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本文3675字，阅读约需9分钟 摘 要：研究团队通过增大使用液化石油气的SOFC电堆的输出功率以及减轻重量，开发出在空中也能发电的SOFC系统，使得无人机可以飞行以及工作更长时间。 关键字：固体氧化物燃料电池无人机、LPG、SOFC电堆、SOFC系统、锂聚合物离子（LiPo）二次电池 世界首个固体氧化物燃料电池无人机！已证实可长时间飞行 ➤通过提高燃料电池输出功率以及减轻重量，实现了比以往可以更长时间飞行以及工作的无人机。 ➤开发出LPG内部重整固体氧化物燃料电池技术，适用于电力负荷波动较大的无人机。 ➤期待在氢基础设施尚未完善的地域，应用于物流、基础设施检查、灾害对应等领域。 日本Prodrone株式会社（以下简称“Prodrone”）、Atsumitec株式会社（以下简称“Atsumitec”）环境技术中心、以及日本国立研究开发法人产业技术综合研究所（以下简称“产总研”）极限功能材料研究部门在世界上首次证实了可以长时间飞行以及工作的固体氧化物燃料电池（SOFC）无人机。 研究团队此次通过增大使用液化石油气（LPG）的SOFC电堆的输出功率以及减轻重量（单位输出的重量比以往减少60%），开发出在空中也能发电的SOFC系统。由SOFC发电向无人机及其搭载的二次电池提供电力，可以延长飞行和工作时间。 另外，还开发出能在电极内部稳定地将LPG重整为氢气和一氧化碳的内部重整SOFC技术，以应对无人机电力负荷波动较大的情况。由于其使用通用且便于运输的LPG，所以即使在氢基础设施尚未完善的地区，也有望在物流、基础设施检查、灾害应对等领域做出贡献。 本研究开发得到了日本国立研究开发法人新能源产业技术综合开发机构（NEDO）“实现机器人以及无人机活跃的节能社会项目”的资助。
（文中图片均来自雅虎） 近年来，作为打造新产业的具体措施之一，人们提出要“创造环境以便扩大无人机的工业用途”。在物流领域，随着小批量运输的增加和装载率的降低，需要提高能源的使用效率；在基础设施检查领域，通过高效的检查延长设施使用寿命以节约资源成为紧迫的课题；在灾害应对领域，需要能够代替人类迅速进行现场受灾状况调查的装置；在以上这些领域，无人机以及机器人的活用备受期待。 但是，通常搭载在无人机上用作电源的锂离子聚合物（LiPo）二次电池单位重量的能量密度很小，飞行以及工作时间仅为15～30分钟左右。由于无人机的耗电量与重量成正比，因此无法搭载太多二次电池，当用于物流领域装载货物或用于检查基础设施需要搭载测定机器时，无人机的飞行以及工作时间将变得更短。另外，通常情况下，在发生灾难时，无法确保电源为二次电池充电。 为了解决这些二次电池的问题，日本国内外都在开发搭载纯氢驱动的固体高分子燃料电池（PEFC）的无人机，但是还存在诸如在氢基础设施不完善的地区，燃料供应困难等问题。 Prodrone正在开发和销售可用于物流和基础设施检查的工业用无人机。特别是在负载（最大装载量）为30kg以上的大型无人机，以及搭载有可直接作业的机械臂的无人机等方面，Prodrone拥有世界领先的技术。另一方面，产综研证实了可使用LPG卡式炉气罐发电的SOFC“便携式燃料电池系统”（2013年1月28日产综研发表），并通过日本国立研究开发法人新能源产业技术综合开发机构（以下简称“NEDO”）的“固体氧化物燃料电池等实用化推进技术开发/下一代技术开发/微型SOFC型小型发电机（2013～2014年度）”项目进行了量产化的基础讨论。之后，产综研和Atsumitec共同开发出SOFC输出功率和耐久性得到提高的“小型高功率燃料电池系统”（2017年2月9日产综研以及Atsumitec发表）。 此次，在NEDO“活用机器人以及无人机以实现节能社会的项目/提高节能性能等的研究开发/实现长时间作业的燃料电池无人机的研究开发（2017～2019年度）”的支持下，对LPG驱动SOFC系统进行了更进一步的高输出化与轻量化，并开发出可应对无人机电力负荷波动的内部重整SOFC技术以及可搭载SOFC系统的无人机。 图1是Atsumitec开发的安装在无人机上的SOFC电堆的外观。为了提高单位体积的输出密度，采用了平板型单电池，其改良了用于集电的部件，使电极单位面积的输出密度大幅提高至以往的约2倍。 此外，为实现多个平板型单电池间的串联，单电池之间需要分离燃料和空气、以及负责电连接的隔膜。Atsumitec运用其所掌握的金属加工技术，通过改良隔膜的形状等实现了轻量化，与2017年发表的“小型高功率燃料电池系统”相比，单位输出的重量减少了60%。使用该SOFC电堆的无人机总重量可减少数公斤，从而可节省电力，有助于实现长时间的飞行和工作。
图1 安装在无人机上的SOFC电堆外观 图2是本次开发的LPG驱动SOFC系统的外观。该SOFC系统使用了产综研开发的内部重整SOFC技术，其可在电极内部将LPG重整为氢或一氧化碳，因此可以直接使用市售的LPG卡式炉气罐作为燃料，从而在氢基础设施未完善的地区也可以使用。 一般来说，如果将LPG燃料直接供给SOFC，由于LPG的主要成分丁烷等的热分解，燃料侧的电极（燃料极、负极）上会发生积碳，导致电极性能急剧下降。在2017年发表的“小型高功率燃料电池系统”中，开发出在发电量、工作温度恒定且没有电力负荷变动的条件下能够抑制积碳、防止电极性能劣化的纳米结构电极材料和操作控制技术。 此次，产综研新开发出的内部重整SOFC技术，即使在由于无人机的电力负荷变动，导致SOFC的发电量和工作温度急剧变化的情况下，电极性能也不会劣化，这一技术已应用于Atsumitec设计的SOFC自启动、发电、停止控制系统中。由此，即使是电力负荷变动大的无人机，也无需搭载家用燃料电池系统“ENE-FARM”等中使用的外部重整器，有助于系统的简化、轻量化。
图2 LPG驱动SOFC系统的外观 图3是飞行试验中的SOFC无人机。Prodrone开发出可搭载LPG驱动SOFC系统并且负载达到30kg的无人机。为了应对由于搭载了SOFC系统导致的重量增加，Prodrone通过巧妙设计，尽可能减少了单位重量的耗电量，并保证螺旋桨的振动、气流、起降的冲击等不会影响SOFC系统的运行。
图3 飞行试验中的SOFC无人机 图4是以往的无人机和SOFC无人机的电力供给的示意图。以往的无人机只通过LiPo二次电池供电，与之相比，SOFC无人机在电力负荷大时，由SOFC和LiPo二次电池向无人机供电，而在电力负荷小时由SOFC向LiPo二次电池充电。通过优化SOFC-LiPo二次电池混合动力电源系统的输出控制等，预计可使无人机的飞行和工作时间超过1小时。SOFC在世界上首次被证实可以作为高空飞行的无人机的电源后，今后有望被广泛应用于各种移动物体和机器人等领域。
图4 以往的无人机和SOFC无人机的电力供给模式图 为了使无人机实现更长时间的飞行以及工作，将继续推进SOFC系统的高输出化和轻量化、混合电源系统的优化以及无人机的省电化等，希望早日实现可活用于物流、基础设施检查、灾害应对等领域的SOFC无人机的商品化。 ◆固体氧化物燃料电池（SOFC） 使用氧化锆（ZrO2）和二氧化铈（CeO2）等固体氧化物（陶瓷）作为电解质的燃料电池。一般在650-800℃的高温下工作，有望在各种燃料电池中实现最高的发电效率。由于在电解质内传导的是氧离子（O2-），所以原理上不仅氢气，丙烷（C3H8）和丁烷（C4H10）等碳氢化合物也可以用作燃料。SOFC是Solid Oxide Full Cell的缩写。 ◆无人机 无人飞机的通称。可以用于航空目的，构造上不能载人，可以通过遥控或自动操作进行飞行，也被称为UAV（Unmanned Aerial Vehicle）。 ◆液化石油气（LPG） 主要成分是丙烷和丁烷，容易液化，常温下丙烷的液化气压为0.8MPa（8气压）、丁烷为0.2MPa（2气压）。在日本，通过家用和商用LPG气瓶，小型燃烧设备的卡式炉气罐以及LPG汽车燃料等形式销售。 ◆SOFC电堆 由多个SOFC单电池和导电性隔膜交替配置，并经过电气串联的构造体。每个单电池的电压在1V以下、电流在1～10A左右，通过串联实现高输出功率。隔膜还具有分离单电池之间的燃料和空气的作用。 ◆SOFC系统 除SOFC电堆外，还包含用于SOFC电堆保温的隔热材料，启动燃烧器，燃料/空气供给系统（管道，鼓风机（泵）等）和电源控制系统（直流转换器（交流逆变器），控制单元等）。 ◆内部重整 将LPG等碳氢化合物转换为易于在燃料电池中化学反应的氢气（H2）和一氧化碳（CO）的重整反应在电极内部进行。内部重整不会发生重整部和燃料电池间的散热损失，所以发电效率提高，但是由于在电极内部容易发生积碳导致性能劣化，因此电极的纳米结构控制以及燃料组成的控制等技术至关重要。 ◆锂聚合物离子（LiPo）二次电池 以锂离子（Li+）为导体，采用凝胶状聚合物（高分子）作为电解质的二次电池。每一个单电池的电压为3.7V，相比其他二次电池（铅蓄电池、镍镉电池、镍氢电池等）更易于实现小型化和轻量化，其被广泛用作移动电话、智能手机、笔记本电脑等的电源。 ◆固体高分子燃料电池（PEFC） 使用具有磺酸基的含氟聚合物等固体聚合物作为电解质的燃料电池。一般在室温-80℃的低温下工作，多用于燃料电池汽车等。由于电解质内传导的是氢离子（质子；H+），因此通常使用纯氢作为燃料。PEFC是Polymer Electrolyte Full Cell的缩写。 ◆平板型单电池 支撑体为板状的燃料电池单电池。SOFC主要由陶瓷构成，除了板状之外，还开发出支撑体为圆柱形的管型单电池等各种形状的SOFC。近年来，以燃料侧的电极作为支撑体，将高电阻的电解质薄膜化的燃料极支撑型电池成为主流。 ◆积碳 LPG等碳氢化合物的热分解析出固体碳。碳在SOFC的电极上析出后，将造成电极催化剂的失活以及堵塞燃料通道等，导致发电性能显著降低。 ◆外部重整 将LPG等碳氢化合物转换为氢或一氧化碳的重整反应在SOFC外部进行。在家用燃料电池系统“ENE-FARM”等中，通常在SOFC电堆的前段设有外部重整器，以防止SOFC电极上发生积碳导致性能劣化。 翻译：东雨琦 审校：李涵、贾陆叶 统稿：李淑珊  |
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