影响燃料电池汽车发展最大的因素是成本问题,使用贵金属铂作为催化剂;昂贵的质子交换膜及石墨双击板加工成本等,导致PEMFC成本约为汽油、柴油发动机成本(50$/kW)的10~20倍。PEMFC要作为商品进入市场,必须大幅度降低成本,这有赖于燃料电池关键材料价格的降低和性能的进一步提高。除此之外还有贮藏安全、燃料来源与辅助设施建设不足等问题。
占燃料电池系统一半成本的是燃料电池组。现在PEMFC电池组的成本是1000~2000美元/kW,如果未来商业化并与内燃机汽车竞争,燃料电池的成本必须降到50美元/kW。降低PEMFC电池组的成本,必须降低三个关键部件(即电极、电解质膜和双极板)的成本。
燃料电池车成本主要通过燃料电池组、氢燃料罐和配件这三种主要部件降低。其中燃料电池组由电极、电解质膜与双极板构成,如何减少电极上贵金属Pt的使用量一直是工业难题。
图表1:燃料电池车关键成本构成图
图表2:燃料电池车关键部件成本构成
图表3:美国燃料电池成本目标
迄今为止,PEMFC的阴极和阳极有效催化剂仍以铂(Pt)为主,而电极的载铂量过高一直是阻碍PEMFC发展的重要因素。为了降低Pt的使用量,世界各大公司进行了许多研究工作。经过大量的研究工作,近几十年来,膜电极上铂的负载量从10mg/cm2降到了0.02mg/cm2,铂的负载量降低了近200倍。
以丰田为例,丰田未来推出的新一代氢燃料电池系统造价大约为500万日元,这意味着届时丰田氢燃料电池系统的成本将比当前减少了95%左右。丰田工程师HitoshiNomasa解释称,公司将力求降低氢燃料电池的铂金使用量,主要途径是改进铂金材料的镀层技术。当前铂金在世界市场上售价为每盎司(约28克)1,380美元,目前丰田氢燃料SUV车型每辆车使用的铂金为100克,未来将减少到30克左右。今后铂的负载量可能还会有降低,但不会降低太多,而且铂催化剂有一个致命的缺点是它易被CO和其它杂质引起中毒。所以降低电催化剂中铂的用量,寻求廉价催化剂,提高电极催化剂性能是目前电极催化剂研究的主要目标。对于阴极催化剂,研究重点一方面是改进电极结构,提高催化剂的利用率,另一方面是寻求高效廉价的可替代贵金属的催化剂。阳极催化剂则主要是研究具有抗CO中毒能力的催化剂。
图表4:丰田通过将铂金镀到催化剂表面的方式减少铂用量
质子交换膜是PEMFC的核心部件。作为一种厚度仅为50~180um的极薄膜片,质子交换膜是燃料电池电解质和电极活性物质(催化剂)的基地。其主要功能是在一定的温度和湿度条件下,具有选择透过性,即只容许H离子(质子)透过,而不容许H2分子及其它离子透过。同时具有适度的含水率,对燃料电池工作过程中的氧化、还原和水解反应具有稳定性。质子交换膜具有足够高的机械强度和结构强度,以及膜表面适合与催化剂结合等性能。
迄今最常用的质子交换膜(PEMFC)仍然是美国杜邦公司的Nafion质子交换膜,具有质子电导率高和化学稳定性好的优点,PEMFC大多采用Nafion质子交换等全氟磺酸膜,国内装配PEMFC所用的PEM主要依靠进口。Nafion膜的价格在600美元每平方米左右,相当于120美元每千瓦(单位电池电压为0.65V)。为尽早实现燃料电池的商业化应用,降低质子交换膜的价格迫在眉睫。
制约目前燃料电池商业化的瓶颈还是成本,而双极板的成本占有相当的比重,采用人造石墨作为质子交换膜燃料电池双极板,其成本甚至达到了燃料电池总成本的60%~70%。双极板的加工,现在采用最广泛的双极板是石墨双极板,采用的加工方法是精密的机械加工,加工费用相当高(每块500cm2双极板加工费大于100美元),占双极板费用的80%以上,占燃料电池堆成本的40%~60%。而且加工时间比较长,不容易大批量生产。因此需要寻求一种加工方法简单,操作成本低,容易批量生产的双极板加工方法,降低燃料电池成本。