燃料電池邁向普通家庭，PEFC與SOFC欲一爭高下 - 峰哥的科學世界 - Yahoo!奇摩部落格:
燃料電池邁向普通家庭，PEFC與SOFC欲一爭高下
2009年5月在日本上市的第1代家用燃料電池系統「ENE-FARM」（業內統一暱稱）全部為固體高分子型燃料電池（PEFC）系統。在2年半之後的2011年10月，吉坤日礦日石能源公司在全球率先推出了家用固體氧化物型燃料電池（SOFC）系統。這讓燃料電池相關人士感到震驚。這是因為，此前普遍認為固體氧化物型燃料電池系統存在耐久性課題，難以簡單解決。
固體高分子型燃料電池和固體氧化物型燃料電池在以城市燃氣（天然氣）及液化石油氣（LP-Gas）為燃料這一點上是共通的，但發電原理及構成燃料電池的材料不同，工作溫度也大不相同。固體高分子型燃料電池通過使氫離子在高分子膜電解質中移動進行發電，而固體氧化物型燃料電池則使用陶瓷為電解質，移動的是氧離子（圖2）。工作溫度方面，固體高分子型燃料電池為70℃到90℃，而固體氧化物型燃料電池則高達700℃到800℃。
圖2●固體氧化物型燃料電池與固體高分子型燃料電池的發電原理
燃料電池利用了水電解的逆反應，即通過氧（O2）和氫（H2）製造水（H2O）的化學反應。在固體氧化物型燃料電池中，位於負極（燃料極）處的氫與從電解質中移動過來的氧離子發生反應變成水時，電子會從負極移動到正極（空氣極），從而產生電流。另外，圖上並未標明，在重整天然氣等時與氫同時產生的一氧化碳（CO）也會與氧離子發生反應，變成二氧化碳併發電（a）。與之相對，固體高分子型燃料電池中，氫離子在電解質中從負極移動到正極，與氧發生反應變成水時發電。
新加入的固體氧化物型燃料電池系統的特點在於發電效率較高。包括熱利用在內的綜合效率方面，固體高分子型燃料電池系統較高，但發電效率方面，固體高分子型燃料電池系統為38%到40 ％（LHV＊4 ，以下同），而固體氧化物型燃料電池系統則為45%到47％，高5個百分點。一般情況下，在家庭中，與熱能相比，電力需求更多一些，因此發電效率較高已經成為固體氧化物型燃料電池系統的優點。
＊ 4 LHV：Lower Heating Value（低位發熱量）的縮寫，是指不包括燃料燃燒時產生的水蒸氣潛熱在內的熱量。發電效率定義為「發電量÷為了發電而投入的能源量」，但標記為LHV時，表示作為投入的能源量，使用的是LHV。另一方面，包含潛熱在內的熱量用HHV（Higher Heating Value）表示，有時也將HHV用做「投入的能源量」。發電效率方面，通常LHV比HHV高1成左右。
固體氧化物型燃料電池系統發電效率較高的原因在於工作溫度高達700℃到800℃。以天然氣為燃料的燃料電池是對天然氣進行重整，製造作為最終燃料的氫（H2）。此時大約需要650℃左右的高溫，固體氧化物型燃料電池可使用廢熱。另一方面，工作溫度僅為70℃到90℃的固體高分子型燃料電池需要用於重整的燃氣燃燒器，要使用燃氣，因而導致發電效率降低。
而且固體氧化物型燃料電池陣營介紹的解釋是，〔1〕作為燃料，固體氧化物型燃料電池除了氫之外，還可使用一氧化碳（CO），因此重整器等結構較為簡單，部件個數可減少到1/3到1/2（圖3）；〔2〕電極不使用高價鉑等，因此「與固體高分子型燃料電池系統相比，固體氧化物型燃料電池系統削減成本的潛力較大」。對此抱有危機感的固體高分子型燃料電池陣營也大張旗鼓地宣揚削減成本。成本削減競爭愈發激化。
圖3●固體氧化物型燃料電池系統與固體高分子型燃料電池系統重整器的比較
重整器可使天然氣和液化石油氣(LP-Gas)與水發生反應，提取作為直接燃料的氫和一氧化碳。固體氧化物型燃料電池可將一氧化碳也用作燃料，因此結構比較簡單（a）。固體高分子型燃料電池的燃料電池組會因一氧化碳而產生劣化，因此還需要可使一氧化碳與水發生反應，變成二氧化碳去除的「一氧化碳轉化器」，以及可去除最後殘留的一氧化碳的「一氧化碳去除器」等，因此結構較為複雜（b）。由本刊根據吉坤日礦日石能源的資料製作而成。
耐久性沒有問題？
但固體氧化物型燃料電池也有很大的缺點。高達700℃到800℃的工作溫度帶來的不僅僅是有利之處，同時還會導致難以確保耐久性。
固體氧化物型燃料電池是線性膨脹係數不同的積層陶瓷。如果溫度因啟動和停止等原因在常溫到700℃之間變化，由於熱膨脹係數不同，容易在界面等處出現裂縫。這會導致發電效率降低，縮短產品壽命。
固體氧化物型燃料電池系統為了避免產生這種溫度變化，採用了啟動之後24小時連續運轉的工作方式（圖4）。另一方面，固體高分子型燃料電池系統不易因啟動及停止而出現劣化，因此可根據電力及熱量需求進行運轉。
圖4●固體氧化物型燃料電池系統與固體高分子型燃料電池系統的運轉概念圖
固體氧化物型燃料電池系統基本為24小時連續運轉。在耗電量較少的時段降低輸出運轉（a）。不過，在因旅行等離家及檢查燃氣表時，可停止運轉。吉坤日礦日石能源的固體氧化物型燃料電池系統設想在10年使用期內停運300次左右。另一方面，固體高分子型燃料電池可學習各個家庭的電力及熱量需求變化，據此對運轉進行控制。基本每天啟動停止一次（b）。由本刊根據吉坤日礦日石能源的資料製作而成。
在24小時連續運轉時，一般會在電力及熱量需求較少的深夜時段降低輸出功率，因此發電效率較低（圖5）。再者如果沒有熱需求，那麼在儲熱水單元裝滿之後，其後產生的熱量就會被丟棄。因此，整體效率也會大幅降低。但是，如果反覆進行啟動或停止操作，就會導致單元劣化，為了盡量避免出現這種情況，不得不採取連續運轉方式。不過，這並不能解決耐久性問題。
圖5●固體氧化物型燃料電池系統的輸出與發電效率的關係
數據來自大阪燃氣等5家公司所進行的實證試驗。將2009年的系統與2010年的系統相比較，雖然發電效率有所提高，但兩個系統在降低輸出時，發電效率都大幅下降。
為確保耐久性做出了重大貢獻的，是開發及生產固體氧化物型燃料電池燃料電池組的京瓷公司的技術。該公司目前正在向大阪燃氣陣營及吉坤日礦日石能源雙方提供燃料電池組（圖6）。通過在改良電解質及電極材料的同時，改進燃料電池組結構，提高了耐久性。
圖6●京瓷的燃料電池組
由70枚單元豎立設置構成的模組排成兩列（a）。單元橫截面形狀獨特，類似於田徑運動場的跑道（b）。京瓷的燃料電池組除了大阪燃氣銷售的固體氧化物型燃料電池系統之外，還被吉坤日礦日石能源銷售的固體氧化物型燃料電池系統所採用。
進而還提高了發電時溫度控制的精度。愛信精機公司購買電池組與自產的重整器等組合製造燃料電池單元，通過盡量使電池組內部的溫度平均，提高了發電效率，同時又抑制了劣化。
由多個單元以豎立設置狀態排列構成的燃料電池組，中心部位的溫度容易高於兩端。雖然工作溫度越高，發電效率就越高，但另一方面也會導致劣化。因此最好能夠維持可在發電效率和耐久性之間取得平衡的溫度，不過如果單元溫度不均，就很難實現。如果中央部位溫度比較合適，兩端的溫度就會比較低，而發電效率下降。反之，如果兩端溫度合適，中央的溫度會過高，而導致劣化。
因此，愛信精機通過控制燃氣流量等，控制發電反應，抑制單元溫度不均，同時提高了發電效率和耐久性。耐久性方面，與吉坤日礦日石能源、大阪燃氣陣營共同進行的加速試驗結果顯示，其性能可保證使用10年。
實際上可「減半+α」
那麼，果真能在幾年內將現在為270萬日元的價格降低到50萬到80萬日元嗎？也就是說，必須將價格降低到原先的1/3到1/5左右。
按一般考慮，會覺得相當困難，但實際上廠商並不需要將成本降低到原先的1/3到1/5。這是因為，系統成本中還含有構築銷售體制、維護體制等系統本身之外的其他成本。「從工廠供貨價格的角度考慮，可減半＋α」，負責東芝燃料電池系統的永田解釋說，「這並不是不可能實現的目標。例如即使是一個閥門，如果將月產量從1000多個提高到1萬多個，採購價格便可降到一半以下」。
該公司目前正在以「傘形方式」推進著成本削減，力爭使固體高分子型燃料電池系統的價格降到50萬日元＊5。該方式是將整體成本削減額分攤到各個模組上，然後再進一步分攤到構成模組的各個部件上。目前，針對模組及部件等幾百個對象，「確實能夠實現目標價格」以及「需要做出很大努力」等成本削減可能性分析已經結束。據稱如果能夠實現這一目標，就能夠達到實現50萬日元系統價格的工廠供貨價格。
＊ 5 東芝燃料電池系統在削減固體高分子型燃料電池系統成本的同時，還在開發固體氧化物型燃料電池系統。並不僅僅局限于固體高分子型燃料電池系統。
圖7●東芝燃料電池系統採用的模組配管
將經過沖壓加工的2枚板材合在一起就會形成管道。由於細節部分應用了專有技術，因此東芝燃料電池系統僅公開了低解析度圖像。泵、閥門和感測器等輔機像安裝電子零件一樣，設置於經過沖壓加工的板材上，從而將部件數量削減4成。
目前固體高分子型燃料電池系統的成本構成是：燃料電池組接近2成，重整器為2成，電子模組接近1成，其他（儲熱水單元、配管及機殼等）約佔6成。幾年前電池組和重整器等的成本佔比較高，但隨著削減成本取得進展，目前繼續削減的空間已經比較小。因此，針對所有模組及部件，正在通過採用新的結構和機構削減成本。
對此該公司舉出了一個典型事例，那就是該公司開發並生產、2012年4月起由大阪燃氣等上市的新款固體高分子型燃料電池系統中採用的模組配管（圖7）。燃料電池內部設有輸送熱水和燃氣的複雜配管，與泵、閥門和感測器等輔機相連。
此前的設想是確定輔機的安裝位置，然後通過配管將其連接起來。不過新機型是對2枚板材進行沖壓加工，使之接合起來就能形成管狀流路，一舉完成了配管。永田介紹說，因為在加工時也一併形成了輔機的安裝部件，因此「可以像安裝電子零件一樣地嵌裝輔機。憑藉這一新構造，部件個數減少了4成」。除此之外，還採用了低成本材料，將單元數量減少了15枚，貴金屬觸媒量減少了2成，變頻器基板與控制基板合為一體，等等。
通過3大支柱降低成本
作為降低固體高分子型燃料電池系統成本的突破口，松下公司的岩佐舉出了以下3點：〔1〕開發減少貴金屬觸媒轉換器量等的關鍵技術、〔2〕量產效應、〔3〕零件廠商的開發投資。他說，雖然與固體氧化物型燃料電池系統相比部件個數較多，但在量產效應之下，只要下工夫就有可能實現同等水準的成本。而且，從量產前景來看，將之視為商機的零件廠商增加，因此，各種水準的技術開發將繼續加速。
另一方面，固體氧化物型燃料電池系統由於剛實現商品化，因此燃料電池組的成本佔比較高。燃料電池組是由京瓷的鹿兒島國分工廠製造。通過量產效果能夠削減多少成本，掌握著削減固體氧化物型燃料電池系統整體成本的關鍵。
（全文完）（《日經製造》記者：高田憲一）【日經能源環境網】
引用: http://big5.nikkeibp.com.cn/eco/news/cattechnicalsj/2991-20120620.html?ref=ML&start=3
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燃料電池邁向普通家庭，PEFC與SOFC欲一爭高下
2009年5月在日本上市的第1代家用燃料電池系統「ENE-FARM」（業內統一暱稱）全部為固體高分子型燃料電池（PEFC）系統。在2年半之後的2011年10月，吉坤日礦日石能源公司在全球率先推出了家用固體氧化物型燃料電池（SOFC）系統。這讓燃料電池相關人士感到震驚。這是因為，此前普遍認為固體氧化物型燃料電池系統存在耐久性課題，難以簡單解決。
固體高分子型燃料電池和固體氧化物型燃料電池在以城市燃氣（天然氣）及液化石油氣（LP-Gas）為燃料這一點上是共通的，但發電原理及構成燃料電池的材料不同，工作溫度也大不相同。固體高分子型燃料電池通過使氫離子在高分子膜電解質中移動進行發電，而固體氧化物型燃料電池則使用陶瓷為電解質，移動的是氧離子（圖2）。工作溫度方面，固體高分子型燃料電池為70℃到90℃，而固體氧化物型燃料電池則高達700℃到800℃。
圖2●固體氧化物型燃料電池與固體高分子型燃料電池的發電原理
燃料電池利用了水電解的逆反應，即通過氧（O2）和氫（H2）製造水（H2O）的化學反應。在固體氧化物型燃料電池中，位於負極（燃料極）處的氫與從電解質中移動過來的氧離子發生反應變成水時，電子會從負極移動到正極（空氣極），從而產生電流。另外，圖上並未標明，在重整天然氣等時與氫同時產生的一氧化碳（CO）也會與氧離子發生反應，變成二氧化碳併發電（a）。與之相對，固體高分子型燃料電池中，氫離子在電解質中從負極移動到正極，與氧發生反應變成水時發電。
新加入的固體氧化物型燃料電池系統的特點在於發電效率較高。包括熱利用在內的綜合效率方面，固體高分子型燃料電池系統較高，但發電效率方面，固體高分子型燃料電池系統為38%到40 ％（LHV＊4 ，以下同），而固體氧化物型燃料電池系統則為45%到47％，高5個百分點。一般情況下，在家庭中，與熱能相比，電力需求更多一些，因此發電效率較高已經成為固體氧化物型燃料電池系統的優點。
＊ 4 LHV：Lower Heating Value（低位發熱量）的縮寫，是指不包括燃料燃燒時產生的水蒸氣潛熱在內的熱量。發電效率定義為「發電量÷為了發電而投入的能源量」，但標記為LHV時，表示作為投入的能源量，使用的是LHV。另一方面，包含潛熱在內的熱量用HHV（Higher Heating Value）表示，有時也將HHV用做「投入的能源量」。發電效率方面，通常LHV比HHV高1成左右。
固體氧化物型燃料電池系統發電效率較高的原因在於工作溫度高達700℃到800℃。以天然氣為燃料的燃料電池是對天然氣進行重整，製造作為最終燃料的氫（H2）。此時大約需要650℃左右的高溫，固體氧化物型燃料電池可使用廢熱。另一方面，工作溫度僅為70℃到90℃的固體高分子型燃料電池需要用於重整的燃氣燃燒器，要使用燃氣，因而導致發電效率降低。
而且固體氧化物型燃料電池陣營介紹的解釋是，〔1〕作為燃料，固體氧化物型燃料電池除了氫之外，還可使用一氧化碳（CO），因此重整器等結構較為簡單，部件個數可減少到1/3到1/2（圖3）；〔2〕電極不使用高價鉑等，因此「與固體高分子型燃料電池系統相比，固體氧化物型燃料電池系統削減成本的潛力較大」。對此抱有危機感的固體高分子型燃料電池陣營也大張旗鼓地宣揚削減成本。成本削減競爭愈發激化。
圖3●固體氧化物型燃料電池系統與固體高分子型燃料電池系統重整器的比較
重整器可使天然氣和液化石油氣(LP-Gas)與水發生反應，提取作為直接燃料的氫和一氧化碳。固體氧化物型燃料電池可將一氧化碳也用作燃料，因此結構比較簡單（a）。固體高分子型燃料電池的燃料電池組會因一氧化碳而產生劣化，因此還需要可使一氧化碳與水發生反應，變成二氧化碳去除的「一氧化碳轉化器」，以及可去除最後殘留的一氧化碳的「一氧化碳去除器」等，因此結構較為複雜（b）。由本刊根據吉坤日礦日石能源的資料製作而成。
耐久性沒有問題？
但固體氧化物型燃料電池也有很大的缺點。高達700℃到800℃的工作溫度帶來的不僅僅是有利之處，同時還會導致難以確保耐久性。
固體氧化物型燃料電池是線性膨脹係數不同的積層陶瓷。如果溫度因啟動和停止等原因在常溫到700℃之間變化，由於熱膨脹係數不同，容易在界面等處出現裂縫。這會導致發電效率降低，縮短產品壽命。
固體氧化物型燃料電池系統為了避免產生這種溫度變化，採用了啟動之後24小時連續運轉的工作方式（圖4）。另一方面，固體高分子型燃料電池系統不易因啟動及停止而出現劣化，因此可根據電力及熱量需求進行運轉。
圖4●固體氧化物型燃料電池系統與固體高分子型燃料電池系統的運轉概念圖
固體氧化物型燃料電池系統基本為24小時連續運轉。在耗電量較少的時段降低輸出運轉（a）。不過，在因旅行等離家及檢查燃氣表時，可停止運轉。吉坤日礦日石能源的固體氧化物型燃料電池系統設想在10年使用期內停運300次左右。另一方面，固體高分子型燃料電池可學習各個家庭的電力及熱量需求變化，據此對運轉進行控制。基本每天啟動停止一次（b）。由本刊根據吉坤日礦日石能源的資料製作而成。
在24小時連續運轉時，一般會在電力及熱量需求較少的深夜時段降低輸出功率，因此發電效率較低（圖5）。再者如果沒有熱需求，那麼在儲熱水單元裝滿之後，其後產生的熱量就會被丟棄。因此，整體效率也會大幅降低。但是，如果反覆進行啟動或停止操作，就會導致單元劣化，為了盡量避免出現這種情況，不得不採取連續運轉方式。不過，這並不能解決耐久性問題。
圖5●固體氧化物型燃料電池系統的輸出與發電效率的關係
數據來自大阪燃氣等5家公司所進行的實證試驗。將2009年的系統與2010年的系統相比較，雖然發電效率有所提高，但兩個系統在降低輸出時，發電效率都大幅下降。
為確保耐久性做出了重大貢獻的，是開發及生產固體氧化物型燃料電池燃料電池組的京瓷公司的技術。該公司目前正在向大阪燃氣陣營及吉坤日礦日石能源雙方提供燃料電池組（圖6）。通過在改良電解質及電極材料的同時，改進燃料電池組結構，提高了耐久性。
圖6●京瓷的燃料電池組
由70枚單元豎立設置構成的模組排成兩列（a）。單元橫截面形狀獨特，類似於田徑運動場的跑道（b）。京瓷的燃料電池組除了大阪燃氣銷售的固體氧化物型燃料電池系統之外，還被吉坤日礦日石能源銷售的固體氧化物型燃料電池系統所採用。
進而還提高了發電時溫度控制的精度。愛信精機公司購買電池組與自產的重整器等組合製造燃料電池單元，通過盡量使電池組內部的溫度平均，提高了發電效率，同時又抑制了劣化。
由多個單元以豎立設置狀態排列構成的燃料電池組，中心部位的溫度容易高於兩端。雖然工作溫度越高，發電效率就越高，但另一方面也會導致劣化。因此最好能夠維持可在發電效率和耐久性之間取得平衡的溫度，不過如果單元溫度不均，就很難實現。如果中央部位溫度比較合適，兩端的溫度就會比較低，而發電效率下降。反之，如果兩端溫度合適，中央的溫度會過高，而導致劣化。
因此，愛信精機通過控制燃氣流量等，控制發電反應，抑制單元溫度不均，同時提高了發電效率和耐久性。耐久性方面，與吉坤日礦日石能源、大阪燃氣陣營共同進行的加速試驗結果顯示，其性能可保證使用10年。
實際上可「減半+α」
那麼，果真能在幾年內將現在為270萬日元的價格降低到50萬到80萬日元嗎？也就是說，必須將價格降低到原先的1/3到1/5左右。
按一般考慮，會覺得相當困難，但實際上廠商並不需要將成本降低到原先的1/3到1/5。這是因為，系統成本中還含有構築銷售體制、維護體制等系統本身之外的其他成本。「從工廠供貨價格的角度考慮，可減半＋α」，負責東芝燃料電池系統的永田解釋說，「這並不是不可能實現的目標。例如即使是一個閥門，如果將月產量從1000多個提高到1萬多個，採購價格便可降到一半以下」。
該公司目前正在以「傘形方式」推進著成本削減，力爭使固體高分子型燃料電池系統的價格降到50萬日元＊5。該方式是將整體成本削減額分攤到各個模組上，然後再進一步分攤到構成模組的各個部件上。目前，針對模組及部件等幾百個對象，「確實能夠實現目標價格」以及「需要做出很大努力」等成本削減可能性分析已經結束。據稱如果能夠實現這一目標，就能夠達到實現50萬日元系統價格的工廠供貨價格。
＊ 5 東芝燃料電池系統在削減固體高分子型燃料電池系統成本的同時，還在開發固體氧化物型燃料電池系統。並不僅僅局限于固體高分子型燃料電池系統。
圖7●東芝燃料電池系統採用的模組配管
將經過沖壓加工的2枚板材合在一起就會形成管道。由於細節部分應用了專有技術，因此東芝燃料電池系統僅公開了低解析度圖像。泵、閥門和感測器等輔機像安裝電子零件一樣，設置於經過沖壓加工的板材上，從而將部件數量削減4成。
目前固體高分子型燃料電池系統的成本構成是：燃料電池組接近2成，重整器為2成，電子模組接近1成，其他（儲熱水單元、配管及機殼等）約佔6成。幾年前電池組和重整器等的成本佔比較高，但隨著削減成本取得進展，目前繼續削減的空間已經比較小。因此，針對所有模組及部件，正在通過採用新的結構和機構削減成本。
對此該公司舉出了一個典型事例，那就是該公司開發並生產、2012年4月起由大阪燃氣等上市的新款固體高分子型燃料電池系統中採用的模組配管（圖7）。燃料電池內部設有輸送熱水和燃氣的複雜配管，與泵、閥門和感測器等輔機相連。
此前的設想是確定輔機的安裝位置，然後通過配管將其連接起來。不過新機型是對2枚板材進行沖壓加工，使之接合起來就能形成管狀流路，一舉完成了配管。永田介紹說，因為在加工時也一併形成了輔機的安裝部件，因此「可以像安裝電子零件一樣地嵌裝輔機。憑藉這一新構造，部件個數減少了4成」。除此之外，還採用了低成本材料，將單元數量減少了15枚，貴金屬觸媒量減少了2成，變頻器基板與控制基板合為一體，等等。
通過3大支柱降低成本
作為降低固體高分子型燃料電池系統成本的突破口，松下公司的岩佐舉出了以下3點：〔1〕開發減少貴金屬觸媒轉換器量等的關鍵技術、〔2〕量產效應、〔3〕零件廠商的開發投資。他說，雖然與固體氧化物型燃料電池系統相比部件個數較多，但在量產效應之下，只要下工夫就有可能實現同等水準的成本。而且，從量產前景來看，將之視為商機的零件廠商增加，因此，各種水準的技術開發將繼續加速。
另一方面，固體氧化物型燃料電池系統由於剛實現商品化，因此燃料電池組的成本佔比較高。燃料電池組是由京瓷的鹿兒島國分工廠製造。通過量產效果能夠削減多少成本，掌握著削減固體氧化物型燃料電池系統整體成本的關鍵。
（全文完）（《日經製造》記者：高田憲一）【日經能源環境網】
引用: http://big5.nikkeibp.com.cn/eco/news/cattechnicalsj/2991-20120620.html?ref=ML&start=3
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