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(chē)領(lǐng)先一步，家用燃料電池系統(tǒng)于2009年投入了實(shí)用。2011年10月，有望實(shí)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(wèn)世。通過(guò)與開(kāi)始上市的燃料電池車(chē)（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(kāi)始銷(xiāo)售0.7千瓦級(jí)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(xiāo)售的家用燃料電池“ENE-FARM”只有PEFC。因?yàn)镾OFC比PEFC效率高，能夠通過(guò)簡(jiǎn)單的燃料改質(zhì)發(fā)電，可以大幅減少部件數(shù)量，開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)一直比較活躍。但是，因?yàn)槟途眯源嬖谡n題，過(guò)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(cè)，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(zhǎng)荒木康次自信地表示：“受東日本大地震影響，開(kāi)發(fā)雖然略有推遲，但有望按照原定計(jì)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(tái)、第二年（2010年）售出約7000臺(tái)的成績(jī)。因?yàn)槭褂醚a(bǔ)貼之后售價(jià)仍高達(dá)150萬(wàn)日元以上，所以還不是普通消費(fèi)者觸手可及的商品。
但隨著SOFC的問(wèn)世，情況估計(jì)會(huì)發(fā)生劇變（圖1）。因?yàn)楫?dāng)PEFC碰上SOFC這個(gè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手后，各自經(jīng)營(yíng)這兩種電池的廠商的研究開(kāi)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(kāi)激戰(zhàn)
2009年，PEFC型家用燃料電池進(jìn)入市場(chǎng)，2011年10月，效率更高的SOFC型產(chǎn)品即將問(wèn)世。今后，這兩項(xiàng)技術(shù)將展開(kāi)開(kāi)發(fā)競(jìng)爭(zhēng)，爭(zhēng)取到2030年，以每臺(tái)40萬(wàn)日元以下的成本，使耐久性達(dá)到9萬(wàn)小時(shí)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(duì)于家用燃料電池的認(rèn)識(shí)開(kāi)始發(fā)生巨大轉(zhuǎn)變。受核電站事故影響，出于對(duì)嚴(yán)重電力短缺的擔(dān)憂，家用燃料電池在日本全國(guó)各地銷(xiāo)售火爆。在接受8133臺(tái)的申請(qǐng)后，2011年度準(zhǔn)備的84億日元補(bǔ)貼已于7月7日見(jiàn)底（圖2）。但銷(xiāo)售依然勢(shì)不可擋。大阪燃?xì)夤颈硎荆?ldquo;就算是補(bǔ)貼停止發(fā)放之后，仍然有人購(gòu)買(mǎi)。”沒(méi)有補(bǔ)貼時(shí)高達(dá)約276萬(wàn)日元的設(shè)備如今十分暢銷(xiāo)。
圖2：2015年達(dá)到50萬(wàn)日元
1臺(tái)家用燃料電池的成本現(xiàn)在為200萬(wàn)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(wàn)日元以下（a）。然后通過(guò)降低成本，使供貨量到2030年達(dá)到250萬(wàn)臺(tái)（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(wèn)題。多數(shù)購(gòu)買(mǎi)者設(shè)置ENE-FARM是為了應(yīng)對(duì)計(jì)劃停電，但遺憾的是，目前銷(xiāo)售的機(jī)型都不能在停電時(shí)獨(dú)立運(yùn)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(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)功能”，不能在停電時(shí)獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)，才可以在家庭中安裝。這項(xiàng)措施是為了穩(wěn)定電力系統(tǒng)，由電力公司主張制定。
對(duì)于這項(xiàng)缺點(diǎn)，地震后不久，行政部門(mén)就發(fā)出了“盡快開(kāi)發(fā)具備獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)功能的機(jī)型”的號(hào)召。開(kāi)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(wèn)世。
提供獨(dú)立運(yùn)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(shí)現(xiàn)全面普及，主機(jī)的價(jià)格還過(guò)于昂貴。如果希望在2015年前后全面普及，就要實(shí)現(xiàn)50萬(wàn)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(jiǎn)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?yàn)榫邆溥@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(dòng)發(fā)電。而SOFC則使用氧化鋯陶瓷，利用氧離子（O2－）的移動(dòng)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(kāi)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(kāi)發(fā)部SOFC開(kāi)發(fā)組經(jīng)理栢原義孝表示：“2009年度驗(yàn)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(ài)信精機(jī)4家公司正在合作開(kāi)發(fā)SOFC。經(jīng)確認(rèn)，2010年度的驗(yàn)證機(jī)的發(fā)電效率能夠比2009年度產(chǎn)品提高若干個(gè)百分點(diǎn)。該驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)屬于NEDO在2010年度開(kāi)展的“固體氧化物形燃料電池驗(yàn)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(xiě)。燃料氣體完全燃燒時(shí)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(wú)需鉑（Pt）等昂貴的催化劑、可以簡(jiǎn)化改質(zhì)器等特點(diǎn)。作為家用燃料電池時(shí)，可以對(duì)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?yàn)橐坏┗烊胍谎趸迹–O），就會(huì)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(wú)需利用改質(zhì)器去除一氧化碳，有助于簡(jiǎn)化改質(zhì)器。
圖4：開(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)十分活躍。
實(shí)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(gè)百分點(diǎn)。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?yàn)镾OFC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(chǔ)水單元也比PEFC產(chǎn)品縮小了36％。SOFC因?yàn)楣ぷ鳒囟雀?，所以可以保溫?5℃，而PEFC產(chǎn)品的保溫溫度是65℃。
如上所述，高效率且易于實(shí)現(xiàn)小型化的SOFC除了在PEFC產(chǎn)品的市場(chǎng)上與其展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)，面向安裝面積存在限制的集合住宅等新市場(chǎng)，相關(guān)開(kāi)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(guó)和法國(guó)等國(guó)家，尋覓進(jìn)軍歐洲的時(shí)機(jī)（注2）。
（注2）因?yàn)闅W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。
