中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：“我們希望推出具有以輕型汽車為主力產(chǎn)品的大發(fā)特色的燃料電池車”，大發(fā)工業(yè)開發(fā)部行政技術(shù)專家田中裕久這樣說道。2013年11月，該公司在東京車展上公開了配備燃料電池的試制車。特點(diǎn)是“不使用貴金屬”——其白金用量為零。
轉(zhuǎn)換思路，不使用白金
燃料電池利用氫和氧的化學(xué)反應(yīng)發(fā)電，不排放二氧化碳。為實(shí)現(xiàn)未來的低碳社會(huì)，燃料電池作為汽車的動(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)的燃料電池車和燃料電池系統(tǒng)。不使用貴金屬，可降低成本
在2013年的東京車展上展出的“FC 凸 DECK”。在座位下方安裝了燃料電池系統(tǒng)
在東京車展上展示了作為可搬運(yùn)發(fā)電機(jī)使用的燃料電池系統(tǒng)“FC Dock”（左）。在燃料瓶中填充水合肼，安裝到系統(tǒng)上使用（右）
要普及需要進(jìn)一步削減成本。燃料電池車2015年將開始市售。大約10年前，一輛燃料電池車的價(jià)格高達(dá)1億日元，而現(xiàn)在，為了將價(jià)格降到1000萬日元以下，各廠商紛紛展開了技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。
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(xiàn)這一點(diǎn)的理由，首先來介紹一下氫燃料電池的構(gòu)造。
氫燃料電池負(fù)責(zé)發(fā)電的部件稱為“電池組”：排列著數(shù)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“電解質(zhì)膜”。當(dāng)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。氫離子被擠壓穿過只允許離子通過的電解質(zhì)膜向空氣極移動(dòng)。而電子無法穿過膜，所以會(huì)通過電線送到空氣極?？諝鈽O上的氧會(huì)與送來的氫離子和電子發(fā)生反應(yīng)生成水。用電線傳送電子時(shí)會(huì)產(chǎn)生電流，從而將這種能量取出來。
田中就以往的燃料電池催化劑使用白金的理由解釋說，“電解質(zhì)膜采用的是強(qiáng)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(jié)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，“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(jié)合鍵”。
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| 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(nèi)移動(dòng)，而是使從氧和水中提取的水氧化離子移動(dòng)的機(jī)制 |
目標(biāo)是在現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施流通
水合肼還有其他優(yōu)點(diǎn)，就是可利用現(xiàn)有的流通基礎(chǔ)設(shè)施。水合肼在常溫下為液體，高濃度時(shí)在日本為《消防法》規(guī)定的“第4類危險(xiǎn)品”中的“第3石油類”。與第1石油類的汽油及第2石油類的煤油和柴油相比，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(guī)定。田中看中的是，“水合肼為液體，因此可利用現(xiàn)有的加油站設(shè)備和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。采用起來方便”。
如果是以往的燃料電池，氫流通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)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(shè)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(guī)的制定等在內(nèi)，如果能實(shí)現(xiàn)流通，可降低基礎(chǔ)設(shè)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(yùn)輸氫的燃料罐。要想在確保強(qiáng)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?yàn)榕c以往的燃料電池相比，熱損失較少。水合肼把能量轉(zhuǎn)換成電氣的“理論電動(dòng)勢(shì)率”為氫的約1.3倍。如果能高效發(fā)電，單元數(shù)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(duì)策之一，田中舉出了“調(diào)整電解質(zhì)膜的材料，使之僅能高效通過水氧化產(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(xiàn)在有燃料會(huì)從膜中滲出的現(xiàn)象，導(dǎo)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年開始上市產(chǎn)品的其他公司”，田中躍躍欲試。
可裝在手提包中提走
像片狀口香糖那樣加工成薄片型的燃料也已經(jīng)面世。羅姆開發(fā)出了可放在手掌上的燃料電池。該燃料電池是與開發(fā)小型燃料電池的Aquafairy（京都市）和京都大學(xué)教授平尾一之共同開發(fā)的。
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羅姆的便攜式燃料電池 羅姆的便攜式燃料電池（1）。內(nèi)置電池組（2）和燃料補(bǔ)給機(jī)（3右圖）。從包裝中取出像片狀口香糖一樣的氫化鈣燃料（3左圖），裝上使用 |
羅姆完全可以用來為智能手機(jī)充電的PEFC，僅重約90g。利用基于塑料的成型技術(shù)，對(duì)電極和電解質(zhì)膜等進(jìn)行了一體化組裝。未使用容積大且重的陶瓷零部件以及金屬螺栓和螺母類。
這種電池的燃料其實(shí)是“氫化鈣”。因遇水后會(huì)產(chǎn)生氫，因此命名為“固體氫源”。制成薄板型時(shí)，重量約為5g。滴下5～6cc的水會(huì)產(chǎn)生4.5～5L的氫。
Aquafairy開發(fā)的氫化鈣燃料“固體氫源”。還可以加工成星形和心形等多種形狀
羅姆的小型燃料電池
安裝上裝有氫化鈣燃料的氣瓶使用。輸出功率為200W。除了室外用途外，羅姆還打算將其用作應(yīng)急電源和野外調(diào)查用電源等
羅姆研究開發(fā)本部副本部長(zhǎng)神澤公介紹說，“這一產(chǎn)品使女性也能將原來易燃，且有爆炸可能的氫，放入包中攜帶”。還能為便攜卡式爐用氣瓶那樣的容器充氫。
羅姆輸出功率提高到200W型的產(chǎn)品也在開發(fā)之中。并將開拓使用柴油等的小型柴油發(fā)電機(jī)的替代用途。安裝上充滿固體氫源的氣瓶，一按按鈕就能啟動(dòng)。該公司還打算以這種便利性為賣點(diǎn)。
該燃料電池?zé)o需使用耐高壓的燃料罐。只要采用不會(huì)接觸水和濕氣的包裝，預(yù)計(jì)品質(zhì)可保證20年。在大量使用氫的情況下，固體氫源與向耐壓氣瓶中充氫時(shí)相比，重量在七分之一以下，體積不到三分之一。
高輸出型燃料電池的開發(fā)是NEDO（新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)）實(shí)證業(yè)務(wù)的一環(huán)。如果商品化和量產(chǎn)取得進(jìn)展，還能降低系統(tǒng)價(jià)格。因燃料容易儲(chǔ)藏和運(yùn)輸，建設(shè)運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施的成本也會(huì)降低。
除了露營(yíng)等野外用途，這種電池還有望作為發(fā)生災(zāi)害時(shí)的電源等使用。神澤副本部長(zhǎng)表示，“在東日本大地震中，很多地區(qū)都停電了。我們?cè)跒?zāi)區(qū)反復(fù)進(jìn)行了訪問調(diào)查，希望該產(chǎn)品能滿足醫(yī)療機(jī)構(gòu)和避難所的需求”。雖然很多醫(yī)院和公共設(shè)施都有自己的發(fā)電機(jī)，但液體化石燃料儲(chǔ)存5年左右就會(huì)劣化。有些情況應(yīng)該更適合使用能長(zhǎng)時(shí)間保證品質(zhì)的固體氫源。
運(yùn)用需制定法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)
氫化鈣的利用也需要政府的允許并放寬規(guī)定。為確保安全性、品質(zhì)和可靠性，還需要實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化等。羅姆為制定標(biāo)準(zhǔn)，也參加了IEC（國(guó)際電工委員會(huì)）的討論。
在NEDO于2010年匯總的燃料電池開發(fā)藍(lán)圖中，除了開始銷售燃料電池車外，還將2015年定位為家庭和辦公室用定置型燃料電池的全面普及年。除此之外，還在開發(fā)用氨等代替氫的技術(shù)。
要想在全球廣泛利用能降低環(huán)境負(fù)荷的燃料電池，尚需建立可利用多種燃料的體制。（作者：馬場(chǎng) 未希，日經(jīng)技術(shù)在線！供稿）
