日本家用燃料電池技術進展

劉蘭蘭

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384)

燃料電池(fuel Cells，FCs)是繼火電、水電和核電之后的第四代發電技術，是一種將儲存在燃料(如氫氣)和氧化劑(如氧氣)的化學能，通過電化學反應過程直接轉化為電能的電化學發電裝置。到目前為止，已經發展了多種類型的燃料電池。根據工作溫度的不同，可將燃料電池分為低溫 (工作溫度低于100℃)、中溫(工作溫度在100～300 ℃)和高溫(工作溫度在600～1 000 ℃)三種。最常用的是根據燃料電池所使用電解質的不同可將燃料電池分為5 種主要類型，即堿性燃料電池(AFC)、磷酸型燃料電池(PAFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)和質子交換膜燃料電池(PEMFC)。其中，后三種燃料電池是目前世界各國竟相研究開發的重點。由于燃料電池不經過燃燒過程，因而不受卡諾循環限制，能量轉換效率高(燃油機的2～3 倍)，是唯一同時兼備無污染、高效率、適用廣、無噪聲和具有連續工作和模塊化的動力裝置，被認為是21 世紀最有發展前景的高效清潔發電技術[1]。

我國正處在一個經濟飛速發展的關鍵時期，面對日益嚴峻的能源形勢、環境問題和人口壓力，大力發展高效和環境友好的能源利用技術具有重大的社會和經濟意義，而加快發展我國的燃料電池技術和產業化進程更具有特別的意義。日本家用燃料電池系統的發展處于世界領先地位，正在成千上萬的日本家庭示范推廣。因此，本文介紹了日本家用燃料電池技術進展，以便為我國燃料電池商業化和家用化提供參考和借鑒。

1 家用燃料電池技術

由于燃料電池具有結構簡單，占地面積小，效率高，環境友好和安全可靠等優點，燃料電池非常適合在住宅區和家庭中應用，可以提供住宅區建筑物和家庭所需的電力供應，為民眾創造一個良好的居住和生活環境。

家用燃料電池可以直接為用戶提供家用電器、照明、采暖和空調等所需的電能，同時還可將燃料電池放出的余熱回收用來加熱水或采暖。據估計家用燃料電池將能節約20%的住宅燃料費用[2]。家用燃料電池可用純氫作燃料，也可使用天然氣、丙烷、甲烷等。

對于用戶來說可以有兩種供電方式的選擇，一種是將燃料電池安裝在室內，用戶根據用電情況，自行調節燃料電池的運行工況，這種方式的好處是價格相對較低；另一種是將燃料電池安裝在社區，用戶通過電網向電力公司購買服務，這種方式避免了用戶維修的麻煩，比較省事，但價格較高。

2 日本家用燃料電池發展進程

2.1 日本早期家用燃料電池

日本是世界上對能源進口依賴程度最高的國家之一，國內能源90%依賴進口。為此，日本高度重視發展替代能源，其中燃料電池被列為重中之重。日本能源技術革新主要圍繞人們的日常生活進行，最引人注目的成果是家用燃料電池。

日本發展燃料電池堅持面向家庭，并且不斷加以改進。2002年10月，日本三洋電機公司向市場推出了以城市煤氣(或天然氣)為燃料的家用小型發電裝置。該公司以前曾經推出過一種作為應急電源的高分子電解質型燃料電池，以純氫為燃料。這種燃料電池是世界上最早研制成功并投放市場的，只是由于純氫價格高而無法大量推廣。為此，該公司改變研究方向，以普及型產品為目標，轉而研制以城市煤氣為燃料的高分子固體電解質燃料電池(PEFC)，推出的這種家用型燃料電池成本低、體積小，且經久耐用，不僅能發電，而且能提供熱水。

應用動作溫度較低的PEFC 家用共生系統，是一種可行的節能系統，日本荏原公司2000年開發出了原型—Ⅰ型機系統，2003年又開發了家用1 kW PEFC 共生系統Ⅱ型機，并擴展了基本性能，在原型基礎上增加了耗電供熱等試驗，進一步確認了系統的節能特性。Ⅱ型機是由PEFC 和熱水箱兩大部分組成。前者進行燃料處理和發電，后者儲存電池排熱管和燃料處理裝置排熱生成的熱水。與Ⅰ型機相比，Ⅱ型機發電效率有很大提高，達到34%(以低熱值為基準)，排熱回收效率超過47%，綜合效率達81%。電力輸出功率為AC 1 000 W，提供熱水溫度為 60 ℃[3]。

松下等公司2004年紛紛推出了自己研發的家用燃料電池。這些產品一般發電功率約為1 000 W，燃料使用從煤氣中提取的氫，不會產生大氣污染物。由于技術上已經成熟，東京天然氣公司決定從2005年2月起以租賃方式向200 個家庭提供服務，這是燃料電池第一次進人日本家庭。

2005年左右，便攜式燃料電池在日本市場上呼聲很高。日立公司推出了移動電話用燃料電池。產品的輸出值均在數瓦～數十瓦之間。索尼和NEC 等均以筆記本電腦和移動電話等移動終端為使用目標。日立制作開發燃料電池的歷史相當悠久。早在1999年便推出了輸出功率為20 W 的便攜式燃料電池電源、50 W 的高爾夫球車、500 W 的工廠自動搬運車。日立公司認為，作為鋰離子充電電池的替代電源，燃料電池非常有競爭力。

日本最大的移動電話制造商NEC 公司已研制成功使用甲醇和納米技術的燃料電池，其電能儲量將是普通鋰電池的10 倍。2005年之前，日本不少公司都已開始著手固體高分子燃料電池的開發，電解膜等相關材料不斷得到改進。

2.2 日本家用燃料電池的發展現狀

日本家用燃料電池系統的發展處于世界領先地位，正在成千上萬的日本家庭示范推廣。現在，已投放市場的家用燃料電池Ene-Farm 有PEFC 和固體氧化物型(SOFC)兩種，二者的工作特性比較如圖1所示，其中，應用領先一步的是PEFC。到2008年底，日本家庭擁有超過3 000 臺燃料電池(PEM)熱電聯供(CHP)裝置，可使家庭的主要能源用量減少24%，二氧化碳的排放量減少39%。2009年，日本加速了家用燃料電池Ene-Farm 社區燃料電池計劃的發展，對于Ene-Farm 系列燃料電池產品具有劃時代的意義。從2009年5月開始，松下東京燃氣公司的Ene-Farm 機組以大約330 萬日元的價格出售；7月，由日本石油公司與日本三洋電氣公司聯合組建的合資公司Eneos Celltech 公司、東京燃氣公司和東芝公司都表示，由其生產的社區Ene-Farm 裝置開始面向市場發售。在2009 財年中，日本銷售了5 000～6 000 臺家用燃料電池，經過一年多的運營，日本的家用燃料電池認可率已經達到71%。

2010年世博會，日本館松下電器展出了旗下的綠色環保家用燃料電池 (圖2)，本產品在2009年已經實現全球首次量產，其中輸出功率為1 kW，可為普通家庭提供60%的電力。固體高分子型新型燃料電池使得供普通家庭使用的1 kW 以下燃料電池的發電效率比原有產品提高了2%～3%，達到39%，接近火力發電效率。此外，通過采用熱電聯產系統，使用發電時排出的熱量來燒水，可將能源利用率最高提高至93%。與火力發電相比，同等發電量，該燃料電池二氧化碳的排放量可減少37%。該產品可確保耐用年數達10年以上、運轉4 萬小時，可啟動停止4 千次以上。

圖1 PEFC和SOFC兩種Ene-Farm的比較

圖2 松下電器展出的旗下的綠色環保家用燃料電池

東芝公司于2009年上市了PEFC 型Ene-Farm，之后于2012年3月推出了新機型。通過提高鉑催化劑等的性能，使貴金屬催化劑的使用量減少了20%。并且，還通過提高氫和氧的擴散性，提高了單元的發電效率，將單元數量減少了15%，將所發電力從直流電轉變為交流電的逆變器(功率調節器)也與控制電路板實現一體化，減少了部件個數，并改進了系統整體設計，使成本削減了30%。

2011年，吉坤日礦日石能源公司實現了SOFC 的實用化。SOFC[4]的發電效率比PEFC 高，并且，由于結構簡單，也易于降低成本。日本吉坤日礦日石能源公司在2011 中日綠博會上，展示了利用氫能和分散型電源的低碳型能源網絡系統(已在日本北九州氫能城鎮試驗運行)及由“能源使用之家”變成“能源創造之家”的ENEOS 創能住宅。創能住宅包括由太陽能發電和家用燃料電池Ene·Farm 的組合發電系統、太陽能熱水系統、高效燃油熱水器、高效燃氣熱水器、蓄電池、家庭能源管理系統(HEMS)、電熱地暖等。新開發的SOFC Ene·Farm 用液化氣(或天然氣)與水在電池內的重整反應器生成氫，然后與空氣中的氧氣在燃料電池堆內進行化學反應，產生直流電，通過功率調節器，提供家用交流電；另外，回收發電時產生的熱能通過熱交換器為90 L 的家用貯水槽提供非飲用生活熱水，該系統還可抑制二氧化碳的排放量。與以往燃燒化石燃料的能源系統相比，SOFC 型Ene·Farm 的能源效率最高可達87%，其中發電部分45%，供應熱水部分42%，額定輸出功率為700 W。由于家用燃料電池Ene·Farm 啟動時，需用國家電網提供的電力，因此，在日本經歷大地震與核泄漏事故后，吉坤日礦日石能源正在研究下一代產品，使其在災害發生時能獨立供電啟動；另外一項需改進之處是減小體積。

日本大阪燃氣公司、愛信精機公司和京瓷公司合作，于2012年3月共同開發出 SOFC 型Ene-Farm，并于4月上市。開發時所面臨的最大課題就是確保電池堆的耐久性(圖3)。由于SOFC 工作時的溫度高達700 ℃左右，因此隨著溫度的變化，有時單元會出現裂縫。大阪燃氣等對這種情況進行了改良。還有一個問題就是如果從單元中提取電力的集電體因氧化而劣化，電阻會隨之而增大，因此采取了對集電體表面進行涂布加工等對策。

圖3 SOFC的耐久性課題

2013年，日本東京天然氣公司與松下集團公開了由兩家公司聯合開發的新款家用型燃料電池，此發明是對舒適生活和環境保護的又一貢獻。據了解，東京天然氣公司于2008年5月在全球開始面向普通消費者出售燃料電池，到2013年已累計銷售約2.4 萬臺，并期望在2020年累計銷售30 萬臺。新產品由于大幅提高了密封性，可直接在公寓走廊的管道樞紐處安裝燃料電池組、儲水槽、備用熱源機，非常具有便攜性。此外，發電機的腳架也做了強化，抗震能力也大幅增強。新款燃料電池的發電功率為200～750 W，與火力發電和天然氣熱水器等熱水供應方式相比，可減少二氧化碳排放量約一噸。

2015年，日本東京燃氣公司與松下宣布，雙方共同開發出了用于獨戶住宅的家用燃料電池Ene-Farm 的新產品，特點是將部件數量削減約15%，并調整了燃料電池堆的構成，使建議零售價比2013年推出的現有產品便宜30 萬日元，為160 萬日元。另外，發電輸出功率由現有產品的200～750 W 變為200～700 W。備用熱源機內置的產品將新開發的專用備用熱源機安裝在了儲水單元中，由此將設置所需面積減至1.7 m2左右，與2013年上市的現有產品相比削減約15%。備用熱源機無論是內置還是外置，新產品的高度均比現有產品低100 mm，為1 750 mm。另外，松下還將向東京燃氣公司以外的其他城市燃氣公司供應此次的新產品，截至2015年1月底，松下在日本全國已累計出貨約5.2 萬臺Ene-Farm。

豐田和本田公司計劃在2015年、日產汽車公司計劃在2017年上市燃料電池車(FCV)市售車型。各公司均將采用PEFC 型燃料電池。通過應用在車用燃料電池領域開發的技術[5]，有望實現PEFC 家用燃料電池的進一步技術革新，并且通過生產工序通用化降低部件成本。

3 總結

本文介紹了家用燃料電池的概念及特點，進而論述了日本家用燃料電池的早期發展，并進一步研究了日本家用燃料電池的近期研發及應用情況，以期為我國燃料電池的研究與發展提供一定參考，促進我國燃料電池商業化、實用化和家用化，緩解我國的能源與環境問題。

[1]林維明.燃料電池系統[M].北京：化學工業出版社，1996：50-53.

[2]魯德宏.燃料電池的節能與環保特性分析[J].發電設備，2003(5)：55-59.

[3]文刀.家用1 kW 固體高分子燃料電池步入實用化[J].家電科技，2003(6)：27.

[4]WEI T，HUANG Y H，ZHANG Q，et al.Thermoelectric solid-oxide fuel cells with extra power conversion from waste heat[J].Chemistry of Materials，2012，24(8)：1401-1403.

[5]SAME A，STIPE A，GROSSMAN D，et al.A study on optimization of hybrid drive train using advanced vehicle simulator (ADVISOR)[J].Journal of Power Source，2010，195(19)：6954-6963.