高能量轉(zhuǎn)換效率質(zhì)子交換膜燃料電池汽車(chē)的資源化利用研究

高能量轉(zhuǎn)換效率質(zhì)子交換膜燃料電池汽車(chē)的資源化利用研究

汽車(chē)不僅是人們?nèi)粘Ｉ钪械谋匦杵?，也是人們生活環(huán)境的損害。尾氣是汽車(chē)的主要污染源,汽車(chē)所排放的尾氣中僅CO2就占全球CO2總排放量的1/3,還有CO、氮氧化物、硫氧化物等有害氣體以及各種顆粒物,嚴(yán)重危害著人類(lèi)的健康。因此,美國(guó)、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)都制定了嚴(yán)格的尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)。此外,汽車(chē)行駛所依賴(lài)的傳統(tǒng)燃料日漸枯竭,能源危機(jī)已成為制約汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的重要因素。因此,高效、節(jié)能、低(或無(wú))污染型汽車(chē)的研究與開(kāi)發(fā)近年來(lái)引起了世界各國(guó)的高度關(guān)注。燃料電池汽車(chē)具有高能量轉(zhuǎn)換效率和環(huán)境友好性?xún)纱笸怀鰞?yōu)點(diǎn),在汽車(chē)應(yīng)用領(lǐng)域具有極大的潛力,受到了各國(guó)政府的極大關(guān)注和各大汽車(chē)公司的青睞,成為當(dāng)今世界各國(guó)大力開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。和其它類(lèi)型燃料電池相比,質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)除具有能量轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì),還具有室溫啟動(dòng)快、壽命長(zhǎng)、比功率比能量高等突出特點(diǎn),是公認(rèn)最有前途的汽車(chē)動(dòng)力源。盡管如此,目前PEMFC在諸多領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)和成本等方面還存在各種需要克服的困難,短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)。對(duì)此已有較多研究文章發(fā)表,大多研究都集中于對(duì)提高性能和降低成本的探討,但從自然資源儲(chǔ)量角度來(lái)討論燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化的可能性也具有重要意義。因此,本文擬就自然資源儲(chǔ)量對(duì)燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化的影響進(jìn)行初步探索,并在模擬燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)上分析自然資源對(duì)燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化的影響。1燃料汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化區(qū)域預(yù)測(cè)燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化模擬方案來(lái)源于2003年TIAX公司向美國(guó)能源部(USDOE)遞交的報(bào)告。模擬方案基于兩種設(shè)置:50%和80%方案(見(jiàn)表1)。模型選取美國(guó),西歐17國(guó)(英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、意大利、西班牙、葡萄牙、比利時(shí)、荷蘭、瑞士、奧地利、丹麥、瑞典、芬蘭、挪威、冰島、盧森堡和愛(ài)爾蘭),日本,中國(guó),印度作為模型樣本(該區(qū)域擁有世界人口的50%和汽車(chē)銷(xiāo)售量的75%,是最有可能率先開(kāi)始燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化的區(qū)域),首先根據(jù)歷年汽車(chē)銷(xiāo)量、人均保有量以及人口數(shù)量的變化對(duì)2010-2050年汽車(chē)銷(xiāo)售趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè),結(jié)果如圖1所示。由圖1可見(jiàn),自20世紀(jì)90年代以來(lái),美國(guó)汽車(chē)銷(xiāo)量呈現(xiàn)增加態(tài)勢(shì),2008年全球金融危機(jī)使美國(guó)汽車(chē)行業(yè)受到巨大沖擊,年產(chǎn)銷(xiāo)量銳減。隨著經(jīng)濟(jì)的逐步復(fù)蘇,其汽車(chē)銷(xiāo)量會(huì)逐步回升,并隨著人口數(shù)量的不斷增加而持續(xù)增長(zhǎng)。西歐情況與美國(guó)類(lèi)似,但考慮到人口增長(zhǎng)速度的持續(xù)走低,西歐可能在2025年左右進(jìn)入人口負(fù)增長(zhǎng)期,隨后汽車(chē)銷(xiāo)量也會(huì)開(kāi)始下降。日本近年來(lái)經(jīng)濟(jì)衰退明顯,再加上金融危機(jī)及人口負(fù)增長(zhǎng)等諸多因素的影響,汽車(chē)銷(xiāo)量逐年下滑。作為兩個(gè)最大的發(fā)展中國(guó)家,中國(guó)印度近年來(lái)汽車(chē)行業(yè)發(fā)展極其迅速,汽車(chē)銷(xiāo)量飆升,即使在全球性金融危機(jī)的影響下,增勢(shì)依舊明顯,預(yù)計(jì)在未來(lái)幾十年內(nèi)兩國(guó)汽車(chē)銷(xiāo)量依舊會(huì)保持強(qiáng)勁增長(zhǎng)勢(shì)頭。圖2為發(fā)達(dá)國(guó)家(美、歐、日)燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化模擬結(jié)果。結(jié)果顯示,50%和80%方案中,燃料電池汽車(chē)以不同的增長(zhǎng)比例進(jìn)入市場(chǎng),并在2050年分別達(dá)到50%和80%的市場(chǎng)占有率。屆時(shí)發(fā)達(dá)國(guó)家燃料電池汽車(chē)年銷(xiāo)量將分別達(dá)到2千萬(wàn)(50%方案)到3千萬(wàn)(80%方案)輛。從2020年燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化開(kāi)始計(jì)算,到2050年,燃料電池汽車(chē)?yán)塾?jì)銷(xiāo)售量將達(dá)到4.5億(50%方案)/7.75億(80%方案)輛。2燃料汽車(chē)用鉑鉑是燃料電池的核心材料之一,在燃料電池電極催化效率、電流密度、性能提升中發(fā)揮了重要作用。但貴金屬鉑價(jià)格昂貴,使得PEMFC成本居高不下,是燃料電池能否順利產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵影響因素之一。現(xiàn)今,PEMFC催化劑的研究重點(diǎn)主要集中在兩個(gè)方面:其一是尋找價(jià)格較低的新型催化劑,但至今尚未找到鉑的有效替代品;其二是盡量降低鉑的單位面積(或功率)載量。如表2所示,若燃料電池汽車(chē)以當(dāng)前水平鉑載量(0.8g/kW)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化,到2050年,累計(jì)鉑需求量將高達(dá)3.9~6.3萬(wàn)噸,而已探明的鉑儲(chǔ)量?jī)H有7.6萬(wàn)噸,鉑資源有耗竭的危險(xiǎn)。USDOE提出,為了實(shí)現(xiàn)PEMFC產(chǎn)業(yè)化,鉑載量必須降至0.2g/kW。若到2020年,燃料電池汽車(chē)開(kāi)始全面投放市場(chǎng)之時(shí),鉑載量能夠降至0.2g/kW,一輛75kW燃料電池汽車(chē)鉑載量將降至15g。到2050年累計(jì)鉑需求量達(dá)到2.4~3.0萬(wàn)噸,不到探明儲(chǔ)量的一半。如果不對(duì)鉑加以合理高效的回收利用,隨著汽車(chē)銷(xiāo)量以及鉑消耗量的持續(xù)增加,再過(guò)10至20年,鉑資源亦有耗盡的危險(xiǎn)。如果對(duì)鉑進(jìn)行高效回收利用(90%回收率),不僅至2050年鉑的累計(jì)需求量可進(jìn)一步降低,而且2050年后二次用鉑可能成為燃料電池汽車(chē)用鉑的主要來(lái)源(見(jiàn)圖3),如此世界鉑資源將能滿(mǎn)足燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化的需求。如需達(dá)到0.2g/kW的功率鉑載量指標(biāo),必須要將面積鉑載量降至0.15mg/cm2以下,并將電流密度提高到1100mA以上(工作電壓0.7V)。而目前工業(yè)生產(chǎn)的膜電極面積鉑載量為0.8mg/cm2,功率鉑載量高于1.0g/kW,遠(yuǎn)不能達(dá)到USDOE所提出的產(chǎn)業(yè)化指標(biāo)(見(jiàn)圖4)。3雙極板材料配比對(duì)燃料等混合物質(zhì)產(chǎn)率的影響雙極板是PEMFC的關(guān)鍵部件之一,其成本與性能對(duì)推進(jìn)燃料電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程有很大影響。雙極板材料主要有無(wú)孔石墨、金屬或合金以及各種復(fù)合材料。討論雙極板材料資源時(shí),僅考慮鈦(鈦基雙極板)、鎳和鉻(鐵基雙極板)對(duì)燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化的影響。假定單車(chē)鉑載量為15g,單位面積鉑載量為0.1mg/cm2,每套雙極板厚度為0.3mm,則每車(chē)需用15m2雙極板。由此計(jì)算可得,每輛燃料電池汽車(chē)鈦基雙極板部分需要鈦20.4kg,鐵基雙極板(316L型不銹鋼,含鎳10%~14%,含鉻16%~18%)部分分別需要鎳鉻5.25kg和5.95kg。3.1鈦白粉的回收利用世界鈦礦資源以鈦鐵礦為主,鈦鐵礦約占世界鈦資源總量的90%,其余10%來(lái)自金紅石、銳鈦礦、鐵礦渣等。世界90%以上的鈦礦用來(lái)生產(chǎn)鈦白粉,其余用于生產(chǎn)海綿鈦金屬鈦、焊條涂層與助熔劑以及鈦基化學(xué)品等。鈦資源年消耗量約為450萬(wàn)噸。由此計(jì)算得到,至2050年累計(jì)鈦消耗量?jī)H占世界儲(chǔ)量9.8%~10.5%,而燃料電池汽車(chē)用鈦僅占總消耗量的5.9%~11.9%(見(jiàn)表3),鈦資源豐富的儲(chǔ)量不會(huì)成為燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化的障礙。但由于鈦金屬生產(chǎn)成本偏高,如改進(jìn)生產(chǎn)工藝或?qū)ζ溥M(jìn)行合理回收,將更加有利于產(chǎn)業(yè)化的深入。3.2鎳儲(chǔ)量不符合日益增長(zhǎng)的需求鎳的世界儲(chǔ)量基礎(chǔ)約為1.43億噸,每年世界精煉鎳消費(fèi)量為127.7萬(wàn)噸。由表3可知,盡管到2050年燃料電池用鎳僅占總儲(chǔ)量的3.6%~7.5%,但累計(jì)鎳消耗占總儲(chǔ)量的40%左右,鎳儲(chǔ)量并不能滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的需求。因此,鎳資源會(huì)在一定程度上制約鐵基雙極板發(fā)展,必須著手降低鐵基雙極板不銹鋼中鎳含量,并做好廢鋼的合理回收利用。世界鉻鐵礦(FeCr2O4)儲(chǔ)量為37億噸,儲(chǔ)量基礎(chǔ)為74億噸。鉻廣泛用于冶金工業(yè)、化學(xué)工業(yè)和耐火材料工業(yè),年消費(fèi)量約為304萬(wàn)噸,90%以上用于生產(chǎn)不銹鋼(不銹鋼平均含鉻10.5%)。因此,鉻鐵礦消費(fèi)量很大程度上取決于不銹鋼產(chǎn)量。表3顯示,到2050年累計(jì)鉻消耗僅占世界儲(chǔ)量3.5%,其中燃料電池用鉻僅占1.8%~3.9%。因此,鉻資源豐富的儲(chǔ)量不會(huì)成為燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化的障礙。4pemfc與所需子交換膜caf的消費(fèi)量質(zhì)子交換膜在PEMFC中為質(zhì)子的遷移和輸送提供通道,它的好壞直接影響電池的使用壽命,對(duì)PEMFC的性能有著相當(dāng)大的影響。目前唯一一種商業(yè)化的質(zhì)子交換膜是杜邦公司生產(chǎn)的Nafion系列全氟磺酸型質(zhì)子交換膜,以螢石(CaF2)作為氟的主要來(lái)源。螢石分布廣泛,世界儲(chǔ)量基礎(chǔ)約為2.3億噸。螢石主要用于冶金、氟化工和建材行業(yè),年消耗量基本穩(wěn)定在500萬(wàn)噸左右。假定PEMFC以Nafion211膜進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化,單車(chē)鉑載量為15g,面積鉑載量為0.1mg/cm2,Nafion211厚度為15μm,則每輛車(chē)需用Nafion211膜15m2,需消耗螢石約1.03kg。經(jīng)計(jì)算,累計(jì)到2050年,PEM燃料電池汽車(chē)所用質(zhì)子交換膜消耗螢石41.2萬(wàn)噸(50%方案)至90.1萬(wàn)噸(80%方案),僅占總消耗量的0.45%。因而全氟質(zhì)子交換膜的應(yīng)用并不會(huì)受到氟資源的影響,也不會(huì)對(duì)其他行業(yè)用氟帶來(lái)壓力。5燃料汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化模擬表明,燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化會(huì)受到催化劑、雙極板、質(zhì)子交換膜等質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵材料自然資源儲(chǔ)量不同程度的影響或制約。鉑是燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵,將PEMFC鉑載量降低到0.15mg/cm2(1100mA@/0.7V)時(shí),并對(duì)二次用鉑進(jìn)行合理高效的回收再利用,可以保證燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化對(duì)鉑資源的需求。鈦資源豐富的儲(chǔ)量表面上不會(huì)限制以其作為雙極板材料進(jìn)行燃料