mile米乐中国官方网站 开发紧凑型高功率燃料电池系统

国立产业技术综合研究所［中钵良二会长］（以下简称“AIST”）无机功能材料研究部[研究部部长Masanobu Awano]功能集成技术组首席研究员Hiroshi Sumi和Atsumi Tech Co, Ltd[代表董事Kazumi Nakajima]（以下简称“Atsumi Tech”）正在共同致力于紧凑型高功率燃料电池系统

　固体氧化物燃料电池 (SOFC)内部即时高效地生产液化石油气（LPG）部分氧化改性和乙醇蒸汽重整提高发电系统的输出和耐用性。预计这不仅可用于灾难等紧急用途，还可作为移动增程器、机器人、无人机等的常规电源。

　该技术的详细内容将于2017年2月15日至17日在东京有明国际展览中心（东京江东区）举办的“nano tech 2017第16届国际纳米技术展览会暨技术大会”的AIST展位上进行展示。

新开发的紧凑型大功率燃料电池系统外观及应用图

　SOFC有望成为燃料电池中发电效率最高的。近年来，户用热电联产系统“Ene-Farm”已实现商业化，商业发电系统也正在开发中。然而，迄今为止的研究和开发主要集中在固定系统上，在大多数情况下，主要成分是甲烷的城市煤气被用作燃料。 AIST 一直在开发一种方便的燃料电池系统，可以使用液化石油气发电，作为灾难和紧急电源。近年来，随着物联网设备、移动物体的增程器、机器人和无人机的开发和普及，人们需要更紧凑、高输出的可以使用液体燃料发电的SOFC。

　产业技术综合研究所在新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的“陶瓷反应器开发（2005-2005财年）”项目中，开发出了可在400～600℃的低温下工作的微型管SOFC。2009 年 9 月 10 日 AIST 新闻稿）和日本科学技术振兴机构国家研究开发机构Atsumi Tech（以下简称“JST”）共同参与了“热电协同废气发电系统（2006-2011财年）”项目，该项目开发了一种发电系统，该系统结合了以废气中未燃烧成分为燃料的SOFC和由废气热驱动的热电元件（5月7日， 2013）。 JST 新闻稿）。此外，我们还展示了一种“便捷的燃料电池系统”，可以使用液化石油气卡式钢瓶发电（2013 年 1 月 28 日 AIST 新闻稿)，在NEDO项目“促进固体氧化物燃料电池等实用化的技术开发/下一代技术的开发/微型SOFC型小型发电机（2013-2019财年）”中，进行了面向量产的基础研究。利用这些成果，我们现在与 Atsumi Tech 合作开发了一种“紧凑型高功率燃料电池系统”，具有更高的输出和耐用性。

　LPG主要成分之一的丁烷直接供给SOFC时，在燃料侧电极（燃料电极、负极）上发生热分解碳沉积发生并且电极性能迅速恶化。在2013年开发的便携式燃料电池系统中，我们开发了可以抑制积碳的燃料电极，我们开发了可以抑制积碳的燃料电极。直接发电可能的。然而，在低于600摄氏度的低温下，电极活性会降低，因此，为了从方便使用的几十瓦扩大到常规电源所需的100至几百瓦，必须在电极反应快速有效地进行的高温下工作。另一方面，在650℃以上的高温下，碳的析出速率超过氧化速率，特别是氧离子（O^2-)的电极表面会发生因碳析出而导致的劣化(图1(a))。这次，我们开发了一种纳米结构电极材料（图1（b）），通过同时供应丁烷等碳氢化合物燃料和空气，可以将其部分氧化成氢气、一氧化碳等。此外，通过开发优化重整条件的运行控制技术，在电极表面或燃料引入部分没有观察到积碳（图2），并获得了连续发电数百小时（图3（a））和重复启动和关闭数百次（图3（b））的前景。此外，由于新开发的电极不使用铂等贵金属催化剂，聚合物电解质燃料电池（PEFC）这是一个问题一氧化碳中毒没有出现问题。而且，内部重整产生的一氧化碳在发电过程中被氧化成二氧化碳，废气中一氧化碳的浓度极低。纳米结构电极材料和运行控制技术使得在650摄氏度以上的温度下发电成为可能，与传统直接发电相比，发电量约为三倍。每体积的输出密度也大约高出三倍，从而形成可以提供高输出的紧凑型燃料电池模块。

图1直接发电与内部重整发电原理

图2 碳氢燃料（丁烷）部分氧化重整条件优化之前（左）和之后（右）的电池外观 在优化重整条件之前，在燃料引入部分（照片右侧）出现碳沉淀。

图3 通过优化修改条件提高耐久性 重整条件1是条件优化前，重整条件2是条件优化后。 即使在数百小时的连续发电(a)和数百次的重复启动和停止(b)之后，电压下降仍被抑制。

　我们还尝试使用乙醇等液体燃料发电。乙醇在常温常压下为液体，可以通过不可食用的植物生物质或以二氧化碳为原料的人工光合作用生产，因此近年来作为碳中性燃料引起了人们的关注。然而，乙醇燃料的积碳速度比丁烷燃料快，无法直接发电。由于乙醇是水溶性的，因此可以与水同时供给进行蒸汽重整，但条件的优化更为重要。这次，我们找到了不会因碳沉积而导致纳米结构电极劣化的条件，并证明即使使用乙醇燃料也能连续发电数百小时以上。

图4 紧凑型高功率燃料电池系统外观（左）和发电性能（右）

图5 通过提高工作温度提高燃料电池模块的输出

根据这些结果，100 W 级燃料电池模块并开发了紧凑型高功率燃料电池系统（图4）。由于燃料在电极内部进行重整，因此即使在超过 650 摄氏度的高温下也可以发电，电极反应瞬间高效地进行，使每个相同尺寸的燃料电池模块的输出从几十瓦到 100 瓦增加约三倍（图 5）。通过安装多个燃料电池模块，可以将燃料电池系统扩展到数百瓦至数千瓦。新开发的燃料电池系统在电极内部对燃料进行重整，并配备启动燃烧器，因此不需要外部重整器或外部电源来启动，并且绝缘等部件的布置经过优化，使其极其紧凑。预计它不仅可用于灾难等紧急用途，还可作为广泛市场的常规电源，包括安装空间受到严格限制的移动范围扩展器、机器人、无人机等。

　利用剩余的可再生能源进一步减少温室气体排放能量载体之类的形式有效利用。未来，我们将继续考虑进一步扩大燃料种类、提高燃料电池模块的产量以及提高耐用性。此外，我们还将进行示范测试，将新开发的燃料电池模块和燃料电池系统技术转让给企业，并在各种应用中推广使用。

◆燃料电池系统

包括鼓风机（泵）和启动燃烧器，用于向发电模块供应燃料和空气，以及它们的控制机构。[返回来源]

◆固体氧化物燃料电池（SOFC）

氧化锆 (ZrO₂) 和西莉亚 (CeO₂））作为电解质的燃料电池。它们一般在600至800摄氏度的高温下运行，预计在所有类型的燃料电池中具有最高的发电效率。氧离子 (O^2-) 可以导电，因此原则上不仅是氢气，还有丁烷 (C₄H₁₀)和乙醇(C₂H₅OH)也可用作燃料。 SOFC 代表固体氧化物燃料电池。[返回来源]

◆部分氧化改性

通过部分氧化碳氢化合物，氢气 (H₂）和一氧化碳（CO），它们可以重整成可用于 SOFC 的气体。丁烷部分氧化重整时，化学反应式为C₄H₁₀＋2O₂→5H₂+4CO。[返回来源]

◆蒸汽重整

带有蒸汽的酒精 (H₂O)重整为氢气、一氧化碳等。乙醇进行水蒸气重整时，化学反应式为C₂H₅OH＋H₂O→4H₂+2CO。[返回来源]

◆碳沉淀

由于碳氢化合物和醇的热分解而产生固体碳的沉淀。当碳沉积在SOFC电极上时，由于电极催化剂失活和燃料流路堵塞，发电性能显着降低。[返回来源]

◆直接发电

由电解质提供的氧离子对碳氢化合物进行直接电化学氧化以获得电能。在丁烷直接发电的情况下，半电池反应方程为C₄H₁₀＋13O^2-→5H₂O＋4CO₂+26e^-[返回来源]

◆聚合物电解质燃料电池（PEFC）

一种使用含氟聚合物膜作为电解质的燃料电池。通常，它们在室温至80摄氏度的低温下运行，用于家用燃料电池系统和燃料电池汽车。电解质中的质子 (H⁺)进行传导，并使用铂等贵金属催化剂在低温下引起电极反应。 PEFC 代表聚合物电解质燃料电池。[返回来源]

◆一氧化碳中毒

当将含有一氧化碳的气体供给到PEFC中使用的铂等贵金属催化剂时，一氧化碳会强烈吸附在催化剂表面上，并抑制氢电离等电极反应。在PEFC中，除了外部重整器之外，还需要使用CO变换器供给将一氧化碳浓度降低到10ppm以下的纯氢作为燃料。[返回来源]

◆燃料电池模块

SOFC 每个电池的电压为1V，输出约为1至10W，因此多个电池电连接以获得高电压和高输出。它还具有向多个电池均匀供应燃料和空气的功能。[返回来源]

◆能量载体

为了平滑太阳能和风能等可再生能源的产量波动，多余的能源被转化为氨或甲醇等化学能，从而更容易储存和运输。 SOFC不仅可以利用能量载体发电，还可以通过逆反应产生能量载体，因此有望在许多领域得到应用。[返回来源]