日本特殊陶業(yè)公司以高效制氫模塊推動(dòng)燃料電池車普及
2014-05-11 19:23:52
admin
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據(jù)日經(jīng)能源環(huán)境網(wǎng)2013年10月31日訊 日本特殊陶業(yè)公司日前開發(fā)出了制氫模塊，這是普及燃料電池車（FCV）不可或缺的加氫站的核心部件。在開發(fā)過程中，日本特殊陶業(yè)充分利用了通過汽車部件領(lǐng)域培養(yǎng)起來的異質(zhì)材料接合等核心技術(shù)。
“2020年東京奧運(yùn)會(huì)的馬拉松比賽很有可能使用以氫為燃料、行駛時(shí)不會(huì)排放二氧化碳的燃料電池車（FCV）作為先導(dǎo)車”，日本特殊陶業(yè)技術(shù)開發(fā)本部研發(fā)中心AD開發(fā)部長伊藤正也充滿期待。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，加氫站不可或缺。伊藤部長就是利用城市燃?xì)獾戎茪涞哪K的開發(fā)負(fù)責(zé)人。
力爭2020年實(shí)現(xiàn)實(shí)用化
2011年1月，豐田汽車公司、日產(chǎn)汽車公司和本田公司這3家汽車廠商與10家能源企業(yè)、共計(jì)13家公司發(fā)表了共同聲明。其內(nèi)容是，到2015年，在以4大城市圏（東京、名古屋、關(guān)西及福岡）為中心的日本國內(nèi)市場率先投放FCV量產(chǎn)車，建立大約100處燃料氫供給基礎(chǔ)設(shè)施，也就是加氫站。
這一階段的加氫站，可以說依然處于實(shí)證實(shí)驗(yàn)水平。伊藤部長稱，日本特殊陶業(yè)目前正以“2020年實(shí)現(xiàn)實(shí)用化”為目標(biāo)進(jìn)行開發(fā)。這是因?yàn)?，該公司認(rèn)為，F(xiàn)CV到那時(shí)將真正開始普及。另外，根據(jù)日本燃料電池實(shí)用化推進(jìn)協(xié)議會(huì)（FCCJ）2010年公布的藍(lán)圖，設(shè)想到2025年，日本國內(nèi)將有200萬輛FCV，按照2000輛使用1處加氫站計(jì)算，共計(jì)將設(shè)置1000個(gè)加氫站。
日本特殊陶業(yè)制定了以“日特進(jìn)化論”為旗號(hào)的中期經(jīng)營計(jì)劃。2010年～2012年的主題是“深化”，2013年～2015年的主題是“新化”，2016年～2018年的主題是“進(jìn)化”，力爭用9年時(shí)間，推動(dòng)現(xiàn)有業(yè)務(wù)和新業(yè)務(wù)取得發(fā)展。繼發(fā)掘自己強(qiáng)項(xiàng)的3年“深化”后，從2013年度開始，進(jìn)入向新產(chǎn)品和新業(yè)務(wù)發(fā)起挑戰(zhàn)的3年“新化”階段。
新產(chǎn)品和新業(yè)務(wù)的重點(diǎn)領(lǐng)域?yàn)榄h(huán)境、能源及新一代汽車。對(duì)與這三個(gè)領(lǐng)域都相關(guān)的氫模塊也寄予厚望。
利用自主開發(fā)的催化劑一體化提高效率
加氫站大致分為現(xiàn)場型及場外型2種。前者是在加氫站對(duì)城市燃?xì)獾冗M(jìn)行重整、制造氫并進(jìn)行供應(yīng)。后者則是將在其他場所制造的氫運(yùn)到加氫站進(jìn)行供應(yīng)。例如，回收及精煉冶煉廠及化工廠等的副產(chǎn)氫并運(yùn)往加氫站。
日本特殊陶業(yè)開發(fā)的制氫模塊用于現(xiàn)場型加氫站。作為日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）的項(xiàng)目之一，日本特殊陶業(yè)一直在與日本東京燃?xì)夤竞献鬟M(jìn)行開發(fā)。該項(xiàng)目結(jié)束于今年3月，但兩家公司的共同開發(fā)仍在繼續(xù)。
制氫模塊（上）。除去右端接頭部分的長度大約為30厘米。
氫通過表面的分離膜抵達(dá)表面，流入安裝在外側(cè)的管道內(nèi)
并被回收。下側(cè)為重整及分離工序概念圖。
該開發(fā)項(xiàng)目的目的在于開發(fā)出新方式，與原有方式相比，使裝置實(shí)現(xiàn)小型輕量化，并降低制造成本，以及提高能源效率。
在原有方式中，對(duì)城市燃?xì)獾冗M(jìn)行重整以獲得氫的裝置與從中分離并提取氫的裝置等是分開的，因而難以實(shí)現(xiàn)裝置的小型輕量化，也不利于降低制造成本。
因此，日本特殊陶業(yè)開發(fā)出了在反應(yīng)管內(nèi)形成氫分離膜，向其中填充粒狀重整催化劑的方式。與原有方式相比，更有利于實(shí)現(xiàn)小型輕量化及降低成本。而且可將重整溫度從原來的700℃～800℃，降至500℃～550℃，低了200℃以上，能源效率得到大幅提高。
不過，這個(gè)方式也存在問題。粒狀重整催化劑會(huì)因受氫分離膜影響等原因而性能下降，無法得到較高的耐久性。
于是日本特殊陶業(yè)對(duì)該方式進(jìn)行改良，開發(fā)出了新方式。使重整催化劑與氫分離膜實(shí)現(xiàn)了一體化。使用鈀（Pd）與銀（Ag）的合金在管狀多孔陶瓷支撐體的表面形成氫分離膜（下方照片及圖）。并在多孔陶瓷上復(fù)合了重整催化劑鎳（Ni）。
充分利用異質(zhì)材料接合的知識(shí)
陶瓷的材質(zhì)使用了釔（Y）和鋯（Zr）的復(fù)合氧化物——釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）。這也是用于固體電解質(zhì)型燃料電池電解質(zhì)及汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氧傳感器等的陶瓷材料。
不過，即使采用這種新方式，要實(shí)現(xiàn)出色的耐久性，也存在幾個(gè)課題。
其中之一就是氫分離膜的氣泡及剝離（上圖照片）。為了解決這個(gè)問題，研發(fā)人員提高了氫分離膜與多孔陶瓷支撐體的粘著力。具體而言，就是擴(kuò)大多孔陶瓷表面的細(xì)孔等，使電鍍于表面的氫分離膜深入細(xì)孔內(nèi)。這樣一來，膜的粘著力得到提高，氣泡及剝離問題得到解決。
另一個(gè)問題在于，原料燃?xì)鈺?huì)從模塊本身與不銹鋼接頭的接合部分泄漏出來（上圖）。這是因?yàn)?，只使用玻璃纖維密封材料并不能得到足夠的密封性，因此研發(fā)人員采用了雙重設(shè)計(jì)，在其中夾上玻璃，提高了密封性。多孔支撐體的強(qiáng)度不足，無法牢牢固定接頭，這也是一個(gè)原因。因此，研發(fā)人員將模塊本身的末端改為沒有細(xì)孔的細(xì)密陶瓷，提高了強(qiáng)度。
在解決這些問題時(shí)，日本特殊陶業(yè)充分利用了其通過汽車部件領(lǐng)域不斷加以“深化”的核心技術(shù)。通過扎扎實(shí)實(shí)逐一解決每個(gè)問題，在今年3月底項(xiàng)目結(jié)束之前，日本特殊陶業(yè)終于解決了實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的基本課題。通過重整城市燃?xì)猥@得的氫純度超過99.99%的目標(biāo)數(shù)值，達(dá)到了99.999%。在8000個(gè)小時(shí)的連續(xù)重整實(shí)驗(yàn)中，所取得氫的純度也沒有下降，證實(shí)制氫模塊具備很高的耐久性。
伊藤部長表示，今后的課題在于“降低成本及實(shí)現(xiàn)長期可靠性”。在降低成本方面，日本特殊陶業(yè)擁有的量產(chǎn)技術(shù)相關(guān)知識(shí)及經(jīng)驗(yàn)備受期待。而對(duì)于長期可靠性，伊藤部長表示：“我們的目標(biāo)是能夠在維持性能的情況下，持續(xù)使用5年到10年左右?！币獙?shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，至少需要相同時(shí)間的試驗(yàn)。距東京奧運(yùn)會(huì)舉行的2020年還有7年時(shí)間，剩余時(shí)間可以說已經(jīng)不多了。