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摘 要：日产正通过新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的产官学合作研究开发项目，与Prodrone、Atsumitec等企业联手，开发用于无人机的SOFC电堆，其最终目标是实现车载SOFC的开发。由于与无人机用SOFC的要求及特征类似，因此日产计划先通过无人机提升技术，以期未来实现车载应用。
关键字：固体氧化物型燃料电池、车载SOFC、燃料电池模块、SOFC电堆、金属支撑技术
“固体氧化物型燃料电池（SOFC）是一种填充液体燃料并高效率发电的电池，如果它能够实现应用，将为汽车这种移动交通工具再添一种可用的能源。”（日产汽车电动汽车系统研究所主管研究员加藤崇）
日产汽车正致力于开发SOFC，以期在未来实现其车载应用。区别于丰田汽车的燃料电池汽车（FCV）“MIRAI”以及韩国现代汽车的的燃料电池汽车“NEXO”所采用的固体高分子型燃料电池（PEFC），SOFC是基于不同技术的电源。
SOFC采用氧化锆基陶瓷作为电解质，而PEFC则采用固体高分子膜。相较工作温度为70-90℃的PEFC，SOFC的工作温度更高，为600-1000℃，因此SOFC能够对燃料进行内部重整，并可以使用乙醇等液体作为燃料。SOFC的理论发电效率也更高，为40-65%，而PEFC则为30-40%。
目前FCV以氢气为燃料，因此需要搭载70MPa（兆帕）或其他规格的高压罐，导致安全措施成本升高，且不得不牺牲一部分车内空间。同时，该技术的推广还面临一个巨大的挑战，即需要完善加氢站等高成本基础设施建设。
采用SOFC有望解决FCV目前存在的问题，因此日产对SOFC寄予厚望。但尽管当下部分SOFC已作为固定电源投入使用，但若要将其用于车载电源，同样还需解决不少问题。
加藤先生说明了SOFC面临的问题：“由于SOFC的工作温度高，因此启动较为耗时，而在汽车应用中启动时间不能过长，因此车载SOFC需要具备更高的耐久性，即使快速加热也不能现故障。此外，要应用于汽车，还需在尺寸、重量、单位重量的能量密度等方面进行大幅优化。
因此，日产正通过新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的“解决共性问题并实现燃料电池等技术应用的飞跃性扩大的产官学合作研究开发项目”，与Prodrone（名古屋市）、Atsumitec（滨松市）、Integration Technology（埼玉县和光市）等企业联手，开发用于无人机的SOFC电堆。该项目的目标是实现可长时间飞行、具备高有效载荷的SOFC无人机的实用化，建立用途可拓展的共性技术。
“在海外，搭载PEFC的无人机已经投入使用，但PEFC很难实现大型化。SOFC的效率比PEFC高25%，而且它基于陶瓷，因此具备更高的轻量化潜力。还有一个优势，就是陶瓷技术是日本的看家本领，所以能实现日本制造。”（Prodrone常务董事市原和雄）
那么为何日产要参与无人机的开发？“其实我们的设想并不是开发无人机或eVTOL（电动垂直起降）飞机用电源，而是对这种移动体的能源感兴趣。对无人机来说，单位重量的输出功率非常重要，这一点与汽车十分相似。而且它是一个独立的系统，不能像固定电源那样通过管道供应氢气，这一点也很相似（加藤）。”换言之，日产的最终目标是实现车载SOFC的开发，而由于无人机用SOFC的要求及特征类似，因此日产计划先通过无人机提升其技术。
在本次NEDO的项目中，日产负责SOFC单电池的原型开发和分析等工作；Atsumitech负责SOFC模块及系统等的开发；Prodrone公司则负责评估SOFC在无人机上的搭载性。
无人机有很多种类，包括从小型无人机到超大型无人机，而该项目针对的是中大型无人机。这是由于此类无人机的功率输出和重量之间的平衡更能凸显采用燃料电池的优势。具体而言，起飞重量为11.5kg，最大有效载荷为2kg的中型机，其燃料电池堆的重量为5kg，输出功率为1.3kW。而对于大型机，预设的起飞重量为30kg，有效载荷为8kg，电堆重量为12kg，输出功率为3.3kW。
该项目计划于2021年8月开始，于2023年3月底结束（根据进展情况或将延长两年）。2022年7月，项目报告了截止到目前的开发成果。
根据成果报告书，日产开发了10cm2的SOFC单电池（图1）。而Atsumitech将32片（2片/层×16层）该单电池进行堆叠，开发出了SOFC模块，并确认了其发电功率为104W（图2）。
图1 日产公司开发的SOFC标准单电池
尺寸为10cm2。其特点是“金属支撑”技术，即将陶瓷电解质夹在金属之间。据悉，采用该技术的单电池在世界各地都还未实现应用（图片：日产汽车）
图2 用于发电测试的燃料电池模块
由32片（2片/层×16层）标准单电池堆叠而成。确认该模块在700℃的工作温度下输出功率为104W。该模块由Atsumitech开发（图片：日产汽车）
据悉，该模块输出密度为327mW/cm2，超额完成了原定目标的312.5mW/cm2（图3）。此外，本次采用的燃料为纯度100%的氢气。
图3 发电测试用模块的输出特性
以100%氢气为燃料，在700℃下工作时，记录到的最高输出密度为327mW/cm2。未来，日产汽车还计划使用卡式炉气罐中使用的丁烷作为燃料进行发电测试。（来源：日产汽车）
日产所开发电池的特点在于其“金属支撑”技术适于大型化。SOFC采用氧化锆系陶瓷作为电解质，而“金属支撑”就是在电解质的上方和下方加设金属层。陶瓷的热传导率低，快速加热时会发生局部升温，产生断裂风险。而金属支撑结构能够通过金属层将热量扩散，使堆叠多片单电池的大型化SOFC更不易断裂。金属材料采用了不锈钢，具有抗氧化性和高耐热性。
“陶瓷十分易碎，因此我们使用金属来支撑它。单电池的厚度是相同的，但通过将陶瓷部分做得更薄，并增加金属层，使电池能够应对快速加热和振动，具备耐冲击性。”日产综合研究所电动汽车系统研究所主任研究员盐见岳史解释道。
NEDO项目计划未来对所开发的SOFC模块进行丁烷气体发电测试，并对采用SOFC的无人机进行机体设计等。与此同时，为实现SOFC的车载化目标，日产公司计划另行推进单电池的大型化，并验证生物乙醇等液体燃料的可用性。
据悉，对于无人机SOFC，目前通过堆叠10cm2的单电池已能够实现足够的输出功率。“但要用于车载电源，至少也需要几千瓦的输出功率。根据车辆规格，有时甚至需要10kW以上的输出功率（加藤）。”燃料电池的确可以通过增加单电池堆叠数量实现更高的输出功率，然而堆叠太多的小型单电池会产生大面积的无效空间，导致输出密度降低。因此用于汽车的单电池必须实现大型化。
此外，考虑到使用上的便利性，是否能够使用液体燃料也极为重要。“液体便于取放，更容易装载至移动工具。但同时需要增加将液体燃料汽化的过程，所以系统的技术开发难度很高（加藤）。”
翻译：王京徽
审校：李 涵
统稿：李淑珊
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