比，熱損失較少。水合肼把能量轉換成電氣的“理論電動(dòng)勢率”為氫的約1.3倍。如果能高效發(fā)電，單元數量可較以往的燃料電池減少3成。

但田中也坦言道，“目前還未能充分提高發(fā)電效率”。作為解決對策之一，田中舉出了“調整電解質(zhì)膜的材料，使之僅能高效通過(guò)水氧化產(chǎn)生的離子”的方法。在燃料電池中，空氣極和燃料極之間會(huì )產(chǎn)生“電位”差，電子會(huì )因此而移動(dòng)，產(chǎn)生電流。但現在有燃料會(huì )從膜中滲出的現象，導致電位差縮小，是未能充分發(fā)揮發(fā)電效率的原因。

此外還將改善催化劑等，解決存在的課題，“希望產(chǎn)品化時(shí)間不會(huì )晚于2015年開(kāi)始上市產(chǎn)品的其他公司”，田中躍躍欲試。