以往在價格方面不占優(yōu)勢的固體高分子型(PEFC)燃料電池成本日趨下降。與通過發(fā)電效率取勝的固體氧化物型(SOFC)燃料電池之間的開發(fā)競爭似將變得激烈。

日本政府在目前正在探討的《能源基本計劃》中，如何給氫定位已成為重點。家用燃料電池、以氫為燃料的燃料電池車(FCV)及氫制造儲藏技術(shù)共同掌握著實現(xiàn)“氫社會”的關(guān)鍵。

日本政府在今年6月公布的《日本復(fù)興戰(zhàn)略》中提出，力爭在2030年之前設(shè)置530萬臺家用燃料電池。這相當(dāng)于要在日本約1成家庭中設(shè)置燃料電池。據(jù)稱截至2012年12月，已經(jīng)有4.3萬臺投入使用。

現(xiàn)在，已投放市場的家用燃料電池“ENE-FARM”有PEFC和SOFC兩種。其中領(lǐng)先一步的是PEFC，各公司于2009年開始銷售。另一方面，SOFC在2011年由吉坤日礦日石能源公司實現(xiàn)了實用化。

SOFC的發(fā)電效率比PEFC高。并且，由于結(jié)構(gòu)簡單，也易于降低成本。因此有看法認為，“不久SOFC將取代PEFC”。

不過，事情并非這么簡單，最近，借助技術(shù)革新，PEFC開始發(fā)起反攻。那么，在預(yù)測這2種方式的勢力圖之前，先簡單介紹燃料電池的工作原理。

需要去除一氧化碳

相信有許多人曾在理科課堂上做過利用電將水分解為氫和氧的實驗。燃料電池的工作原理就是利用“水電解”的逆反應(yīng)發(fā)電。也就是說，使氫和氧結(jié)合，制造出電和水。

水的電解是“吸熱反應(yīng)”，但燃料電池的工作原理相反，屬于“發(fā)熱反應(yīng)”。使用家用燃料電池的熱電聯(lián)產(chǎn)就是利用這一原理。在發(fā)電裝置中附設(shè)儲熱水槽，回收廢熱并燒熱水。

在水的電解實驗中，為了使電更易通過，而加入氫氧化鈉。在燃料電池中，起到相當(dāng)于氫氧化鈉作用的是“電解質(zhì)”，這是會影響電池性能的重要部件。用于發(fā)電的單元的結(jié)構(gòu)是，利用添加了催化劑的“燃料極”和“空氣極”這2枚電極，將電解質(zhì)夾在中間。

燃料電池的基本工作原理是，首先從城市燃氣中去除硫磺等物質(zhì)，制造出氫，然后將這一燃料供應(yīng)給“燃料極”。

接著，如果是PEFC，其工作原理是，在燃料極的催化劑表面，氫被分解為氫離子和電子，而電解質(zhì)只讓氫離子通過，氫離子單獨向空氣極移動，同時，電子由另外的途徑單獨向空氣極移動，形成電流，然后氫離子和電子與位于空氣極的氧結(jié)合生成水。

而SOFC的工作原理是，首先，空氣中的氧會與空氣極的催化劑接觸、獲得電子成為氧離子，然后通過電解質(zhì)向燃料極移動;在燃料極，利用城市燃氣制造的氫和一氧化碳已經(jīng)成為離子，氧離子會與之結(jié)合，產(chǎn)生水和二氧化碳，并在此時釋放出電子。

生成氫時產(chǎn)生的一氧化碳會降低催化劑的功能。在SOFC中，一氧化碳被用于發(fā)電，而PEFC則在重整器中嵌入了可去除一氧化碳的裝置。

“電池堆”由多個單元構(gòu)成。SOFC為了激活用作電解質(zhì)的陶瓷，工作溫度會達到700℃，不過發(fā)電效率高達45%到60%，廢熱量較少，熱水溫度較高，因此儲熱水單元可實現(xiàn)緊湊設(shè)計，也無需一氧化碳去除裝置，易于降低成本。

使用時的效率相差無幾

PEFC雖單元工作溫度僅為60℃到120℃，但為了促進形成離子，使用了鉑催化劑，并且需要使用一氧化碳去除裝置，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。據(jù)稱PEFC的部件個數(shù)為SOFC的2倍。

不過，SOFC由于工作溫度較高，因此要保持能源效率，需要一直處于運轉(zhuǎn)狀態(tài)。另一方面，PEFC由于工作溫度較低，因此從啟動到發(fā)電用時較短，也可頻繁啟動及停運。東芝燃料電池系統(tǒng)公司董事永田裕二說：“從實際使用情況考慮，PEFC和SOFC在效率方面相差無幾。”

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(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)也與控制電路板實現(xiàn)一體化，減少了部件個數(shù)。并改進了系統(tǒng)整體設(shè)計，使成本削減了3成。

松下公司今年4月開始銷售的機型建議零售價為199.5萬日元，比之前的機型降低了76萬日元。其中，調(diào)整脫硫材料及催化劑使用量起了較大作用。松下將在定期維護等時了解到的用戶使用狀況，及各地區(qū)不同的燃氣特性建立了數(shù)據(jù)庫，并進行了分析，然后根據(jù)分析結(jié)果進行了改良。另一方面，松下裝置公司燃料電池部經(jīng)理加藤玄道指出：“2012年供貨量達到1萬臺，市場正日益擴大，由于有望實現(xiàn)量產(chǎn)效應(yīng)，因此得以降低了成本。”

最近很明顯的動向是PEFC的弱點正在穩(wěn)步得到克服。另一方面，SOFC基本性能部分的改良也有進展。

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(fā)出SOFC型ENE-FARM，并于4月上市。開發(fā)時所面臨的最大課題，就是確保電池堆的耐久性。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(xiàn)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。

“PEFC有發(fā)展前途”

針對2種方式的發(fā)展前景，德勤咨詢公司經(jīng)理尾山耕一認為：“PEFC比較有發(fā)展前途。”日本自民黨議員于今年6月組織了“促進實現(xiàn)以FCV為中心的氫社會研究會”(原環(huán)境大臣小池百合子擔(dān)任會長)，豐田汽車公司等民營企業(yè)也參與其中，德勤咨詢目前擔(dān)任著企業(yè)秘書處的工作。

豐田和本田公司計劃在2015年、日產(chǎn)汽車公司計劃在2017年上市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)，有望實現(xiàn)PEFC家用燃料電池的進一步技術(shù)革新，及通過生產(chǎn)工序通用化降低部件成本。

而且，經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省也計劃在2015年之前建設(shè)100處FCV氫基礎(chǔ)設(shè)施。PEFC家用燃料電池的難點在于燃氣脫硫及重整工序較為復(fù)雜，但如果能夠直接供應(yīng)氫，便可大幅削減部件個數(shù)。

另一方面，日本的電力系統(tǒng)改革也對SOFC起到了推動作用。現(xiàn)在，電力公司不收購燃料電池生成的電力。但如果制度發(fā)生變化，普通家庭可以銷售燃料電池所發(fā)電力，那么選擇發(fā)電效率較高的SOFC的消費者也許會增加。大阪燃氣生活事業(yè)部商品技術(shù)開發(fā)部SOFC開發(fā)組經(jīng)理巖田伸表示：“我們將兼顧PEFC和SOFC同時予以發(fā)展。”

2011年7月，經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省制定了“力爭到2016年，包括設(shè)置施工費在內(nèi)，將設(shè)備采用費用降到70萬到80萬日元”的方針。巖田經(jīng)理說：“我們已有了進一步提高SOFC發(fā)電效率等降低價格的創(chuàng)意。”隨著氫社會逐漸具備現(xiàn)實意味，家用燃料電池似乎也將發(fā)生進一步的技術(shù)革新。