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世界首個(gè)固體氧化物燃料電池?zé)o人機(jī)！已證實(shí)可長(zhǎng)時(shí)間飛行

日本Prodrone株式會(huì)社（以下簡(jiǎn)稱“Prodrone”）、Atsumitec株式會(huì)社（以下簡(jiǎn)稱“Atsumitec”）環(huán)境技術(shù)中心、以及日本國(guó)立研究開發(fā)法人產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（以下簡(jiǎn)稱“產(chǎn)總研”）極限功能材料研究部門在世界上首次證實(shí)了可以長(zhǎng)時(shí)間飛行以及工作的固體氧化物燃料電池（SOFC）無(wú)人機(jī)。

研究團(tuán)隊(duì)此次通過(guò)增大使用液化石油氣（LPG）的SOFC電堆的輸出功率以及減輕重量（單位輸出的重量比以往減少60%），開發(fā)出在空中也能發(fā)電的SOFC系統(tǒng)。由SOFC發(fā)電向無(wú)人機(jī)及其搭載的二次電池提供電力，可以延長(zhǎng)飛行和工作時(shí)間。

另外，還開發(fā)出能在電極內(nèi)部穩(wěn)定地將LPG重整為氫氣和一氧化碳的內(nèi)部重整SOFC技術(shù)，以應(yīng)對(duì)無(wú)人機(jī)電力負(fù)荷波動(dòng)較大的情況。由于其使用通用且便于運(yùn)輸?shù)腖PG，所以即使在氫基礎(chǔ)設(shè)施尚未完善的地區(qū)，也有望在物流、基礎(chǔ)設(shè)施檢查、災(zāi)害應(yīng)對(duì)等領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)。

本研究開發(fā)得到了日本國(guó)立研究開發(fā)法人新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）“實(shí)現(xiàn)機(jī)器人以及無(wú)人機(jī)活躍的節(jié)能社會(huì)項(xiàng)目”的資助。

（文中圖片均來(lái)自雅虎）

近年來(lái)，作為打造新產(chǎn)業(yè)的具體措施之一，人們提出要“創(chuàng)造環(huán)境以便擴(kuò)大無(wú)人機(jī)的工業(yè)用途”。在物流領(lǐng)域，隨著小批量運(yùn)輸?shù)脑黾雍脱b載率的降低，需要提高能源的使用效率；在基礎(chǔ)設(shè)施檢查領(lǐng)域，通過(guò)高效的檢查延長(zhǎng)設(shè)施使用壽命以節(jié)約資源成為緊迫的課題；在災(zāi)害應(yīng)對(duì)領(lǐng)域，需要能夠代替人類迅速進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)受災(zāi)狀況調(diào)查的裝置；在以上這些領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)以及機(jī)器人的活用備受期待。

但是，通常搭載在無(wú)人機(jī)上用作電源的鋰離子聚合物（LiPo）二次電池單位重量的能量密度很小，飛行以及工作時(shí)間僅為15～30分鐘左右。由于無(wú)人機(jī)的耗電量與重量成正比，因此無(wú)法搭載太多二次電池，當(dāng)用于物流領(lǐng)域裝載貨物或用于檢查基礎(chǔ)設(shè)施需要搭載測(cè)定機(jī)器時(shí)，無(wú)人機(jī)的飛行以及工作時(shí)間將變得更短。另外，通常情況下，在發(fā)生災(zāi)難時(shí)，無(wú)法確保電源為二次電池充電。

為了解決這些二次電池的問(wèn)題，日本國(guó)內(nèi)外都在開發(fā)搭載純氫驅(qū)動(dòng)的固體高分子燃料電池（PEFC）的無(wú)人機(jī)，但是還存在諸如在氫基礎(chǔ)設(shè)施不完善的地區(qū)，燃料供應(yīng)困難等問(wèn)題。

Prodrone正在開發(fā)和銷售可用于物流和基礎(chǔ)設(shè)施檢查的工業(yè)用無(wú)人機(jī)。特別是在負(fù)載（最大裝載量）為30kg以上的大型無(wú)人機(jī)，以及搭載有可直接作業(yè)的機(jī)械臂的無(wú)人機(jī)等方面，Prodrone擁有世界領(lǐng)先的技術(shù)。另一方面，產(chǎn)綜研證實(shí)了可使用LPG卡式爐氣罐發(fā)電的SOFC“便攜式燃料電池系統(tǒng)”（2013年1月28日產(chǎn)綜研發(fā)表），并通過(guò)日本國(guó)立研究開發(fā)法人新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（以下簡(jiǎn)稱“NEDO”）的“固體氧化物燃料電池等實(shí)用化推進(jìn)技術(shù)開發(fā)/下一代技術(shù)開發(fā)/微型SOFC型小型發(fā)電機(jī)（2013～2014年度）”項(xiàng)目進(jìn)行了量產(chǎn)化的基礎(chǔ)討論。之后，產(chǎn)綜研和Atsumitec共同開發(fā)出SOFC輸出功率和耐久性得到提高的“小型高功率燃料電池系統(tǒng)”（2017年2月9日產(chǎn)綜研以及Atsumitec發(fā)表）。

此次，在NEDO“活用機(jī)器人以及無(wú)人機(jī)以實(shí)現(xiàn)節(jié)能社會(huì)的項(xiàng)目/提高節(jié)能性能等的研究開發(fā)/實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)的燃料電池?zé)o人機(jī)的研究開發(fā)（2017～2019年度）”的支持下，對(duì)LPG驅(qū)動(dòng)SOFC系統(tǒng)進(jìn)行了更進(jìn)一步的高輸出化與輕量化，并開發(fā)出可應(yīng)對(duì)無(wú)人機(jī)電力負(fù)荷波動(dòng)的內(nèi)部重整SOFC技術(shù)以及可搭載SOFC系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)。

圖1是Atsumitec開發(fā)的安裝在無(wú)人機(jī)上的SOFC電堆的外觀。為了提高單位體積的輸出密度，采用了平板型單電池，其改良了用于集電的部件，使電極單位面積的輸出密度大幅提高至以往的約2倍。

此外，為實(shí)現(xiàn)多個(gè)平板型單電池間的串聯(lián)，單電池之間需要分離燃料和空氣、以及負(fù)責(zé)電連接的隔膜。Atsumitec運(yùn)用其所掌握的金屬加工技術(shù)，通過(guò)改良隔膜的形狀等實(shí)現(xiàn)了輕量化，與2017年發(fā)表的“小型高功率燃料電池系統(tǒng)”相比，單位輸出的重量減少了60%。使用該SOFC電堆的無(wú)人機(jī)總重量可減少數(shù)公斤，從而可節(jié)省電力，有助于實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的飛行和工作。

圖1 安裝在無(wú)人機(jī)上的SOFC電堆外觀

圖2是本次開發(fā)的LPG驅(qū)動(dòng)SOFC系統(tǒng)的外觀。該SOFC系統(tǒng)使用了產(chǎn)綜研開發(fā)的內(nèi)部重整SOFC技術(shù)，其可在電極內(nèi)部將LPG重整為氫或一氧化碳，因此可以直接使用市售的LPG卡式爐氣罐作為燃料，從而在氫基礎(chǔ)設(shè)施未完善的地區(qū)也可以使用。

一般來(lái)說(shuō)，如果將LPG燃料直接供給SOFC，由于LPG的主要成分丁烷等的熱分解，燃料側(cè)的電極（燃料極、負(fù)極）上會(huì)發(fā)生積碳，導(dǎo)致電極性能急劇下降。在2017年發(fā)表的“小型高功率燃料電池系統(tǒng)”中，開發(fā)出在發(fā)電量、工作溫度恒定且沒(méi)有電力負(fù)荷變動(dòng)的條件下能夠抑制積碳、防止電極性能劣化的納米結(jié)構(gòu)電極材料和操作控制技術(shù)。

此次，產(chǎn)綜研新開發(fā)出的內(nèi)部重整SOFC技術(shù)，即使在由于無(wú)人機(jī)的電力負(fù)荷變動(dòng)，導(dǎo)致SOFC的發(fā)電量和工作溫度急劇變化的情況下，電極性能也不會(huì)劣化，這一技術(shù)已應(yīng)用于Atsumitec設(shè)計(jì)的SOFC自啟動(dòng)、發(fā)電、停止控制系統(tǒng)中。由此，即使是電力負(fù)荷變動(dòng)大的無(wú)人機(jī)，也無(wú)需搭載家用燃料電池系統(tǒng)“ENE-FARM”等中使用的外部重整器，有助于系統(tǒng)的簡(jiǎn)化、輕量化。

圖2 LPG驅(qū)動(dòng)SOFC系統(tǒng)的外觀

圖3是飛行試驗(yàn)中的SOFC無(wú)人機(jī)。Prodrone開發(fā)出可搭載LPG驅(qū)動(dòng)SOFC系統(tǒng)并且負(fù)載達(dá)到30kg的無(wú)人機(jī)。為了應(yīng)對(duì)由于搭載了SOFC系統(tǒng)導(dǎo)致的重量增加，Prodrone通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)，盡可能減少了單位重量的耗電量，并保證螺旋槳的振動(dòng)、氣流、起降的沖擊等不會(huì)影響SOFC系統(tǒng)的運(yùn)行。

圖3 飛行試驗(yàn)中的SOFC無(wú)人機(jī)

圖4是以往的無(wú)人機(jī)和SOFC無(wú)人機(jī)的電力供給的示意圖。以往的無(wú)人機(jī)只通過(guò)LiPo二次電池供電，與之相比，SOFC無(wú)人機(jī)在電力負(fù)荷大時(shí)，由SOFC和LiPo二次電池向無(wú)人機(jī)供電，而在電力負(fù)荷小時(shí)由SOFC向LiPo二次電池充電。通過(guò)優(yōu)化SOFC-LiPo二次電池混合動(dòng)力電源系統(tǒng)的輸出控制等，預(yù)計(jì)可使無(wú)人機(jī)的飛行和工作時(shí)間超過(guò)1小時(shí)。SOFC在世界上首次被證實(shí)可以作為高空飛行的無(wú)人機(jī)的電源后，今后有望被廣泛應(yīng)用于各種移動(dòng)物體和機(jī)器人等領(lǐng)域。

圖4 以往的無(wú)人機(jī)和SOFC無(wú)人機(jī)的電力供給模式圖

為了使無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)時(shí)間的飛行以及工作，將繼續(xù)推進(jìn)SOFC系統(tǒng)的高輸出化和輕量化、混合電源系統(tǒng)的優(yōu)化以及無(wú)人機(jī)的省電化等，希望早日實(shí)現(xiàn)可活用于物流、基礎(chǔ)設(shè)施檢查、災(zāi)害應(yīng)對(duì)等領(lǐng)域的SOFC無(wú)人機(jī)的商品化。

◆固體氧化物燃料電池（SOFC）

使用氧化鋯（ZrO₂）和二氧化鈰（CeO₂）等固體氧化物（陶瓷）作為電解質(zhì)的燃料電池。一般在650-800℃的高溫下工作，有望在各種燃料電池中實(shí)現(xiàn)最高的發(fā)電效率。由于在電解質(zhì)內(nèi)傳導(dǎo)的是氧離子（O^2-），所以原理上不僅氫氣，丙烷（C₃H₈）和丁烷（C₄H₁₀）等碳?xì)浠衔镆部梢杂米魅剂?。SOFC是Solid Oxide Full Cell的縮寫。

◆無(wú)人機(jī)

無(wú)人飛機(jī)的通稱。可以用于航空目的，構(gòu)造上不能載人，可以通過(guò)遙控或自動(dòng)操作進(jìn)行飛行，也被稱為UAV（Unmanned Aerial Vehicle）。

◆液化石油氣（LPG）

主要成分是丙烷和丁烷，容易液化，常溫下丙烷的液化氣壓為0.8MPa（8氣壓）、丁烷為0.2MPa（2氣壓）。在日本，通過(guò)家用和商用LPG氣瓶，小型燃燒設(shè)備的卡式爐氣罐以及LPG汽車燃料等形式銷售。

◆SOFC電堆

由多個(gè)SOFC單電池和導(dǎo)電性隔膜交替配置，并經(jīng)過(guò)電氣串聯(lián)的構(gòu)造體。每個(gè)單電池的電壓在1V以下、電流在1～10A左右，通過(guò)串聯(lián)實(shí)現(xiàn)高輸出功率。隔膜還具有分離單電池之間的燃料和空氣的作用。

◆SOFC系統(tǒng)

除SOFC電堆外，還包含用于SOFC電堆保溫的隔熱材料，啟動(dòng)燃燒器，燃料/空氣供給系統(tǒng)（管道，鼓風(fēng)機(jī)（泵）等）和電源控制系統(tǒng)（直流轉(zhuǎn)換器（交流逆變器），控制單元等）。

◆內(nèi)部重整

將LPG等碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)換為易于在燃料電池中化學(xué)反應(yīng)的氫氣（H₂）和一氧化碳（CO）的重整反應(yīng)在電極內(nèi)部進(jìn)行。內(nèi)部重整不會(huì)發(fā)生重整部和燃料電池間的散熱損失，所以發(fā)電效率提高，但是由于在電極內(nèi)部容易發(fā)生積碳導(dǎo)致性能劣化，因此電極的納米結(jié)構(gòu)控制以及燃料組成的控制等技術(shù)至關(guān)重要。

◆鋰聚合物離子（LiPo）二次電池

以鋰離子（Li⁺）為導(dǎo)體，采用凝膠狀聚合物（高分子）作為電解質(zhì)的二次電池。每一個(gè)單電池的電壓為3.7V，相比其他二次電池（鉛蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池等）更易于實(shí)現(xiàn)小型化和輕量化，其被廣泛用作移動(dòng)電話、智能手機(jī)、筆記本電腦等的電源。

◆固體高分子燃料電池（PEFC）

使用具有磺酸基的含氟聚合物等固體聚合物作為電解質(zhì)的燃料電池。一般在室溫-80℃的低溫下工作，多用于燃料電池汽車等。由于電解質(zhì)內(nèi)傳導(dǎo)的是氫離子（質(zhì)子；H⁺），因此通常使用純氫作為燃料。PEFC是Polymer Electrolyte Full Cell的縮寫。

◆平板型單電池

支撐體為板狀的燃料電池單電池。SOFC主要由陶瓷構(gòu)成，除了板狀之外，還開發(fā)出支撐體為圓柱形的管型單電池等各種形狀的SOFC。近年來(lái)，以燃料側(cè)的電極作為支撐體，將高電阻的電解質(zhì)薄膜化的燃料極支撐型電池成為主流。

◆積碳

LPG等碳?xì)浠衔锏臒岱纸馕龀龉腆w碳。碳在SOFC的電極上析出后，將造成電極催化劑的失活以及堵塞燃料通道等，導(dǎo)致發(fā)電性能顯著降低。

◆外部重整

將LPG等碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)換為氫或一氧化碳的重整反應(yīng)在SOFC外部進(jìn)行。在家用燃料電池系統(tǒng)“ENE-FARM”等中，通常在SOFC電堆的前段設(shè)有外部重整器，以防止SOFC電極上發(fā)生積碳導(dǎo)致性能劣化。

翻譯：東雨琦

審校：李涵、賈陸葉

統(tǒng)稿：李淑珊

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