家用燃料电池：量产效应推动价格降低PEFC与SOFC竞争激化

以往在价格方面不占优势的固体高分子型(PEFC)燃料电池成本日趋下降。与通过发电效率取胜的固体氧化物型(SOFC)燃料电池之间的开发竞争似将变得激烈。

日本政府在目前正在探讨的《能源基本计划》中，如何给氢定位已成为重点。家用燃料电池、以氢为燃料的燃料电池车(FCV)及氢制造储藏技术共同掌握着实现“氢社会”的关键。

日本政府在今年6月公布的《日本复兴战略》中提出，力争在2030年之前设置530万台家用燃料电池。这相当于要在日本约1成家庭中设置燃料电池。据称截至2012年12月，已经有4.3万台投入使用。

现在，已投放市场的家用燃料电池“ENE-FARM”有PEFC和SOFC两种。其中领先一步的是PEFC，各公司于2009年开始销售。另一方面，SOFC在2011年由吉坤日矿日石能源公司实现了实用化。

SOFC的发电效率比PEFC高。并且，由于结构简单，也易于降低成本。因此有看法认为，“不久SOFC将取代PEFC”。

不过，事情并非这么简单，最近，借助技术革新，PEFC开始发起反攻。那么，在预测这2种方式的势力图之前，先简单介绍燃料电池的工作原理。

需要去除一氧化碳

相信有许多人曾在理科课堂上做过利用电将水分解为氢和氧的实验。燃料电池的工作原理就是利用“水电解”的逆反应发电。也就是说，使氢和氧结合，制造出电和水。

水的电解是“吸热反应”，但燃料电池的工作原理相反，属于“发热反应”。使用家用燃料电池的热电联产就是利用这一原理。在发电装置中附设储热水槽，回收废热并烧热水。

在水的电解实验中，为了使电更易通过，而加入氢氧化钠。在燃料电池中，起到相当于氢氧化钠作用的是“电解质”，这是会影响电池性能的重要部件。用于发电的单元的结构是，利用添加了催化剂的“燃料极”和“空气极”这2枚电极，将电解质夹在中间。

燃料电池的基本工作原理是，首先从城市燃气中去除硫磺等物质，制造出氢，然后将这一燃料供应给“燃料极”。

接着，如果是PEFC，其工作原理是，在燃料极的催化剂表面，氢被分解为氢离子和电子，而电解质只让氢离子通过，氢离子单独向空气极移动，同时，电子由另外的途径单独向空气极移动，形成电流，然后氢离子和电子与位于空气极的氧结合生成水。

而SOFC的工作原理是，首先，空气中的氧会与空气极的催化剂接触、获得电子成为氧离子，然后通过电解质向燃料极移动;在燃料极，利用城市燃气制造的氢和一氧化碳已经成为离子，氧离子会与之结合，产生水和二氧化碳，并在此时释放出电子。

生成氢时产生的一氧化碳会降低催化剂的功能。在SOFC中，一氧化碳被用于发电，而PEFC则在重整器中嵌入了可去除一氧化碳的装置。

“电池堆”由多个单元构成。SOFC为了激活用作电解质的陶瓷，工作温度会达到700℃，不过发电效率高达45%到60%，废热量较少，热水温度较高，因此储热水单元可实现紧凑设计，也无需一氧化碳去除装置，易于降低成本。

使用时的效率相差无几

PEFC虽单元工作温度仅为60℃到120℃，但为了促进形成离子，使用了铂催化剂，并且需要使用一氧化碳去除装置，结构较为复杂。据称PEFC的部件个数为SOFC的2倍。

不过，SOFC由于工作温度较高，因此要保持能源效率，需要一直处于运转状态。另一方面，PEFC由于工作温度较低，因此从启动到发电用时较短，也可频繁启动及停运。东芝燃料电池系统公司董事永田裕二说：“从实际使用情况考虑，PEFC和SOFC在效率方面相差无几。”

东芝公司于2009年上市了PEFC型ENE-FARM，之后于2012年3月推出了新机型。通过提高铂催化剂等的性能，使贵金属催化剂的使用量减少了20%。并且，还通过提高氢和氧的扩散性，提高了单元的发电效率，将单元数量减少了15%。将所发电力从直流电转变为交流电的逆变器(功率调节器)也与控制电路板实现一体化，减少了部件个数。并改进了系统整体设计，使成本削减了3成。

松下公司今年4月开始销售的机型建议零售价为199.5万日元，比之前的机型降低了76万日元。其中，调整脱硫材料及催化剂使用量起了较大作用。松下将在定期维护等时了解到的用户使用状况，及各地区不同的燃气特性建立了数据库，并进行了分析，然后根据分析结果进行了改良。另一方面，松下装置公司燃料电池部经理加藤玄道指出：“2012年供货量达到1万台，市场正日益扩大，由于有望实现量产效应，因此得以降低了成本。”

最近很明显的动向是PEFC的弱点正在稳步得到克服。另一方面，SOFC基本性能部分的改良也有进展。

日本大阪燃气公司、爱信精机公司和京瓷公司合作，于2012年3月共同开发出SOFC型ENE-FARM，并于4月上市。开发时所面临的最大课题，就是确保电池堆的耐久性。由于SOFC工作时的温度高达700℃左右，因此随着温度的变化，有时单元会出现裂缝。大阪燃气等对这种情况进行了改良。还有一个问题，就是如果从单元中提取电力的集电体因氧化而劣化，电阻会随之而增大。因此采取了对集电体表面进行涂布加工等对策。

“PEFC有发展前途”

针对2种方式的发展前景，德勤咨询公司经理尾山耕一认为：“PEFC比较有发展前途。”日本自民党议员于今年6月组织了“促进实现以FCV为中心的氢社会研究会”(原环境大臣小池百合子担任会长)，丰田汽车公司等民营企业也参与其中，德勤咨询目前担任着企业秘书处的工作。

丰田和本田公司计划在2015年、日产汽车公司计划在2017年上市FCV市售车型。各公司均将采用PEFC型燃料电池。通过应用在车用燃料电池领域开发的技术，有望实现PEFC家用燃料电池的进一步技术革新，及通过生产工序通用化降低部件成本。

而且，经济产业省也计划在2015年之前建设100处FCV氢基础设施。PEFC家用燃料电池的难点在于燃气脱硫及重整工序较为复杂，但如果能够直接供应氢，便可大幅削减部件个数。

另一方面，日本的电力系统改革也对SOFC起到了推动作用。现在，电力公司不收购燃料电池生成的电力。但如果制度发生变化，普通家庭可以销售燃料电池所发电力，那么选择发电效率较高的SOFC的消费者也许会增加。大阪燃气生活事业部商品技术开发部SOFC开发组经理岩田伸表示：“我们将兼顾PEFC和SOFC同时予以发展。”

2011年7月，经济产业省制定了“力争到2016年，包括设置施工费在内，将设备采用费用降到70万到80万日元”的方针。岩田经理说：“我们已有了进一步提高SOFC发电效率等降低价格的创意。”随着氢社会逐渐具备现实意味，家用燃料电池似乎也将发生进一步的技术革新。