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摘 要：日本产业技术综合研究所与日本株式会社阿兹米特展开合作，共同开发了一种可通过市售的LPG气瓶发电的便携式燃料电池系统，日本株式会社PRODRONE将该燃料电池应用于无人机，并采用了SOFC-LiPo混合动力模式，成功延长了飞行时间，为工业无人机开辟新用途。
关键字：燃料电池无人机、LPG气瓶、便携式燃料电池系统、内部重整技术、SOFC-LiPo混合动力模式
燃料电池的能量转换效率高且环保，因此作为下一代能源系统备受期待。但是，目前的燃料电池是大型装置，因此无法携带，而且需要在加氢站供应纯氢燃料，导致其用途和使用场所均受到限制。而二次电池需要充电，在没有电源的地方，其使用时间有限，因此难以应用于灾区和山区等地。
针对该问题，日本产业技术综合研究所（以下简称“产综研”）以“可在任何地方使用的燃料电池”为理念，与日本株式会社阿兹米特（以下简称“阿兹米特”）展开合作，共同开发了一种可通过市售的液化石油气（LPG）盒式储气瓶发电的便携式燃料电池，并受到从事工业无人机的开发和销售的日本株式会社PRODRONE（以下简称“PRODRONE”）的关注。
到目前为止，使用二次电池的无人机只能连续飞行大约10～30分钟，在无法确保电源的灾区和山区，其使用一直是个问题。由产综研和阿兹米特共同开发的固体氧化物燃料电池（SOFC）无人机可飞行1小时以上，并且只要更换LPG气瓶就可以多次发电，而LPG气瓶可以很容易运送到灾区和山区。此外，产综研、阿兹米特和PRODRONE在使用该燃料电池的无人机实证实验中取得了成功。今后，将利用长时间飞行和燃料容易补充的优势，探索工业无人机的新用途。
2020年6月，产综研、阿兹米特和Prodrone宣布，在开发搭载有固体氧化物燃料电池（SOFC）的无人机的实证实验中取得了成功，其中，该固体氧化物燃料电池（SOFC）可利用市售的液化石油气（LPG）气瓶发电。
飞行测试中的SOFC无人机
目前，燃料电池作为下一代能源的研发正在进行中，在自家发电的家用燃料电池系统和燃料电池汽车的利用正在增加。但是，前者需要外置重整器来提取氢且装置较大，而后者需要在加氢站供应纯氢燃料，因此使用场所受到限制。
但是，燃料电池在氢基础设施和充电桩未得到完善的地方的需求不断上升，例如，调查灾害发生时的损失，运输物资，检查山区基础设施等。近年来，电动汽车等的增程器、物联网(IoT)设备、机器人等的开发不断加速，这些领域中也需要紧凑且高功率的发电系统。
产综研与阿兹米特共同开发了一种可以利用市售的LPG气瓶发电的便携式燃料电池系统。LPG气瓶是常见的燃料，用于便携式炉灶等，并且可在百货广场轻松获得。对使用这种LPG的燃料电池进行研究后，开发了一种具有100W级高功率的紧凑型燃料电池。
开发和销售无人机的Prodrone极其关注该项技术。Prodrone正在开发工业无人机，例如最大装载量为30kg及以上的大型无人机、配备有机械臂的无人机等。搬运重物并在空中工作的工业无人机的功耗高且飞行时间短，因此Prodrone正在寻求一种轻便且高功率的电源。
新闻报道中经常看到无人机在发生灾害时用于调查损失等。除了高空拍摄之外，无人机还用于检查高处的基础设施、搬运应急物资等，并开始用于喷洒农药、配送行李等。但是，目前的无人机飞行时间很短，大约为10～30分钟。无人机上搭载的电池是通常用于个人电脑和智能手机等的锂离子聚合物（LiPo）二次电池。LiPo二次电池通过充电可以反复使用，但是其单位重量的能量密度小。无人机的功耗与重量成正比，因此如果为了延长飞行距离而大量装载二次电池，那么无人机会变得更重，随之功耗也会增加。
除了搭载LiPo的无人机外，还正在开发搭载“固体高分子燃料电池（PEFC）”（也可用于燃料电池汽车）的无人机，但是这种燃料电池使用纯氢作为燃料，因此储氢罐内的氢气用完之后必须到加氢站等地填充氢。但是，需要无人机的灾区和山区大多都是加氢站没有得到完善的地区。此外，为了防备无人机坠落时的风险，航空法等规定不能在人口密集地区（每平方公里4000人以上的人口密度）的上空飞行无人机，因此在建有加氢站的城市地区无法利用无人机。
对于面临此类问题的Prodrone来说，产综研和阿兹米特合作开发的固体氧化物燃料电池（SOFC）不仅轻便且功率高，飞行时间长，而且具有可利用LPG气瓶发电的便利性，因此是一种能够为工业无人机开辟新用途的新技术。
接下来，对本次开发的搭载在无人机上的LPG气瓶燃料电池的开发过程进行介绍。首先，决定采用固体氧化物燃料电池（SOFC）。SOFC使用氧化锆、氧化铈等固体氧化物作为电解质，在700～1000℃的高温下工作，是发电效率最高的燃料电池。
产综研的负责人表示：“到目前为止，SOFC主要是固定式，主要使用城市燃气发电。但是，SOFC使用氢和一氧化碳（CO）发电，因此不能直接使用主要成分是甲烷（CH4）的城市燃气。城市燃气在供应给燃料电池之前，会通过称为外部重整器的外部装置从其中中提取出氢和CO，然后供应给燃料电池。LPG气瓶的主要成分是丁烷（C4H10），因此在使用时需要从中提取出氢和CO。为此，开发了一种可以在燃料电池内的电极上进行这种提取的内部重整技术。这样，就可以直接将LPG供应给燃料电池，不需要外部重整器，所以电池会更加紧凑且更轻便。”
但是实际上，直接供应LPG来发电并非易事。“当把LPG供应给燃料电池时，只有氢得到利用，剩下的碳会变成烟灰状，覆盖电极，最终导致无法发电。因此，开发了一种具有纳米级微结构的电极材料。在这种材料中，碳和氧结合生成CO，然后用作燃料，这样就不会有碳残留在电极上。此外，无人机的电力负载波动较大，在空中静止悬停调整姿势时，功耗会急剧上升，而在降低高度巡航时，功耗就会下降。由于这种负载波动，碳在电极上的沉淀速度就会变快，并且电极可能会被烟灰覆盖造成其发电性能下降。为了防止这样的电极性能劣化，也做出了很多努力。”
LPG发电后的电极的电子显微镜照片
此外，为了进一步减轻用于空中发电的SOFC系统的重量，阿兹米特减轻了收集电力的“集流体”、以及在燃料电池内隔开燃料和空气的“隔膜”的重量。“如果减轻集流体和隔膜的重量，电池本身的机械强度和发电性能就会下降。因此设计时争取兼顾轻量化、强度和性能之间的平衡。”
通过这样不断的积累，与2017年发布的“紧凑型高功率燃料电池系统”相比，新型燃料电池的单位输出的重量成功减少了60%，并实现了数千克的轻量化，相当于无人机总重量的10%以上。
LPG驱动的SOFC系统外观
新开发的无人机搭载有SOFC和LiPo二次电池，采用根据负载切换电源的混合动力模式，其类似于混合动力汽车的系统，在悬停等负载较大时，由SOFC和LiPO二次电池共同供电，在负载较小时，从SOFC向二次电池充电。本次，在搭载有该系统的无人机的飞行试验中，该无人机可以飞行1小时以上。
针对未来计划，产综研负责人表示，“今后，计划进一步提高无人机的完成度，同时努力降低成本并提高耐用性，以实现燃料电池无人机的商业化。关于燃料电池，将继续考虑无人机以外的用途，并继续开发SOFC系统。另外，水电解是燃料电池的逆反应，因此也可以通电后由水来制氢，即固体氧化物电解池（SOEC）。我们不仅会研究SOEC发电，还考虑利用SOEC制造LPG等便携式燃料。”
翻译：王宁愿
审校：贾陆叶
李 涵
统稿：李淑珊
●全球首个“碳-空气二次电池系统”的提出与开发！大量引入可再生能源所必需的固体氧化物大容量蓄电系统
●Bloom Energy Japan：革新业务——工业用固体氧化物燃料电池（Bloom能源服务器）的介绍
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