SOFC與PEFC激戰(zhàn)正酣，家用燃料電池2015年邁向全面普及1
【日中環(huán)保生態(tài)網(wǎng)】比燃料電池車領(lǐng)先一步，家用燃料電池系統(tǒng)于2009年投入了實用。2011年10月，有望實現(xiàn)小型、低成本化的“新一代電池” 固體氧化物型燃料電池（SOFC）即將問世。通過與開始上市的燃料電池車（FCV）技術(shù)共享，固體高分子型燃料電池（PEFC）將迎接挑戰(zhàn)。
“從2011年10月開始銷售0.7千瓦級家用SOFC”——吉坤日礦日石能源公司在2011年2月底發(fā)布的消息引爆了燃料電池行業(yè)。“真的要在2011年內(nèi)推出嗎？”眾多相關(guān)人士難掩驚訝之情。
截至目前，市面上銷售的家用燃料電池“ENE-FARM”只有PEFC。因為SOFC比PEFC效率高，能夠通過簡單的燃料改質(zhì)發(fā)電，可以大幅減少部件數(shù)量，開發(fā)動態(tài)一直比較活躍。但是，因為耐久性存在課題，過去的普遍看法認(rèn)為，上市要等到2012年以后。
吉坤日礦日石能源將顛覆上述預(yù)測，在2011年內(nèi)推出家用SOFC。該公司常務(wù)執(zhí)行董事新能源系統(tǒng)事業(yè)本部長荒木康次自信地表示：“受東日本大地震影響，開發(fā)雖然略有推遲，但有望按照原定計劃，趕在10月完成。”
先行發(fā)展的PEFC型ENE-FARM于2009年投產(chǎn)，創(chuàng)下了首年售出約5000臺、第二年（2010年）售出約7000臺的成績。因為使用補貼之后售價仍高達(dá)150萬日元以上，所以還不是普通消費者觸手可及的商品。
但隨著SOFC的問世，情況估計會發(fā)生劇變（圖1）。因為當(dāng)PEFC碰上SOFC這個競爭對手后，各自經(jīng)營這兩種電池的廠商的研究開發(fā)將趨于活躍，有望進(jìn)一步降低成本、提高耐久性。
圖1：面向2030年的全面普及展開激戰(zhàn)
2009年，PEFC型家用燃料電池進(jìn)入市場，2011年10月，效率更高的SOFC型產(chǎn)品即將問世。今后，這兩項技術(shù)將展開開發(fā)競爭，爭取到2030年，以每臺40萬日元以下的成本，使耐久性達(dá)到9萬小時以上。
東日本大地震成為轉(zhuǎn)機(jī)
而且，以2011年3月11日發(fā)生的東日本大地震為契機(jī)，人們對于家用燃料電池的認(rèn)識開始發(fā)生巨大轉(zhuǎn)變。受核電站事故影響，出于對嚴(yán)重電力短缺的擔(dān)憂，家用燃料電池在日本全國各地銷售火爆。在接受8133臺的申請后，2011年度準(zhǔn)備的84億日元補貼已于7月7日見底（圖2）。但銷售依然勢不可擋。大阪燃?xì)夤颈硎荆?ldquo;就算是補貼停止發(fā)放之后，仍然有人購買。”沒有補貼時高達(dá)約276萬日元的設(shè)備如今十分暢銷。
圖2：2015年達(dá)到50萬日元
1臺家用燃料電池的成本現(xiàn)在為200萬日元左右，目標(biāo)是首先利用量產(chǎn)效果，把成本降低到100萬日元以下（a）。然后通過降低成本，使供貨量到2030年達(dá)到250萬臺（b）。（圖：《日經(jīng)電子》根據(jù)吉坤日礦日石能源的資料制作）
但其中也存在著問題。多數(shù)購買者設(shè)置ENE-FARM是為了應(yīng)對計劃停電，但遺憾的是，目前銷售的機(jī)型都不能在停電時獨立運轉(zhuǎn)（注1）。
（注1）按照電力公司目前的規(guī)章，燃料電池必須具備“防止獨立運轉(zhuǎn)功能”，不能在停電時獨立運轉(zhuǎn)，才可以在家庭中安裝。這項措施是為了穩(wěn)定電力系統(tǒng)，由電力公司主張制定。
對于這項缺點，地震后不久，行政部門就發(fā)出了“盡快開發(fā)具備獨立運轉(zhuǎn)功能的機(jī)型”的號召。開發(fā)如今正在快速進(jìn)行，相應(yīng)機(jī)型最快將在2011年內(nèi)問世。
提供獨立運轉(zhuǎn)等附加功能雖然可以增加家用燃料電池的吸引力，但要想實現(xiàn)全面普及，主機(jī)的價格還過于昂貴。如果希望在2015年前后全面普及，就要實現(xiàn)50萬日元左右的生產(chǎn)成本。
降低成本除了量產(chǎn)效果，還需要減少部件數(shù)量、簡化生產(chǎn)工藝、進(jìn)一步提高發(fā)電效率等措施。SOFC之所以備受關(guān)注，正是因為具備這些要素。
高效率低成本的SOFC
燃料電池大致有4種方式（表1）。其中，家用燃料電池系統(tǒng)使用的是PEFC和SOFC。PEFC的電解質(zhì)使用薄膜狀高分子膜，利用質(zhì)子（H＋）的移動發(fā)電。而SOFC則使用氧化鋯陶瓷，利用氧離子（O2－）的移動發(fā)電。根據(jù)這一差異，組合使用的燃料極和空氣極的材料、配備的周邊部件也有相應(yīng)改變。
在各種方式中，SOFC的發(fā)電效率（LHV*）最高，達(dá)到40～65％以上。作為家用燃料電池系統(tǒng)的SOFC發(fā)電效率目前已經(jīng)提高到了45％左右（圖3）。開發(fā)SOFC的大阪燃?xì)夤旧钍聵I(yè)部家用熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)部SOFC開發(fā)組經(jīng)理栢原義孝表示：“2009年度驗證機(jī)的效率約為43％，到2010年度提高到了約45％。”
圖3：逐步提高發(fā)電效率
大阪燃?xì)馀c京瓷、豐田、愛信精機(jī)4家公司正在合作開發(fā)SOFC。經(jīng)確認(rèn)，2010年度的驗證機(jī)的發(fā)電效率能夠比2009年度產(chǎn)品提高若干個百分點。該驗證實驗屬于NEDO在2010年度開展的“固體氧化物形燃料電池驗證研究”。（圖：《日經(jīng)電子》根據(jù)大阪燃?xì)獾馁Y料制作）
*LHV＝lower heating value（低位發(fā)熱量）的縮寫。燃料氣體完全燃燒時的發(fā)熱量減去水蒸氣凝結(jié)潛熱后的數(shù)值。
而且，SOFC為高溫工作，因此具有無需鉑（Pt）等昂貴的催化劑、可以簡化改質(zhì)器等特點。作為家用燃料電池時，可以對液化石油氣（LPG）和管道煤氣進(jìn)行改質(zhì)，制備氫氣作為燃料（圖4）。PEFC在改質(zhì)階段需要高純度的氫氣。因為一旦混入一氧化碳（CO），就會導(dǎo)致PEFC燃料極一側(cè)的鉑催化劑發(fā)生劣化。與之相比，SOFC能夠以一氧化碳（CO）為燃料發(fā)電，因此無需利用改質(zhì)器去除一氧化碳，有助于簡化改質(zhì)器。
圖4：開發(fā)的中心是“心臟”——燃料電池組
家用燃料電池由燃料電池單元和蓄熱水單元組成。開展研究的企業(yè)為數(shù)眾多，大幅左右耐久性和發(fā)電效率的燃料電池組相關(guān)研究開發(fā)十分活躍。
實際上，吉坤日礦日石能源即將于10月上市的SOFC型ENE-FARM的額定發(fā)電效率為45％，比該公司的PEFC規(guī)格產(chǎn)品高8個百分點。燃料電池單元比PEFC產(chǎn)品縮小了46％。吉坤日礦日石能源表示，這是因為SOFC產(chǎn)品與PEFC產(chǎn)品相比，改質(zhì)器等部件的數(shù)量“可以減少到1/3左右”。
不只是燃料電池單元，SOFC產(chǎn)品的儲水單元也比PEFC產(chǎn)品縮小了36％。SOFC因為工作溫度高，所以可以保溫在75℃，而PEFC產(chǎn)品的保溫溫度是65℃。
如上所述，高效率且易于實現(xiàn)小型化的SOFC除了在PEFC產(chǎn)品的市場上與其展開競爭，面向安裝面積存在限制的集合住宅等新市場，相關(guān)開發(fā)也在進(jìn)行之中。另一方面，走在前面的PEFC則著眼于熱需求較大的德國和法國等國家，尋覓進(jìn)軍歐洲的時機(jī)（注2）。
（注2）因為歐洲的燃?xì)赓|(zhì)量低于日本，所以需要準(zhǔn)備能夠充分去除雜質(zhì)的燃料改質(zhì)器。
