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日本启动发电效率超过45%的氨燃料电池研发

2020-02-21   点击量:38

日本已正式启动以氨(NH3)为燃料的新型燃料电池的开发。这是日本文部科学省与日本科学技术振兴机构(JST)推进的尖端低碳化技术开发(ALCA)特别重点技术领域能源载体项目中的一项内容,由京都大学研究生院工学研究系教授江口浩一主导。


利用NH3作为燃料的优点是,其体积氢浓度为12.1kg/(100L),高于液氢的7.06kg/(100L)。另外,NH3在标准大气压下的液化温度为25℃,与液氢的-242℃相比,极其容易处理。虽然也有利用碳化氢(CH)类燃料制造氢气的技术,但由于这种方法会产生一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)等,因此在低碳化方面存在课题。


江口教授的研究对象包括固体高分子型燃料电池(PEFC)和固体氧化物型燃料电池(SOFC)两种,实际打算实现的是SOFC。SOFC的工作温度高达700~900℃,因此,可以使NH3与氧气(O2)直接发生反应来发电(图1)。另外,除了直接反应之外,还在考虑间接反映,即使NH3分解为氢气(H2)和氮气(N2),然后利用其中的氢气。


图1:以NH3为燃料的SOFC事例


SOFC的工作温度高达700~900℃,因此可使NH3与氧气发生直接反应。(图由《日经电子》根据京都大学的资料制成)


以NH3为燃料的SOFC方面,正极候选材料是镍(Ni)基金属陶瓷,电解质膜候选材料是部分稳定锆(Zr)类陶瓷,负极候选材料是添加了镧锶类材料的锰氧化物((La,Sr)MnO3)。据推算,采用上述材料制成的SOFC的发电效率将超过现有SOFC的45%。如果要进行间接反应的话,还要开发分解NH3时使用的催化剂材料。目前正在考虑的候选材料有铁(Fe)、钴(Co)、镍及钌(Ru)等。


PEFC存在固体高分子膜会因NH3发生劣化的课题。因此,要用熔盐催化剂在650℃以下的环境使NH3分解成氢气和氮气,然后在400℃以下的环境去除NH3,使氢气中NH3的浓度降至0.1ppm以下。由于必须去除大部分的NH3,因此估计这一点将成为一大技术课题。


钜大特种电池工程研究院

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