日本特殊陶業(yè)公司日前開發(fā)出了制氫模塊，這是普及燃料動(dòng)力鋰電池車(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動(dòng)力鋰電池車(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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhēng)2020年實(shí)現(xiàn)實(shí)用化

2011年一月，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家能源公司、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(guó)內(nèi)市場(chǎng)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(zhǎng)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)椋摴菊J(rèn)為，F(xiàn)CV到那時(shí)將真正開始普及。另外，根據(jù)日本燃料動(dòng)力鋰電池實(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(guó)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(yíng)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(zhēng)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(chǎng)型及場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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)束于今年三月，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(zhǎng)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，更加有利于實(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)型燃料動(dòng)力鋰電池電解質(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)椋皇褂貌ＡЮw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，在今年三月底項(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)的持續(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(zhǎng)表示，今后的課題在于“降低成本及實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)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)及相關(guān)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)備受期待。而有關(guān)長(zhǎng)期可靠性，伊藤部長(zhǎng)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。”要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，至少要相同時(shí)間的試驗(yàn)。距東京奧運(yùn)會(huì)舉辦的2020年還有7年時(shí)間，剩余時(shí)間可以說已經(jīng)不多了。