劉蘭蘭

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384)

燃料電池(fuel Cells，F(xiàn)Cs)是繼火電、水電和核電之后的第四代發(fā)電技術(shù)，是一種將儲(chǔ)存在燃料(如氫氣)和氧化劑(如氧氣)的化學(xué)能，通過電化學(xué)反應(yīng)過程直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)發(fā)電裝置。到目前為止，已經(jīng)發(fā)展了多種類型的燃料電池。根據(jù)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(jù)燃料電池所使用電解質(zhì)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(zhì)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(guó)竟相研究開發(fā)的重點(diǎn)。由于燃料電池不經(jīng)過燃燒過程，因而不受卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)換效率高(燃油機(jī)的2～3 倍)，是唯一同時(shí)兼?zhèn)錈o污染、高效率、適用廣、無噪聲和具有連續(xù)工作和模塊化的動(dòng)力裝置，被認(rèn)為是21 世紀(jì)最有發(fā)展前景的高效清潔發(fā)電技術(shù)[1]。

我國(guó)正處在一個(gè)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，面對(duì)日益嚴(yán)峻的能源形勢(shì)、環(huán)境問題和人口壓力，大力發(fā)展高效和環(huán)境友好的能源利用技術(shù)具有重大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義，而加快發(fā)展我國(guó)的燃料電池技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程更具有特別的意義。日本家用燃料電池系統(tǒng)的發(fā)展處于世界領(lǐng)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(shù)進(jìn)展，以便為我國(guó)燃料電池商業(yè)化和家用化提供參考和借鑒。

1 家用燃料電池技術(shù)

由于燃料電池具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占地面積小，效率高，環(huán)境友好和安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，燃料電池非常適合在住宅區(qū)和家庭中應(yīng)用，可以提供住宅區(qū)建筑物和家庭所需的電力供應(yīng)，為民眾創(chuàng)造一個(gè)良好的居住和生活環(huán)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(diào)等所需的電能，同時(shí)還可將燃料電池放出的余熱回收用來加熱水或采暖。據(jù)估計(jì)家用燃料電池將能節(jié)約20%的住宅燃料費(fèi)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(duì)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(nèi)，用戶根據(jù)用電情況，自行調(diào)節(jié)燃料電池的運(yùn)行工況，這種方式的好處是價(jià)格相對(duì)較低；另一種是將燃料電池安裝在社區(qū)，用戶通過電網(wǎng)向電力公司購買服務(wù)，這種方式避免了用戶維修的麻煩，比較省事，但價(jià)格較高。

2 日本家用燃料電池發(fā)展進(jìn)程

2.1 日本早期家用燃料電池

日本是世界上對(duì)能源進(jìn)口依賴程度最高的國(guó)家之一，國(guó)內(nèi)能源90%依賴進(jìn)口。為此，日本高度重視發(fā)展替代能源，其中燃料電池被列為重中之重。日本能源技術(shù)革新主要圍繞人們的日常生活進(jìn)行，最引人注目的成果是家用燃料電池。

日本發(fā)展燃料電池堅(jiān)持面向家庭，并且不斷加以改進(jìn)。2002年10月，日本三洋電機(jī)公司向市場(chǎng)推出了以城市煤氣(或天然氣)為燃料的家用小型發(fā)電裝置。該公司以前曾經(jīng)推出過一種作為應(yīng)急電源的高分子電解質(zhì)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(chǎng)的，只是由于純氫價(jià)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(chǎn)品為目標(biāo)，轉(zhuǎn)而研制以城市煤氣為燃料的高分子固體電解質(zhì)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(jīng)久耐用，不僅能發(fā)電，而且能提供熱水。

應(yīng)用動(dòng)作溫度較低的PEFC 家用共生系統(tǒng)，是一種可行的節(jié)能系統(tǒng)，日本荏原公司2000年開發(fā)出了原型—Ⅰ型機(jī)系統(tǒng)，2003年又開發(fā)了家用1 kW PEFC 共生系統(tǒng)Ⅱ型機(jī)，并擴(kuò)展了基本性能，在原型基礎(chǔ)上增加了耗電供熱等試驗(yàn)，進(jìn)一步確認(rèn)了系統(tǒng)的節(jié)能特性。Ⅱ型機(jī)是由PEFC 和熱水箱兩大部分組成。前者進(jìn)行燃料處理和發(fā)電，后者儲(chǔ)存電池排熱管和燃料處理裝置排熱生成的熱水。與Ⅰ型機(jī)相比，Ⅱ型機(jī)發(fā)電效率有很大提高，達(dá)到34%(以低熱值為基準(zhǔn))，排熱回收效率超過47%，綜合效率達(dá)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(fā)的家用燃料電池。這些產(chǎn)品一般發(fā)電功率約為1 000 W，燃料使用從煤氣中提取的氫，不會(huì)產(chǎn)生大氣污染物。由于技術(shù)上已經(jīng)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(gè)家庭提供服務(wù)，這是燃料電池第一次進(jìn)人日本家庭。

2005年左右，便攜式燃料電池在日本市場(chǎng)上呼聲很高。日立公司推出了移動(dòng)電話用燃料電池。產(chǎn)品的輸出值均在數(shù)瓦～數(shù)十瓦之間。索尼和NEC 等均以筆記本電腦和移動(dòng)電話等移動(dòng)終端為使用目標(biāo)。日立制作開發(fā)燃料電池的歷史相當(dāng)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(dòng)搬運(yùn)車。日立公司認(rèn)為，作為鋰離子充電電池的替代電源，燃料電池非常有競(jìng)爭(zhēng)力。

日本最大的移動(dòng)電話制造商N(yùn)EC 公司已研制成功使用甲醇和納米技術(shù)的燃料電池，其電能儲(chǔ)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(fā)，電解膜等相關(guān)材料不斷得到改進(jìn)。

2.2 日本家用燃料電池的發(fā)展現(xiàn)狀

日本家用燃料電池系統(tǒng)的發(fā)展處于世界領(lǐng)先地位，正在成千上萬的日本家庭示范推廣。現(xiàn)在，已投放市場(chǎng)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(yīng)用領(lǐng)先一步的是PEFC。到2008年底，日本家庭擁有超過3 000 臺(tái)燃料電池(PEM)熱電聯(lián)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(qū)燃料電池計(jì)劃的發(fā)展，對(duì)于Ene-Farm 系列燃料電池產(chǎn)品具有劃時(shí)代的意義。從2009年5月開始，松下東京燃?xì)夤镜腅ne-Farm 機(jī)組以大約330 萬日元的價(jià)格出售；7月，由日本石油公司與日本三洋電氣公司聯(lián)合組建的合資公司Eneos Celltech 公司、東京燃?xì)夤竞蜄|芝公司都表示，由其生產(chǎn)的社區(qū)Ene-Farm 裝置開始面向市場(chǎng)發(fā)售。在2009 財(cái)年中，日本銷售了5 000～6 000 臺(tái)家用燃料電池，經(jīng)過一年多的運(yùn)營(yíng)，日本的家用燃料電池認(rèn)可率已經(jīng)達(dá)到71%。

2010年世博會(huì)，日本館松下電器展出了旗下的綠色環(huán)保家用燃料電池 (圖2)，本產(chǎn)品在2009年已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全球首次量產(chǎn)，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(fā)電效率比原有產(chǎn)品提高了2%～3%，達(dá)到39%，接近火力發(fā)電效率。此外，通過采用熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，使用發(fā)電時(shí)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(fā)電相比，同等發(fā)電量，該燃料電池二氧化碳的排放量可減少37%。該產(chǎn)品可確保耐用年數(shù)達(dá)10年以上、運(yùn)轉(zhuǎn)4 萬小時(shí)，可啟動(dòng)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(huán)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(jī)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(kuò)散性，提高了單元的發(fā)電效率，將單元數(shù)量減少了15%，將所發(fā)電力從直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姷哪孀兤?功率調(diào)節(jié)器)也與控制電路板實(shí)現(xiàn)一體化，減少了部件個(gè)數(shù)，并改進(jìn)了系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)，使成本削減了30%。

2011年，吉坤日礦日石能源公司實(shí)現(xiàn)了SOFC 的實(shí)用化。SOFC[4]的發(fā)電效率比PEFC 高，并且，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(huì)上，展示了利用氫能和分散型電源的低碳型能源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(已在日本北九州氫能城鎮(zhèn)試驗(yàn)運(yùn)行)及由“能源使用之家”變成“能源創(chuàng)造之家”的ENEOS 創(chuàng)能住宅。創(chuàng)能住宅包括由太陽能發(fā)電和家用燃料電池Ene·Farm 的組合發(fā)電系統(tǒng)、太陽能熱水系統(tǒng)、高效燃油熱水器、高效燃?xì)鉄崴?、蓄電池、家庭能源管理系統(tǒng)(HEMS)、電熱地暖等。新開發(fā)的SOFC Ene·Farm 用液化氣(或天然氣)與水在電池內(nèi)的重整反應(yīng)器生成氫，然后與空氣中的氧氣在燃料電池堆內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生直流電，通過功率調(diào)節(jié)器，提供家用交流電；另外，回收發(fā)電時(shí)產(chǎn)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(tǒng)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(tǒng)相比，SOFC 型Ene·Farm 的能源效率最高可達(dá)87%，其中發(fā)電部分45%，供應(yīng)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(dòng)時(shí)，需用國(guó)家電網(wǎng)提供的電力，因此，在日本經(jīng)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(chǎn)品，使其在災(zāi)害發(fā)生時(shí)能獨(dú)立供電啟動(dòng)；另外一項(xiàng)需改進(jìn)之處是減小體積。

日本大阪燃?xì)夤?、愛信精機(jī)公司和京瓷公司合作，于2012年3月共同開發(fā)出 SOFC 型Ene-Farm，并于4月上市。開發(fā)時(shí)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(shí)的溫度高達(dá)700 ℃左右，因此隨著溫度的變化，有時(shí)單元會(huì)出現(xiàn)裂縫。大阪燃?xì)獾葘?duì)這種情況進(jìn)行了改良。還有一個(gè)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(huì)隨之而增大，因此采取了對(duì)集電體表面進(jìn)行涂布加工等對(duì)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(tuán)公開了由兩家公司聯(lián)合開發(fā)的新款家用型燃料電池，此發(fā)明是對(duì)舒適生活和環(huán)境保護(hù)的又一貢獻(xiàn)。據(jù)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(fèi)者出售燃料電池，到2013年已累計(jì)銷售約2.4 萬臺(tái)，并期望在2020年累計(jì)銷售30 萬臺(tái)。新產(chǎn)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(chǔ)水槽、備用熱源機(jī)，非常具有便攜性。此外，發(fā)電機(jī)的腳架也做了強(qiáng)化，抗震能力也大幅增強(qiáng)。新款燃料電池的發(fā)電功率為200～750 W，與火力發(fā)電和天然氣熱水器等熱水供應(yīng)方式相比，可減少二氧化碳排放量約一噸。

2015年，日本東京燃?xì)夤九c松下宣布，雙方共同開發(fā)出了用于獨(dú)戶住宅的家用燃料電池Ene-Farm 的新產(chǎn)品，特點(diǎn)是將部件數(shù)量削減約15%，并調(diào)整了燃料電池堆的構(gòu)成，使建議零售價(jià)比2013年推出的現(xiàn)有產(chǎn)品便宜30 萬日元，為160 萬日元。另外，發(fā)電輸出功率由現(xiàn)有產(chǎn)品的200～750 W 變?yōu)?00～700 W。備用熱源機(jī)內(nèi)置的產(chǎn)品將新開發(fā)的專用備用熱源機(jī)安裝在了儲(chǔ)水單元中，由此將設(shè)置所需面積減至1.7 m2左右，與2013年上市的現(xiàn)有產(chǎn)品相比削減約15%。備用熱源機(jī)無論是內(nèi)置還是外置，新產(chǎn)品的高度均比現(xiàn)有產(chǎn)品低100 mm，為1 750 mm。另外，松下還將向東京燃?xì)夤疽酝獾钠渌鞘腥細(xì)夤竟?yīng)此次的新產(chǎn)品，截至2015年1月底，松下在日本全國(guó)已累計(jì)出貨約5.2 萬臺(tái)Ene-Farm。

豐田和本田公司計(jì)劃在2015年、日產(chǎn)汽車公司計(jì)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(yīng)用在車用燃料電池領(lǐng)域開發(fā)的技術(shù)[5]，有望實(shí)現(xiàn)PEFC 家用燃料電池的進(jìn)一步技術(shù)革新，并且通過生產(chǎn)工序通用化降低部件成本。

3 總結(jié)

本文介紹了家用燃料電池的概念及特點(diǎn)，進(jìn)而論述了日本家用燃料電池的早期發(fā)展，并進(jìn)一步研究了日本家用燃料電池的近期研發(fā)及應(yīng)用情況，以期為我國(guó)燃料電池的研究與發(fā)展提供一定參考，促進(jìn)我國(guó)燃料電池商業(yè)化、實(shí)用化和家用化，緩解我國(guó)的能源與環(huán)境問題。

[1]林維明.燃料電池系統(tǒng)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1996：50-53.

[2]魯?shù)潞?燃料電池的節(jié)能與環(huán)保特性分析[J].發(fā)電設(shè)備，2003(5)：55-59.

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

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[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.