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第二十三期 2006/03/13 [回上頁]

燃料電池展

直徑不到1mm的圓筒形SOFC 方糖大小功率7W～15W

【日經BP社】 2006/01/30

日本產綜研綜合研究所日前開發成功了可在+600℃以下工作的、直徑不到1mm的圓筒形固體氧化物燃料電池（SOFC）。與原來的SOFC相比，能夠在200℃左右的溫度下發電，因此可用作汽車輔助電源、家用燃料電池以及筆記本電腦等便攜設備的電源。原來的SOFC的工作溫度高達+800℃左右，需要較大的容積來隔熱，此外，由於採用的是鎳合金等耐高溫材料，所以成本較高，使用領域也有限。此次是業界首次試製出直徑不到1mm的SOFC。

圖1：此次試製的圓筒形SOFC

圖2：發電試驗結果

此次試製的SOFC是直徑為0.8mm～1.6mm、長1cm的圓筒形電池單元（圖1）。電解質材料採用離子傳導率較高的二氧化鈰（Ceria）陶瓷。製造方法是：首先通過鎳-二氧化鈰（nickel-ceria）材料“NiO/CGO（CeGdO 2 ）”的衝壓成形製成燃料極。然後在外側用料漿涂裝法（Slurry Coat Method）涂布CeGdO 2 形成電解質。最後對氧化鑭-鈷-二氧化鈰（Lanthan-Cobalt-Ceria）材料“LSCF（LaSrCoFeO 3 ）”進行涂布形成空氣極，這樣就製成了電池單元。另外，在此次的試製中每道工序均進行了燒結。

　　此次試製的直徑為1.6mm的電池單元在+450℃～+570℃的範圍內工作時，可實現0.17W/cm 2 ～1W/cm 2 的功率輸出密度（圖2）。這一數值在此前採用二氧化鈰陶瓷的SOFC的單位面積輸出密度中為全球最高。

　　產綜研今後將進行通過集成多個電池單元製成電池模組後來使用的開發。在使用直徑為0.8mm的SOFC時，每1cm 3 可集成大約100個電池單元，在+500℃的工作溫度下可輸出7W的功率，而在+550℃的工作溫度下則可獲得15W的輸出功率。這相當於能夠利用方糖大小的電池組來充分驅動筆記本電腦的功率。作為今後的計劃，該公司希望實現超過2W/cm 2 的功率輸出密度以及電池模組每L為2kW的輸出功率。

　　此次開發的電池單元不僅可用作燃料電池，而且在電池單元中通過電流後，還可實現能夠去除氮氧化物（NOx）的催化劑功能。因此，該公司打算面向從2009年開始實施嚴格規定的柴油車開展業務。另外，此次的開發同時也是日本新能源產業技術綜合開發機構扶持項目“陶瓷反應器（Ceramics Cobalt）開發”的一項成果。

可樂麗DMFC新型電解質膜材料技術提高離子通道連續性

【日經BP社】 2006/01/31

日本可樂麗（Kuraray）在“第2屆國際氫·燃料電池展”（2006年1月25～27日，東京BigSight）上，介紹了2006年1月24日發表的、甲醇滲透比原氟類電解質膜減少40%的DMFC新型碳化氫電解質膜的部分材料技術。內容是以納米級水準對氫離子的通道（離子通道）這一構造進行控制。

圖1：左側為新開發的新型碳化氫電解質膜的TEM圖像（透射電子顯微鏡照片），右側為原來的氟類電解質膜。雖然不知道比便尺，不過可以清楚地看出，新開發電解質膜的離子通道（黑色部分）具有更高的連續性。	該電解質聚合物的構成方面，除表示採用了“碳化氫熱可塑樹脂”外，並未透露其他任何內容。也未表示是否含有芳香族材料。不過，據說“從碳化氫的架構上對分子結構進行了優化”。實現離子傳導的官能基為磺酸（Sulfonic Acid）離子（-SO3），與原來的氟類電解質膜相同。　　燃料電池的固體電解質膜通過將這些磺酸離子聚集成團簇來形成氫離子通道。具體來說，就是氫離子在與水發生反應、生成水合物後通過離子通道。據可樂麗稱，通過以納米級水準控制該通道，便可進一步提高連續性。從會場展板展示的電子顯微鏡照片來看，原來的氟類電解質膜的離子通道呈分散狀態，而新型電解質膜則具有更高的連續性（圖1）。這樣，便可形成微細的導通網路，從而提高離子傳導性。
另外，為了減少甲醇滲透，還需要具有氫離子能夠透過而甲醇無法透過的選擇透過性。此次並未透露有關細節，不過業界普遍認為，該電解質膜將離子通道保持在了甲醇無法通過的極小水準，尤其是為了防止離子通道遇水膨脹導致擴大，導入了在分子架構上較為堅固的分子。　　該公司通過展板公開了此次開發的電解質膜在甲醇透過量上比氟類電解質膜大約減少了40％的數據（圖2）。如果將離子通道保持在極小水準，離子傳導性通常就會下降，不過此次通過採取上述提高離子通道連續性的手段，保持了與氟類電解質膜大體相同的離子傳導性。具體來說，相對於氟類電解質膜的0.12S/cm，新型電解質膜為0.11S/cm，幾乎沒變。結果，輸出功率密度就提高到了1.6倍（圖3）。也就是說，不僅能夠減少此前普遍認為存在著抵換（Trade-Off）關係的甲醇滲透，而且還可提高離子傳導性，實現了兩者間的平衡。
圖2：甲醇滲透與膜阻。與厚175μm的氟類電解質膜相比，厚50μm的新開發電解質膜的甲醇滲透大約減少了40％，膜阻也降低了一半。		圖3：輸出功率特性。新開發電解質膜與氟類電解質膜相比，甲醇透過大約減少了40％，從而使最大輸出密度大約提高到了1.6倍。

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