本文2298字,閱讀約需6分鐘
摘 要:日產正通過新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)的產官學合作研究開發項目,與Prodrone、Atsumitec等企業聯手,開發用于無人機的SOFC電堆,其最終目標是實現車載SOFC的開發。由于與無人機用SOFC的要求及特征類似,因此日產計劃先通過無人機提升技術,以期未來實現車載應用。
關鍵字:固體氧化物型燃料電池、車載SOFC、燃料電池模塊、SOFC電堆、金屬支撐技術
“固體氧化物型燃料電池(SOFC)是一種填充液體燃料并高效率發電的電池,如果它能夠實現應用,將為汽車這種移動交通工具再添一種可用的能源。”(日產汽車電動汽車系統研究所主管研究員加藤崇)
日產汽車正致力于開發SOFC,以期在未來實現其車載應用。區別于豐田汽車的燃料電池汽車(FCV)“MIRAI”以及韓國現代汽車的的燃料電池汽車“NEXO”所采用的固體高分子型燃料電池(PEFC),SOFC是基于不同技術的電源。
SOFC采用氧化鋯基陶瓷作為電解質,而PEFC則采用固體高分子膜。相較工作溫度為70-90℃的PEFC,SOFC的工作溫度更高,為600-1000℃,因此SOFC能夠對燃料進行內部重整,并可以使用乙醇等液體作為燃料。SOFC的理論發電效率也更高,為40-65%,而PEFC則為30-40%。
目前FCV以氫氣為燃料,因此需要搭載70MPa(兆帕)或其他規格的高壓罐,導致安全措施成本升高,且不得不犧牲一部分車內空間。同時,該技術的推廣還面臨一個巨大的挑戰,即需要完善加氫站等高成本基礎設施建設。
采用SOFC有望解決FCV目前存在的問題,因此日產對SOFC寄予厚望。但盡管當下部分SOFC已作為固定電源投入使用,但若要將其用于車載電源,同樣還需解決不少問題。
加藤先生說明了SOFC面臨的問題:“由于SOFC的工作溫度高,因此啟動較為耗時,而在汽車應用中啟動時間不能過長,因此車載SOFC需要具備更高的耐久性,即使快速加熱也不能現故障。此外,要應用于汽車,還需在尺寸、重量、單位重量的能量密度等方面進行大幅優化。
因此,日產正通過新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)的“解決共性問題并實現燃料電池等技術應用的飛躍性擴大的產官學合作研究開發項目”,與Prodrone(名古屋市)、Atsumitec(濱松市)、Integration Technology(埼玉縣和光市)等企業聯手,開發用于無人機的SOFC電堆。該項目的目標是實現可長時間飛行、具備高有效載荷的SOFC無人機的實用化,建立用途可拓展的共性技術。
“在海外,搭載PEFC的無人機已經投入使用,但PEFC很難實現大型化。SOFC的效率比PEFC高25%,而且它基于陶瓷,因此具備更高的輕量化潛力。還有一個優勢,就是陶瓷技術是日本的看家本領,所以能實現日本制造。”(Prodrone常務董事市原和雄)
那么為何日產要參與無人機的開發?“其實我們的設想并不是開發無人機或eVTOL(電動垂直起降)飛機用電源,而是對這種移動體的能源感興趣。對無人機來說,單位重量的輸出功率非常重要,這一點與汽車十分相似。而且它是一個獨立的系統,不能像固定電源那樣通過管道供應氫氣,這一點也很相似(加藤)。”換言之,日產的最終目標是實現車載SOFC的開發,而由于無人機用SOFC的要求及特征類似,因此日產計劃先通過無人機提升其技術。
在本次NEDO的項目中,日產負責SOFC單電池的原型開發和分析等工作;Atsumitech負責SOFC模塊及系統等的開發;Prodrone公司則負責評估SOFC在無人機上的搭載性。
無人機有很多種類,包括從小型無人機到超大型無人機,而該項目針對的是中大型無人機。這是由于此類無人機的功率輸出和重量之間的平衡更能凸顯采用燃料電池的優勢。具體而言,起飛重量為11.5kg,最大有效載荷為2kg的中型機,其燃料電池堆的重量為5kg,輸出功率為1.3kW。而對于大型機,預設的起飛重量為30kg,有效載荷為8kg,電堆重量為12kg,輸出功率為3.3kW。
該項目計劃于2021年8月開始,于2023年3月底結束(根據進展情況或將延長兩年)。2022年7月,項目報告了截止到目前的開發成果。
根據成果報告書,日產開發了10cm2的SOFC單電池(圖1)。而Atsumitech將32片(2片/層×16層)該單電池進行堆疊,開發出了SOFC模塊,并確認了其發電功率為104W(圖2)。
圖1 日產公司開發的SOFC標準單電池
尺寸為10cm2。其特點是“金屬支撐”技術,即將陶瓷電解質夾在金屬之間。據悉,采用該技術的單電池在世界各地都還未實現應用(圖片:日產汽車)
圖2 用于發電測試的燃料電池模塊
由32片(2片/層×16層)標準單電池堆疊而成。確認該模塊在700℃的工作溫度下輸出功率為104W。該模塊由Atsumitech開發(圖片:日產汽車)
據悉,該模塊輸出密度為327mW/cm2,超額完成了原定目標的312.5mW/cm2(圖3)。此外,本次采用的燃料為純度100%的氫氣。
圖3 發電測試用模塊的輸出特性
以100%氫氣為燃料,在700℃下工作時,記錄到的最高輸出密度為327mW/cm2。未來,日產汽車還計劃使用卡式爐氣罐中使用的丁烷作為燃料進行發電測試。(來源:日產汽車)
日產所開發電池的特點在于其“金屬支撐”技術適于大型化。SOFC采用氧化鋯系陶瓷作為電解質,而“金屬支撐”就是在電解質的上方和下方加設金屬層。陶瓷的熱傳導率低,快速加熱時會發生局部升溫,產生斷裂風險。而金屬支撐結構能夠通過金屬層將熱量擴散,使堆疊多片單電池的大型化SOFC更不易斷裂。金屬材料采用了不銹鋼,具有抗氧化性和高耐熱性。
“陶瓷十分易碎,因此我們使用金屬來支撐它。單電池的厚度是相同的,但通過將陶瓷部分做得更薄,并增加金屬層,使電池能夠應對快速加熱和振動,具備耐沖擊性。”日產綜合研究所電動汽車系統研究所主任研究員鹽見岳史解釋道。
NEDO項目計劃未來對所開發的SOFC模塊進行丁烷氣體發電測試,并對采用SOFC的無人機進行機體設計等。與此同時,為實現SOFC的車載化目標,日產公司計劃另行推進單電池的大型化,并驗證生物乙醇等液體燃料的可用性。
據悉,對于無人機SOFC,目前通過堆疊10cm2的單電池已能夠實現足夠的輸出功率。“但要用于車載電源,至少也需要幾千瓦的輸出功率。根據車輛規格,有時甚至需要10kW以上的輸出功率(加藤)。”燃料電池的確可以通過增加單電池堆疊數量實現更高的輸出功率,然而堆疊太多的小型單電池會產生大面積的無效空間,導致輸出密度降低。因此用于汽車的單電池必須實現大型化。
此外,考慮到使用上的便利性,是否能夠使用液體燃料也極為重要。“液體便于取放,更容易裝載至移動工具。但同時需要增加將液體燃料汽化的過程,所以系統的技術開發難度很高(加藤)。”
翻譯:王京徽
審校:李 涵
統稿:李淑珊
應部分讀者建議,本公眾號現開放投稿,面向企業及科研機構人員征集稿件,可以分享技術信息、學術類論文、科研成果以及研究見解等。
投稿請發送至郵箱:support@aipatent.com(請注明“AIpatent公眾號”來稿)
●固體氧化物燃料電池系統 | 氫能轉換及儲存系統的技術經濟性評價(1)
●固體氧化物燃料電池系統 | 氫能轉換及儲存系統的技術經濟性評價(2)
●用于實現超高電流密度SOFC發電的電極間相互作用和最佳電池結構的研究
●Bloom Energy Japan:革新業務——工業用固體氧化物燃料電池(Bloom能源服務器)的介紹
●基于熒光XAFS的SOFC(固體氧化物燃料電池)燃料極分析
更多精彩內容,歡迎點擊關注!
原文始發于微信公眾號(AIpatent 前沿研發信息介紹平臺):日產選擇SOFC開發方向——采取“先無人機后車載”路線