日本家用燃料电池技术进展

刘兰兰

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津 300384)

燃料电池(fuel Cells，FCs)是继火电、水电和核电之后的第四代发电技术，是一种将储存在燃料(如氢气)和氧化剂(如氧气)的化学能，通过电化学反应过程直接转化为电能的电化学发电装置。到目前为止，已经发展了多种类型的燃料电池。根据工作温度的不同，可将燃料电池分为低温 (工作温度低于100℃)、中温(工作温度在100～300 ℃)和高温(工作温度在600～1 000 ℃)三种。最常用的是根据燃料电池所使用电解质的不同可将燃料电池分为5 种主要类型，即碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)。其中，后三种燃料电池是目前世界各国竟相研究开发的重点。由于燃料电池不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环限制，能量转换效率高(燃油机的2～3 倍)，是唯一同时兼备无污染、高效率、适用广、无噪声和具有连续工作和模块化的动力装置，被认为是21 世纪最有发展前景的高效清洁发电技术[1]。

我国正处在一个经济飞速发展的关键时期，面对日益严峻的能源形势、环境问题和人口压力，大力发展高效和环境友好的能源利用技术具有重大的社会和经济意义，而加快发展我国的燃料电池技术和产业化进程更具有特别的意义。日本家用燃料电池系统的发展处于世界领先地位，正在成千上万的日本家庭示范推广。因此，本文介绍了日本家用燃料电池技术进展，以便为我国燃料电池商业化和家用化提供参考和借鉴。

1 家用燃料电池技术

由于燃料电池具有结构简单，占地面积小，效率高，环境友好和安全可靠等优点，燃料电池非常适合在住宅区和家庭中应用，可以提供住宅区建筑物和家庭所需的电力供应，为民众创造一个良好的居住和生活环境。

家用燃料电池可以直接为用户提供家用电器、照明、采暖和空调等所需的电能，同时还可将燃料电池放出的余热回收用来加热水或采暖。据估计家用燃料电池将能节约20%的住宅燃料费用[2]。家用燃料电池可用纯氢作燃料，也可使用天然气、丙烷、甲烷等。

对于用户来说可以有两种供电方式的选择，一种是将燃料电池安装在室内，用户根据用电情况，自行调节燃料电池的运行工况，这种方式的好处是价格相对较低；另一种是将燃料电池安装在社区，用户通过电网向电力公司购买服务，这种方式避免了用户维修的麻烦，比较省事，但价格较高。

2 日本家用燃料电池发展进程

2.1 日本早期家用燃料电池

日本是世界上对能源进口依赖程度最高的国家之一，国内能源90%依赖进口。为此，日本高度重视发展替代能源，其中燃料电池被列为重中之重。日本能源技术革新主要围绕人们的日常生活进行，最引人注目的成果是家用燃料电池。

日本发展燃料电池坚持面向家庭，并且不断加以改进。2002年10月，日本三洋电机公司向市场推出了以城市煤气(或天然气)为燃料的家用小型发电装置。该公司以前曾经推出过一种作为应急电源的高分子电解质型燃料电池，以纯氢为燃料。这种燃料电池是世界上最早研制成功并投放市场的，只是由于纯氢价格高而无法大量推广。为此，该公司改变研究方向，以普及型产品为目标，转而研制以城市煤气为燃料的高分子固体电解质燃料电池(PEFC)，推出的这种家用型燃料电池成本低、体积小，且经久耐用，不仅能发电，而且能提供热水。

应用动作温度较低的PEFC 家用共生系统，是一种可行的节能系统，日本荏原公司2000年开发出了原型—Ⅰ型机系统，2003年又开发了家用1 kW PEFC 共生系统Ⅱ型机，并扩展了基本性能，在原型基础上增加了耗电供热等试验，进一步确认了系统的节能特性。Ⅱ型机是由PEFC 和热水箱两大部分组成。前者进行燃料处理和发电，后者储存电池排热管和燃料处理装置排热生成的热水。与Ⅰ型机相比，Ⅱ型机发电效率有很大提高，达到34%(以低热值为基准)，排热回收效率超过47%，综合效率达81%。电力输出功率为AC 1 000 W，提供热水温度为 60 ℃[3]。

松下等公司2004年纷纷推出了自己研发的家用燃料电池。这些产品一般发电功率约为1 000 W，燃料使用从煤气中提取的氢，不会产生大气污染物。由于技术上已经成熟，东京天然气公司决定从2005年2月起以租赁方式向200 个家庭提供服务，这是燃料电池第一次进人日本家庭。

2005年左右，便携式燃料电池在日本市场上呼声很高。日立公司推出了移动电话用燃料电池。产品的输出值均在数瓦～数十瓦之间。索尼和NEC 等均以笔记本电脑和移动电话等移动终端为使用目标。日立制作开发燃料电池的历史相当悠久。早在1999年便推出了输出功率为20 W 的便携式燃料电池电源、50 W 的高尔夫球车、500 W 的工厂自动搬运车。日立公司认为，作为锂离子充电电池的替代电源，燃料电池非常有竞争力。

日本最大的移动电话制造商NEC 公司已研制成功使用甲醇和纳米技术的燃料电池，其电能储量将是普通锂电池的10 倍。2005年之前，日本不少公司都已开始着手固体高分子燃料电池的开发，电解膜等相关材料不断得到改进。

2.2 日本家用燃料电池的发展现状

日本家用燃料电池系统的发展处于世界领先地位，正在成千上万的日本家庭示范推广。现在，已投放市场的家用燃料电池Ene-Farm 有PEFC 和固体氧化物型(SOFC)两种，二者的工作特性比较如图1所示，其中，应用领先一步的是PEFC。到2008年底，日本家庭拥有超过3 000 台燃料电池(PEM)热电联供(CHP)装置，可使家庭的主要能源用量减少24%，二氧化碳的排放量减少39%。2009年，日本加速了家用燃料电池Ene-Farm 社区燃料电池计划的发展，对于Ene-Farm 系列燃料电池产品具有划时代的意义。从2009年5月开始，松下东京燃气公司的Ene-Farm 机组以大约330 万日元的价格出售；7月，由日本石油公司与日本三洋电气公司联合组建的合资公司Eneos Celltech 公司、东京燃气公司和东芝公司都表示，由其生产的社区Ene-Farm 装置开始面向市场发售。在2009 财年中，日本销售了5 000～6 000 台家用燃料电池，经过一年多的运营，日本的家用燃料电池认可率已经达到71%。

2010年世博会，日本馆松下电器展出了旗下的绿色环保家用燃料电池 (图2)，本产品在2009年已经实现全球首次量产，其中输出功率为1 kW，可为普通家庭提供60%的电力。固体高分子型新型燃料电池使得供普通家庭使用的1 kW 以下燃料电池的发电效率比原有产品提高了2%～3%，达到39%，接近火力发电效率。此外，通过采用热电联产系统，使用发电时排出的热量来烧水，可将能源利用率最高提高至93%。与火力发电相比，同等发电量，该燃料电池二氧化碳的排放量可减少37%。该产品可确保耐用年数达10年以上、运转4 万小时，可启动停止4 千次以上。

图1 PEFC和SOFC两种Ene-Farm的比较

图2 松下电器展出的旗下的绿色环保家用燃料电池

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30%。

2011年，吉坤日矿日石能源公司实现了SOFC 的实用化。SOFC[4]的发电效率比PEFC 高，并且，由于结构简单，也易于降低成本。日本吉坤日矿日石能源公司在2011 中日绿博会上，展示了利用氢能和分散型电源的低碳型能源网络系统(已在日本北九州氢能城镇试验运行)及由“能源使用之家”变成“能源创造之家”的ENEOS 创能住宅。创能住宅包括由太阳能发电和家用燃料电池Ene·Farm 的组合发电系统、太阳能热水系统、高效燃油热水器、高效燃气热水器、蓄电池、家庭能源管理系统(HEMS)、电热地暖等。新开发的SOFC Ene·Farm 用液化气(或天然气)与水在电池内的重整反应器生成氢，然后与空气中的氧气在燃料电池堆内进行化学反应，产生直流电，通过功率调节器，提供家用交流电；另外，回收发电时产生的热能通过热交换器为90 L 的家用贮水槽提供非饮用生活热水，该系统还可抑制二氧化碳的排放量。与以往燃烧化石燃料的能源系统相比，SOFC 型Ene·Farm 的能源效率最高可达87%，其中发电部分45%，供应热水部分42%，额定输出功率为700 W。由于家用燃料电池Ene·Farm 启动时，需用国家电网提供的电力，因此，在日本经历大地震与核泄漏事故后，吉坤日矿日石能源正在研究下一代产品，使其在灾害发生时能独立供电启动；另外一项需改进之处是减小体积。

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(图3)。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。

图3 SOFC的耐久性课题

2013年，日本东京天然气公司与松下集团公开了由两家公司联合开发的新款家用型燃料电池，此发明是对舒适生活和环境保护的又一贡献。据了解，东京天然气公司于2008年5月在全球开始面向普通消费者出售燃料电池，到2013年已累计销售约2.4 万台，并期望在2020年累计销售30 万台。新产品由于大幅提高了密封性，可直接在公寓走廊的管道枢纽处安装燃料电池组、储水槽、备用热源机，非常具有便携性。此外，发电机的脚架也做了强化，抗震能力也大幅增强。新款燃料电池的发电功率为200～750 W，与火力发电和天然气热水器等热水供应方式相比，可减少二氧化碳排放量约一吨。

2015年，日本东京燃气公司与松下宣布，双方共同开发出了用于独户住宅的家用燃料电池Ene-Farm 的新产品，特点是将部件数量削减约15%，并调整了燃料电池堆的构成，使建议零售价比2013年推出的现有产品便宜30 万日元，为160 万日元。另外，发电输出功率由现有产品的200～750 W 变为200～700 W。备用热源机内置的产品将新开发的专用备用热源机安装在了储水单元中，由此将设置所需面积减至1.7 m2左右，与2013年上市的现有产品相比削减约15%。备用热源机无论是内置还是外置，新产品的高度均比现有产品低100 mm，为1 750 mm。另外，松下还将向东京燃气公司以外的其他城市燃气公司供应此次的新产品，截至2015年1月底，松下在日本全国已累计出货约5.2 万台Ene-Farm。

丰田和本田公司计划在2015年、日产汽车公司计划在2017年上市燃料电池车(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[5]，有望实现PEFC 家用燃料电池的进一步技术革新，并且通过生产工序通用化降低部件成本。

3 总结

本文介绍了家用燃料电池的概念及特点，进而论述了日本家用燃料电池的早期发展，并进一步研究了日本家用燃料电池的近期研发及应用情况，以期为我国燃料电池的研究与发展提供一定参考，促进我国燃料电池商业化、实用化和家用化，缓解我国的能源与环境问题。

[1]林维明.燃料电池系统[M].北京：化学工业出版社，1996：50-53.

[2]鲁德宏.燃料电池的节能与环保特性分析[J].发电设备，2003(5)：55-59.

[3]文刀.家用1 kW 固体高分子燃料电池步入实用化[J].家电科技，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.