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本文2810字，阅读约需7分钟 摘 要：本文基于现有技术和应用，讨论了50年后固定式PEFC的形态。自2009年商业化以来，家用热电联供系统ENE-FARM得到了广泛使用，已在日本交付超过25万台。目前也已开发出以氢为燃料的PEFC系统，可使用从可再生能源获得的氢。在50年后，随着质子交换膜和催化剂的开发，成本和工作温度的问题将得到有效解决。固定式PEFC系统将被广泛用作使用可再生能源的分布式能源。PEFC还将应用在柴油发动机上以替换其他产品。 关键字：家用热电联供系统、ENE-FARM、固定式PEFC系统、分布式能源、氢燃料、纯氢燃料电池系统 AIpatent认证专家库成员 （欲知详情可联络support@aipatent.com） 本文介绍了固体高分子型燃料电池（PEFC），特别是固定式PEFC的现状，并对50年后的固定式PEFC进行了猜想。目前的固定式PEFC中，家用热电联供系统——ENE-FARM自2009年商业化以来，已经顺利普及，2018年累计销售台数超过25万台1）。另一方面，以氢为燃料的PEFC系统的实用化也正在稳步推进中，其可活用从可再生能源中获得的氢。预计50年后，随着电解质膜和催化剂的材料开发取得进展，成本或工作温度的问题将得到解决。随着可再生能源的发展，预计固定式PEFC将在各地用作分布式电源，并作为现有的柴油发动机的替代电源。 固体高分子型燃料电池PEFC由阳极和阴极，以及中间夹持的质子导电性离子交换膜构成。工作温度为60-80℃，与其他燃料电池相比，其具有优秀的低温工作特性，且具有材料选择范围广、可以使用橡胶材料用作密封材料、可常温启动，以及启停时间短等优点。因此，不仅可以用作固定用途，还可以应用于燃料电池汽车（FCV）等。 固定式PEFC系统的应用包括家庭热电联供系统——ENE-FARM、紧急用BCP以及商业/工业应用，可以分为使用城市燃气或丙烷气作为燃料并通过系统中的重整器反应产生氢气的类型和直接使用氢气作为燃料的类型。ENE-FARM属于前者，而紧急用BCP和商业/工业用途大多属于后者。 图1比较了两种类型的系统的内部结构。使用城市燃气或丙烷气作为燃料的类型，具有可以利用现有的社会基础设施的优点，因此，ENE-FARM得以在日本广泛普及；另一方面，使用氢作为燃料的氢燃料电池系统中，可使用副产物氢或源自可再生能源的氢作为燃料。目前，氢基础设施仅存在于某些工厂区域，因此为使PEFC广泛普及，发展氢基础设施至关重要。同时，由于其不依赖化石燃料，因此作为电源有望实现CO2排放削减。 ENE-FARM（图2）于2009年开始销售，截止2020年7月销售量累计超过25万台。其中，虽然PEFC占大多数，但也包含了一部分固体氧化物燃料电池（SOFC）。输出功率为100kW的H2RexTM（图3）已作为工业和商业用途的氢PEFC投入实际使用。由于以纯氢为燃料，因此无需重整器的启动时间，可以在5分钟内快速启动。此外，用作紧急用BCP的PEFC系统也以氢气为燃料，其被用作企业事务所的应急电源。
图1 ENE-FARM与纯氢燃料电池系统的构成比较
图2 ENE-FARM的外观
图3 100kW工业用氢燃料电池系统 下文对50年后技术的进步和应用的扩展进行猜想。 3.1 技术的进步 首先，列举PEFC当前面临的技术问题，并讨论有望成为解决办法的技术开发的情况。 为了普及PEFC系统，必须降低成本并进一步延长使用寿命。在PEFC电堆成本构成中，电解质膜和催化剂所占的比例很高2），而全氟磺酸膜是当前电解质膜的主流。此外，正在开发碳化氢膜3）作为便宜的替代材料，其离子电导率与全氟磺酸膜相当，但是耐久性是一个问题。在全氟磺酸膜中，通过应用芯材增强技术4）提高机械强度，以及使用自由基捕获剂5）提高化学耐久性，减小了膜厚并提高了耐久性。预期类似的技术发展将解决碳化氢膜耐久性的问题。 关于当前的催化剂，是在碳载体上担载Pt或Pt合金纳米颗粒。Pt是一种电化学稳定的材料，具有ORR活性和HOR活性，对于PEFC来说不可或缺。然而，由于Pt同时也是用于装饰的稀有贵金属，价格高昂，PEFC的价格自然水涨船高。为了减少Pt的使用量，正在进行高活性Pt合金催化剂的开发6），以及仅在载体表面担载Pt的核壳催化剂7）的开发。此外，作为不使用Pt的替代材料，正在开发碳基催化剂8）和金属氧化物催化剂9）。这些替代催化剂的问题在于它们的活性仍低于Pt催化剂。通过阐明催化反应的机制，提高反应活性点的密度，有望进一步提高催化剂活性。 另一个问题是PEFC系统排出的热水温度仅为约60℃。为了用于热电联供系统，要求工作温度为80℃或更高，并且得到高温热水。为此，需要提高电解质膜或密封材料等聚合物材料的耐热温度。此外，由于工作温度高，燃料电池中水蒸气的分压升高，会影响反应气体的扩散性能。为了提高扩散性能，需要在电极处能够有效去除产生的水。为此，从微观到宏观的模型分析技术也将在电极结构的设计中得到运用。 燃料电池的类型及其特性取决于分隔阳极和阴极的电解质的性质。PEFC中质子穿过全氟磺酸膜的机制被称为Hopping现象——供应到电解质膜的水形成被称为簇的用于质子传导的通路，质子通过保持水的磺酸基团转移到簇中。也就是说，质子传导需要水，这限制了工作温度必须低于水的沸点。为了实现可高温工作，具有高性能以及高耐久性的PEFC，需要与常规膜不同的，具有不需要水的质子传导机制的电解质膜。 3.2 固定式PEFC的普及 由于可以利用现有的天然气基础设施，使用城市燃气或丙烷气作为燃料的ENE-FARM已经在日本各地广泛普及。另一方面，由于ENE-FARM使用化石燃料，因此尽管效率很高，但仍会排放二氧化碳。为了应对全球变暖，最佳选择是利用源自可再生能源的氢。农村地区有适合安装大型太阳能发电或风力发电的区域，而城市地区仍旧需要消耗大量能源。为了消除电能分配的不均衡，输电网的建设十分重要，另一种方法是，在农村地区通过水电解生产氢气并将其运输到城市地区。 不仅是日本国内，还可以考虑在全球范围内，利用沙漠等广阔的土地上的太阳能发电制得的大量氢气输送到日本。固定式PEFC系统比现有的火力发电厂要小的多，对于安装地点的限制很少。因此，可根据氢气生产地区和能源消耗地区的位置，在日本各地安装中型固定式PEFC系统，从而缩短氢气的运输距离，并向需要电力的区域供电。 在偏远的岛屿上，用船舶运送重油等化石燃料，并由柴油发电提供动力。由于运输成本高，发电成本也高。因此，可以期待固定式PEFC在这些地区发挥积极作用，利用当地的可再生能源制造并存储氢气，实现能源自给自足。 在家用电源方面，随着智慧社区的推进，作为分布式电源的燃料电池系统产生的电和热将被分配到多个家庭。在智慧社区中，将利用太阳能发电和风力发电通过水电解来生产和储存氢气，并用作燃料电池的燃料。 3.3 应用领域的扩展 燃料电池是发电装置的一种，因此，它有可能代替现有的柴油发电。此外，由于PEFC的工作温度为60-80℃，其启停时间短。基于其特性，除了当前的家庭用、商业和应急用途之外，还有望用作便携式电源。作为目前柴油发动机发电机的替代产品，有望在移动摊位、建筑工地以及户外活动中使用。此外，它已经被用作手机通信基站和风况调查的电源，到2070年，燃料电池将成为主流。尽管不是固定式的，但预计在使用柴油发动机的船舶和铁路等领域，氢燃料电池的应用也将不断扩大。PEFC具有的启动时间短、负载响应性好的特点，将得到更多活用。 毫无疑问，当前需要增加可再生能源的利用以解决环境问题和能源安全问题。同时，为了解决可再生能源存在的问题并扩大其用途，活用氢气并将其与燃料电池结合是一种有效的解决方案。此外，对于小型电源和移动交通等无法使用可再生能源的应用领域，电池或氢燃料电池是唯一的选择。电池的尺寸、重量和充电时间方面存在诸多局限，并且某些应用只适合使用氢燃料电池。必须承认的一点是，就技术成熟度和经济效率而言，氢燃料电池不如使用化石燃料的内燃机。但是，相信在不久的将来，氢燃料电池技术将会变得不可或缺，从事氢燃料电池事业的人正在为未来不断努力奋斗。 引用文献： 翻译：东雨琦 审校：李涵、贾陆叶 统稿：李淑珊  ●专栏：Fuel Cells in 2070 | 对50年后的燃料电池的畅想——序论 ●实现超高能量转换效率的实用尺寸质子导电性陶瓷燃料电池的开发 ●Hydronext：透氢膜分离法——从混合气体中一步提取高纯度氢气 |
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