車用燃料電池材料及技術開發現況

刊登日期:2016/7/5
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燃料電池車(FCEV)是一種新能源車,它具有能量轉化效率高、環境汙染小等優點,從而成為汽車工業研發的熱門焦點,也是車廠致力減少碳排放的終極手段。本文介紹燃料電池車的優勢,並綜述燃料電池車的技術發展概況,內容將著重豐田與本田車廠於質子交換膜燃料電池( PEMFC )關鍵電堆組件至車載高壓儲氫技術之實用開發現況,最後闡述燃料電池車所面臨的開發課題與未來方向。

燃料電池車的優勢
燃料電池車與傳統汽車最大的區別和優勢在於動力系統的不同,前者採用的是燃料電池系統作為動力源,後者採用的是內燃機。使用氫為能源之燃料電池具有高效率、低能耗和高性能的優點,能源轉換效率高達 50% 以上,因此,與不可再生的化石燃料相比,以氫燃料電池為動力之氫能汽車是綠色環保的重要選擇。

燃料電池車的技術現況
質子交換膜燃料電池(PEMFC)是目前各種燃料電池中實用程度較高的一類。其優越性不僅限於能量轉換效率高、工作溫度低,還可在較大的電流密度下工作,適宜在較頻繁啟動/停止的場合。世界各大汽車生產廠商一致看好 FCEV 在汽車工業中的應用前景,而 PEMFC 已成為現今 FCEV 動力的主要來源。目前,豐田、本田、日產、通用、福特、現代、BMW、戴姆勒等世界知名的車廠,都積極開發以PEMFC系統為動力源的燃料電池電動車,曾先後推出各種類型的樣車,並進行FCEV的示範運行。



圖三、Toyota設計之3D Fine-Mesh Flow Field示意圖

2. 新觸媒層、金屬雙極板及電堆設計
在觸媒技術方面,先前觸媒所使用的碳材載體為中空碳黑,因此會降低Pt的利用率,改用實心的碳載體即可提升觸媒層的導電率與抗蝕性,同時也提高 Pt 觸媒的利用率,結合了 3D Fine-Mesh Flow Field、新的 PtCo 觸媒,以及減少質子交換膜厚度,分別解決了氣體質傳阻抗、觸媒的活化損失以及離子傳導阻抗,整體的效能因此提升了 2.4 倍以上(圖四)。

4. 精簡燃料電池發電系統
Toyota 同時也針對燃料電池系統進行精簡以節省成本,Mirai 設計中已將加濕器移除(圖八),在陽極端則加入了氫氣循環幫浦,並且利用兩極燃料反向流動方式進行系統內部加濕,再加上Mirai 內所使用之質子交換膜厚度僅為 2008 年時期的 1/3,而使用較薄膜將有利於增加內部反應生成水,反向擴散至陽極端進行再利用,同時加快陽極端氫氣的流速,並且以冷卻水降低空氣進口端溫度以提昇氣體加濕效率。另外,本田(Honda)在 FCEV 之開發及商業化進展,也是全球注目的焦點。本田於 2016年 3月正式宣布新一代的 Clarity 進入商業販售,產量僅 200台,並先以租賃方式提供給政府機關以及企業使用,預計 2017下半年才開始向個人銷售。



圖八、移除加濕器與促進水的內循環示意圖

車用燃料電池發展的挑戰
工研院材化所致力於燃料電池關鍵材料組件之開發,在關鍵材料及技術如觸媒、質子交換膜、金屬雙極板抗蝕導電鍍膜技術亦深耕許久。在膜電極組技術及產品方面,針對不同場域應用所製作之……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:賴建銘、林俊男 /工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」355期,更多資料請見下方附檔。


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