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SOFC與PEFC激戰正酣,家用燃料電池2015年邁向全面普及1
 【日中環保生態網】比燃料電池車領先一步,家用燃料電池系統于2009年投入了實用。2011年10月,有望實現小型、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)技術共享,固體高分子型燃料電池(PEFC)將迎接挑戰。 
        “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月底發布的消息引爆了燃料電池行業。“真的要在2011年內推出嗎?”眾多相關人士難掩驚訝之情。
        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發電,可以大幅減少部件數量,開發動態一直比較活躍。但是,因為耐久性存在課題,過去的普遍看法認為,上市要等到2012年以后。
        吉坤日礦日石能源將顛覆上述預測,在2011年內推出家用SOFC。該公司常務執行董事新能源系統事業本部長荒木康次自信地表示:“受東日本大地震影響,開發雖然略有推遲,但有望按照原定計劃,趕在10月完成。”
        先行發展的PEFC型ENE-FARM于2009年投產,創下了首年售出約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,情況估計會發生劇變(圖1)。因為當PEFC碰上SOFC這個競爭對手后,各自經營這兩種電池的廠商的研究開發將趨于活躍,有望進一步降低成本、提高耐久性。 
 
圖1:面向2030年的全面普及展開激戰
2009年,PEFC型家用燃料電池進入市場,2011年10月,效率更高的SOFC型產品即將問世。今后,這兩項技術將展開開發競爭,爭取到2030年,以每臺40萬日元以下的成本,使耐久性達到9萬小時以上。
 
東日本大地震成為轉機
        而且,以2011年3月11日發生的東日本大地震為契機,人們對于家用燃料電池的認識開始發生巨大轉變。受核電站事故影響,出于對嚴重電力短缺的擔憂,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。大阪燃氣公司表示:“就算是補貼停止發放之后,仍然有人購買。”沒有補貼時高達約276萬日元的設備如今十分暢銷。
圖2:2015年達到50萬日元
1臺家用燃料電池的成本現在為200萬日元左右,目標是首先利用量產效果,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年達到250萬臺(b)。(圖:《日經電子》根據吉坤日礦日石能源的資料制作)
但其中也存在著問題。多數購買者設置ENE-FARM是為了應對計劃停電,但遺憾的是,目前銷售的機型都不能在停電時獨立運轉(注1)。
        (注1)按照電力公司目前的規章,燃料電池必須具備“防止獨立運轉功能”,不能在停電時獨立運轉,才可以在家庭中安裝。這項措施是為了穩定電力系統,由電力公司主張制定。
        對于這項缺點,地震后不久,行政部門就發出了“盡快開發具備獨立運轉功能的機型”的號召。開發如今正在快速進行,相應機型最快將在2011年內問世。
        提供獨立運轉等附加功能雖然可以增加家用燃料電池的吸引力,但要想實現全面普及,主機的價格還過于昂貴。如果希望在2015年前后全面普及,就要實現50萬日元左右的生產成本。
        降低成本除了量產效果,還需要減少部件數量、簡化生產工藝、進一步提高發電效率等措施。SOFC之所以備受關注,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,家用燃料電池系統使用的是PEFC和SOFC。PEFC的電解質使用薄膜狀高分子膜,利用質子(H+)的移動發電。而SOFC則使用氧化鋯陶瓷,利用氧離子(O2-)的移動發電。根據這一差異,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改變。
在各種方式中,SOFC的發電效率(LHV*)最高,達到40~65%以上。作為家用燃料電池系統的SOFC發電效率目前已經提高到了45%左右(圖3)。開發SOFC的大阪燃氣公司生活事業部家用熱電聯產系統開發部SOFC開發組經理栢原義孝表示:“2009年度驗證機的效率約為43%,到2010年度提高到了約45%。”
圖3:逐步提高發電效率
大阪燃氣與京瓷、豐田、愛信精機4家公司正在合作開發SOFC。經確認,2010年度的驗證機的發電效率能夠比2009年度產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:《日經電子》根據大阪燃氣的資料制作)
*LHV=lower heating value(低位發熱量)的縮寫。燃料氣體完全燃燒時的發熱量減去水蒸氣凝結潛熱后的數值。
  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)和管道煤氣進行改質,制備氫氣作為燃料(圖4)。PEFC在改質階段需要高純度的氫氣。因為一旦混入一氧化碳(CO),就會導致PEFC燃料極一側的鉑催化劑發生劣化。與之相比,SOFC能夠以一氧化碳(CO)為燃料發電,因此無需利用改質器去除一氧化碳,有助于簡化改質器。
 
 
圖4:開發的中心是“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。開展研究的企業為數眾多,大幅左右耐久性和發電效率的燃料電池組相關研究開發十分活躍。
 
實際上,吉坤日礦日石能源即將于10月上市的SOFC型ENE-FARM的額定發電效率為45%,比該公司的PEFC規格產品高8個百分點。燃料電池單元比PEFC產品縮小了46%。吉坤日礦日石能源表示,這是因為SOFC產品與PEFC產品相比,改質器等部件的數量“可以減少到1/3左右”。
        不只是燃料電池單元,SOFC產品的儲水單元也比PEFC產品縮小了36%。SOFC因為工作溫度高,所以可以保溫在75℃,而PEFC產品的保溫溫度是65℃。
        如上所述,高效率且易于實現小型化的SOFC除了在PEFC產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,相關開發也在進行之中。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,尋覓進軍歐洲的時機(注2)。
(注2)因為歐洲的燃氣質量低于日本,所以需要準備能夠充分去除雜質的燃料改質器。
 
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