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【材料日报】车用燃料电池量产联合项目、功能氧化物材料新突破、氨燃料电池实现最大规模发电

 前沿材料 2020-09-17

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德国推出为期3年总价值6000万欧元的

车用燃料电池量产联合项目

2017年6月29日,据外媒报道,德国推出为期3年总价值6000万欧元的领先工业公司联盟,旨在研究汽车燃料电池堆的大批量生产技术。“AutoStack-Industrie”项目由联邦运输和数字基础设施部(BMVI)资助,第一年为2130万欧元。


     “AutoStack-Industry”项目是一项德国汽车与供应商的联合举措,其目的是在2020年前,为德国和欧洲商业化燃料电池汽车提供工艺、经济和技术基础。该联盟由宝马公司领导,由德国领先的汽车和燃料电池技术公司组成,包括:宝马公司、戴姆勒公司、REINZ密封有限公司(美国德纳)、福特亚琛研究与创新中心、科德宝高性能材料SE & Co. KG、Greenerity有限公司、NuCellSys有限公司、瑞典电力公司、优美科AG & Co. KG、大众汽车公司、德国巴登符腾堡太阳能和氢能源研究中心(ZSW)。

该项目将创建通用规范,从中衍生堆栈和组件设计,并构建一个原型堆栈。同时,该项目正在研究一种适用于可规模化的、灵活的量产工厂的技术,并达到年产3万块燃料电池的目的。为了实现这一目标,必须对大约2500万个单独的组件进行检查、加工和封装,使得组件之间不会发生偏移,并且组件之间不会在0.5秒的循环时间内发生泄漏,精度高达0.1毫米。

 这种生产的关键过程是部分柔软以及部分处于机械应力下的组件的自动化高精度夹持、转移、定位以及放置技术。灵活的系统设计可用于生产功率范围为10至150 kW的堆叠,其寿命至少为5500小时。

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美国布鲁克海文国家实验室

功能氧化物材料领域取得新突破

2017年7月3日,美国布鲁克海文国家实验室(BNL)官网公布消息称,研发人员发现了一种新机制,一种提高材料导电性以及诱导潜在超导性的新方法。研发成果发表在“Quantum Materials”上。

 ▲实验室研发人员

超导材料具有零电阻的特性,效率可以达到100%。但是这种特性只能在极低的温度下实现,这对绝大多数大型应用来说不易实现。实验室研发人员利用电解质门控(electrolyte gating)的方法,对氧化钨材料的超导性进行了研究。采用此种技术,带电荷的化合物将具有相反电荷的离子彼此分开,产生强大的电场并提高材料的电导率。传统的化学掺杂技术虽然生产效率高,但对于找到具有有用特性的新材料并不高效。因为掺杂材料的电导率是固定的,如果研发人员想在不同条件下测试材料,则不易实现。

BNL研发人员Tony Bollinger说:“电解质门控方法可以让您调整材料。您可以先制作一个样本,然后在测试时持续地调整或改变。它可以帮您省去重复操作并可以合成新材料。”

到目前为止,电解质门控方法的机制尚未完全了解。然而BNL研发团队发现了一种全新机制,氢气起着关键作用。研发人员能够监测相关区域的电阻,在区域内发现了电阻下降和正电荷的迁移基于电荷移动的距离,研发人员能够确定氢原子通过氧化钨移动。未来,研发人员认为电解质门控方法可作为化学掺杂更有效的替代技术,并可加速发现新型超导材料的过程。

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日本京都大学等成功使用氨燃料电池

实现全球最大规模(1kW)发电

2017年7月3日,由日本京都大学、株式会社则武、株式会社IHI、株式会社日本触媒、株式会社丰田自动织机、三井化学株式会社、株式会社德山组成的研究团队宣布成功使用以氨为直接燃料的固体氧化物燃料电池(SOFC)实现了全球最大规模(1kW级别)的发电。

氨(NH3)自身含有很多氢元素,是一种备受期待的能源载体

此次研究团队使用的直接供氨式燃料电池原理如下图1所示,电解质氧化锆的其中一面安装了燃料极,氨气从这里直接供应,而另一面安装的空气极则负责供应空气,由此两极之间便会产生电力。此前研究团队曾利用该燃料电池进行过小规模的发电试验,但是此次的技术可以将30块单个燃料电池进行层压,将温度分布控制在最小,使氨气可以均匀通过每块电池,从而能够直接为接近实用规模的1kW级SOFC堆栈提供氨气,并最终实现发电

直接供氨式SOFC原理①

而且研究人员还确认,直接供应氨气燃料进行发电的性能可达到供应纯氢气的发电性能水平。另外,该燃料电池的直流发电效率在1kW的规模下还可以超过50%,甚至还成功在1kW级评估系统内稳定连续运转了1000小时

为了提供独特的燃料供应方式,研究团队开发了可将氨气与空气的混合气体供应给蜂窝结构催化剂并进行部分燃烧的催化剂以及自热反应器(autothermal reactor,如下图2)。该反应器可在130秒内快速启动并达到500℃的出口气体温度。由反应器生成的、含有氢气的混合气体会供应给SOFC堆栈使用,研究人员在这种燃料供应方式下成功实现了1kW级的发电

▲1kW级SOFC用自热反应器②

▲此次开发的1kW级SOFC堆栈外观③

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