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本文4520字，阅读约需11分钟 摘 要：为了应对伴随新兴国家经济增长而来的石油需求的快速增长、气候变化和空气污染等环境问题以及资源和能源问题，以汽车电动化为中心的下一代汽车的普及迫在眉睫。作为支持汽车电动化的电源，市场上存在使用二次电池的EV（电动汽车）和使用氢燃料的FCV（燃料电池汽车）。氢和电能都是二次能源，可以高效地相互转化，由此，整个社会在能源生产、储存和运输方面可以相互补充。可以使用氢作为燃料发电并将其转换为动力的燃料电池被认为是未来移动交通领域电动化的重要能源装置之一。由于50年后的社会难以预测，因此在本文中将报告有关汽车动力源的历史、当前燃料电池以及未来燃料电池的研究结果。 关键字：固体高分子型燃料电池（PEFC），燃料电池汽车（FCV），零排放汽车（ZEV）,燃料电池，氢能 在汽车发达国家，对于汽车尾气问题已经有了大概的应对方法。可以说，通过节约能源，提高燃油效率和减少二氧化碳来保护全球环境比以往任何时候都变得更加重要。特别是为了应对伴随新兴国家经济增长的石油需求急剧增加带来的能源安全、气候变化和大气污染等环境问题，以车辆的电动化为中心的下一代汽车的普及至关重要。而且，近年来，人们对于汽车有了更多前所未有的新功能和服务的需求，对汽车电动化的需求也在迅速增加。 以二次电池为动力源的电动汽车正在快速普及；另一方面，燃料电池能够以氢为燃料发电并转化为动力，是今后交通手段电动化中重要的能源设备之一。 虽然无法准确预测50年后的社会和FCV，但笔者（AIpatent认证专家库成员，欲知详情可联络support@aipatent.com）借此次机会，在本文中就汽车动力源发展的历史、当前的燃料电池以及未来的燃料电池等，对相关资料和论文等进行调查，并介绍调查结果以及笔者的个人观点。 汽车使用的第一个动力源是蒸汽机。1769年法国陆军技术大尉尼古拉·居纽以蒸汽压力驱动活塞，在巴黎的炮兵工厂制造了第一辆汽车1），用于牵引大炮。此后，蒸汽汽车代替马车作为交通工具逐渐被社会所接受。但是，蒸汽机的尺寸大，重量重，启动时间长，对一般用户而言维护困难。 为了解决蒸汽汽车的这些问题，对内燃机的研究也取得进展，最终德国的卡尔·本茨在1886年获得汽油发动机汽车的专利2）。 另一方面，自18世纪末以来，蓄电池的开发也在不断进步，19世纪中叶还开发出可实用的电动机，以及可以再充电的二次电池。因为不像汽油汽车在行驶中会产生噪音和尾气等问题，所以电动汽车实现的可能性以及人们的期待也随之增加。 19世纪末是摸索蒸汽、电力、汽油等，何种动力最适合汽车的时代。 进入1900年代，亨利·福特于1903年创立了福特汽车公司。其立志“为大众制造汽车”，并于1907年推出T型福特3）。以此为契机，汽车逐渐向大众普及。1920年代，汽油发动机成为汽车动力源的主流。1930年在得克萨斯发现了巨大的油田，20世纪成为了廉价且不需要维护费的汽油汽车的时代。 但是，到了20世纪后半段，为治理尾气，以及应对近年来地球变暖问题，必须削减C02，从而使二次电池再次受到关注。同时，作为新的动力源的选择，燃料电池登场了。1839年，英国的William Grove首次成功使用燃料电池进行发电。首次投入实际使用是在1965年，美国通用电气公司制造的固体高分子型燃料电池作为飞行记录仪等的电源被安装在双子座飞船上4）。 从1990年代初起，大型汽车制造商开始开发使用燃料电池作为汽车动力源的燃料电池汽车（FCV），2002年丰田（FCHV-adv）和本田（FCX）在全球率先开始商用燃料电池汽车的限量销售。2014年，丰田发售世界上第一辆市售燃料电池汽车MIRAI（未来），本田随后发售Clarity（图1）。通过提高电堆的输出密度，从外观上也可以很容易地看出，燃料电池在汽车中的搭载性在近10年间有了显著的提高。
图1 燃料电池汽车（FCV） 根据电解质的材料和工作温度，燃料电池可以大致分为磷酸型、熔融碳酸盐型、固体电解质型以及固体高分子型。其中，使用固体高分子膜作为电解质膜的固体高分子型燃料电池具有最低的工作温度和高启动性的特点。目前市面上销售的FCV上搭载的燃料电池即是固体高分子型。 图2是固体高分子型燃料电池的基本结构的示意图，可以看出，其由电极夹着电解质膜的膜-电极组件（MEA:Membrane-Electrode Assembly）构成。 氢和空气分别供应到阳极和阴极，通过氢氧化反应和氧还原反应产生电能。通过堆叠单电池来制作电池堆。通过增加电极面积可以增大电流，通过增加堆叠数，可以增大电压。但是考虑到要将其安装在空间有限的汽车中，则需要在不增加面积的前提下增大电流密度、减小单电池的厚度并减少电压损失。 燃料电池电极的资源量有限，使用高价的铂催化剂。燃料电池堆中MEA的白金使用量用催化剂层单位面积的铂重量（载铂量）来表示。关键在于减少载铂量的同时提高发电性能。用于双子座飞船的燃料电池使用了铂箔4）。之后，铂黑被用作电极催化剂，1980年代以前的燃料电池的载铂量至少在4mg/cm2以上。起初是通过将铂黑用疏水性的聚四氟乙烯（PTFE）树脂连接制得电极催化剂层，并将其加热接合在离子交换膜的两侧，从而制得MEA5）、6），之后通过向催化剂层中注入电解质成分，以及使用铂担载碳催化剂，将铂催化剂担载在碳粉上，以减少铂使用量7）-9），成功将铂使用量减少到了以往的十分之一左右。此后，进一步通过使用离聚物本身作为催化剂粘合剂代替PTFE来生产MEA，同时催化剂层的形成技术也取得了进展10）-13）。预期今后将继续开发出减少铂用量的同时快速制造MEA的技术。 不仅是催化剂，电解质膜也是重要的构成材料。为了有效利用产生的电动势，减少电池的内部电阻尤为重要。在确保阳极和阴极的气体分离功能的同时，开发出提高质子传导性的电解质膜。之前搭载在双子座飞船的燃料电池中使用了厚度为250微米的电解质膜4），由此不仅是铂用量，电解质膜的厚度在大约半个世纪内也减少到了十分之一以下。 燃料电池的MEA是由电解质膜和催化剂层堆叠而成的构造，为了有效活用电池的电极面积整体，需要使发电分布均匀并有效利用整个电极区域。对于隔板而言，除了需要具备向电极面积整体提供反应气体的气体分配功能之外，还需要具备高电子传导性，从而可以通过单电池的堆叠获得高电压。当前FCV隔板的厚度被减小到1mm左右，这有助于电堆的体积能量密度的提高。为了除去发电过程中生成的水，同时向催化剂层提供气体，丰田MIRAI使用3D细网状流路结构来改善排水和气体扩散性；本田Clarity通过缩小隔板的槽间距，使隔板和MEA的接触部变小，从而防止槽间距之间生成的水滞留，同时提高了气体扩散性。金属薄板加工技术的发展支持着这些技术的开发。
图2 膜-电极组件的示意图 目前市面上销售的FCV虽然具有与乘用车一样的性能，但是仍处在开发阶段，以进一步提高性能并降低成本。 因为铂是地球上的有限资源，若要普及FCV，需要大幅降低每台FCV使用的贵金属量。美国能源部2020年的目标是每台FCV11.3g14）。目前尾气排放减量的洁净内燃机汽车所使用的贵金属量约为5g左右，50年后FCV也有望达到这一水平。 因为市场上铂的成本是由重量决定的，所以如果减少铂的使用量的话，成本就会下降。但是，简单地减少铂含量会导致电堆的性能下降，所以需要提高催化剂的单位重量的活性，即质量活性。电池反应是在催化剂表面发生的，为了提高质量活性，必须提高单位质量的催化剂表面积和单位面积的活性。不降低性能而降低铂含量的新型催化剂技术、非铂或非贵金属的催化剂也有可能出现。 为了充分利用活性高的催化剂表面，希望使催化剂表面积的利用率达到100%。不仅是催化剂材料的开发，对催化剂层结构的精确控制技术也值得期待。燃料电池的电极反应在催化剂表面的三相界面发生，但是电解质离聚物对其结构和功能有很大的影响。通常使用与电解质膜相同成分的高分子材料，但是所需的特性未必与膜相同，特别是对其透气性的要求不同：电解质膜要求具有两极气体不发生交叉泄露的特性，而阴极的离聚物需要高氧透过性。 目前代表性的电解质材料Nafion是在PTFE的主链中具有磺酸基侧链的非定形聚合物材料。由于主链为疏水性，而侧链为亲水性，因此在溶液中的形态十分复杂，由侧链形成的亲水区域与质子传输性能密切相关。随着对离聚物中水和质子的传输特性、氧的传输性的进一步理解，有望开发出能够对这些特性加以控制的高分子复合材料和结构控制技术，尤其有望开发出不需要对外部供给和催化层中生成的双向水输送进行复杂的控制，即使没有来自外部的水供给也具有高质子传导性的离聚物。 燃料电池MEA的单位面积的输出密度提高，则意味着可以以较小的电极面积获得与目前相同的输出；或是电极面积与现在相同，可以得到更大的电流。不管怎样，随着电流的增大，供给到电堆的氢气和空气等反应气体的流量也会增加。为了向电堆内部的各单电池均匀地供给反应气体，在电堆内部形成气体歧管，设法向各单电池均等分配反应气体。若缩小歧管，平均分配会变得困难，所以很难单纯地减小其横截面积。希望出现提高空气利用率的同时不会影响反应的单电池的创新设计和突破传统的电池堆设计。到那个时候，燃料电池可能具有和图2完全不同的构造。 不仅仅是FCV用的电堆开发，活用FCV特征的其他用途也在开展中。由于EV和FCV可以向外部供电，因此可以在发生灾害，系统电力无法使用的情况下用作应急电源。因为FCV的续航距离比EV长，所以能够供给的电量也比较大。另外，氢的填充时间也大大短于EV的充电时间，因此可以实现大容量、长时间、长期的向外部供电。如图3所示的向外部供电的功能已经得以实现。氢气和电能通过FCV和燃料电池联系起来，今后不仅仅是应急电源，通过氢电转换，有望实现基础设施的低碳化。 如果说汽车的电动化是减少CO2，保护地球环境以及应对资源能源问题的手段，那么电动化不应仅限于汽车，还应该涉及到其他各种各样的交通手段的动力源，更进一步涉及到其他领域的电源。21世纪内，所有的动力源和动力单元都将要求实现零尾气和零排放。动力总成将具有前所未有的新功能和附加价值。以FCV的高性能化为目标的开发提高了燃料电池的设计和材料选择的自由度。如果不像汽车用途那样追求高性能，而是根据使用形态选择电堆，则有可能进一步增加FCV的适用用途。 在考虑包括汽车在内的社会二次能源的利用形态的同时，有必要考虑今后一次能源的发展。虽然只列举到2030年，但可以想见，50年后的电源构成中可再生能源的比例将会提高（图4）。由于可再生能源电力的输出变动较大，因此不仅与电力需求的变动不一致，而且不便于控制。电力供给需要能够满足年最大需求电力量，以及峰值时的最大电力需求，为此，能够控制的二次能源的存储技术，蓄电技术和储氢技术十分重要。 这些二次能源的存储技术虽然各自的特性不同，但都具有电力和氢气能够高效地相互转换的特征。太阳光和风力等可再生能源也有各种各样的形态，它们的比率根据地域和时期也有很大的不同，所以二次能源的储藏也可能根据地域采取适合的形式。通过同时使用蓄电技术和储氢技术，从社会整体来看，能源的制造、存储、运输有望达成互补关系。电力和氢气的并用有可能实现能源的制造、存储和运输互补的系统。
FCV大巴“SORA”的大容量外部供电系统 图3 基于FCV的外部供电
图4 电源构成的变化（根据日本资源与能源厅2018年能源白皮书、第五次能源基本计划制作） 在汽车行业，百年一遇的大变革潮流正在袭来。其具有代表性的关键词是“互联”、“自动驾驶”、“共享”、“电动化”，以及从过往的交通工具销售业务向移动出行服务事业转换的“MAAS”。50年后，从这些概念出发，或许能够创造出一个意想不到的新型移动交通社会。由于各种交通手段中搭载了很多电子设备，电动动力总成与未来的使用性十分契合，燃料电池将成为重要的电源之一，承担起连接社会的作用。 可再生能源根据每个地区的特性而具有不同的构成。利用储存的氢气通过燃料电池制造电力，有望结合各地区特点推进能源的“自产自消”。另外，由于交通手段有着各自的目的和使用方法，因此动力和电源的选择也要“适得其所”。笔者期待50年后，氢·燃料电池能够超越FCV的局限，在更广泛的领域大显身手，同时期待在社会能源系统方面，能够在定量考量基础设施建设所需的成本、可能达成的目标以及效果的基础上得出相应的对策。 参考文献： 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 ●专栏：Fuel Cells in 2070 | 50年后的固定式PEFC系统 |
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