ENE-FARMtype S：700W全球最高发电效率SOFC型燃料电池面世

【导读】风能、太阳能在新能源发电领域所表现出突出优势之余，也凸显出来一些制约其健康成长的重大问题——电源稳定性、防雷、并网后对传统电网的污染等，于是一种高效率稳定的发电技术“被”需求——ENE-FARMtype S——SOFC 型燃料电池发电。想看出来传统发电、风能、太阳能发电之外的其他发电技术，请看本文报道...

本大阪燃气、爱信精机、京瓷、长府制作所、丰田五家公司于2012年3月13日宣布，已完成家用固体氧化物型燃料电池（SOFC）的联合开发，将由大阪燃气于4月27日以“ENE-FARMtype S”的商品名投放市场。该产品的特点是达到了全球最高水平的发电效率。输出功率为700W，用作家庭基础电源的同时，还用作利用废热烧热水的热水器。



图1●大阪燃气即将上市的SOFC的构成
天然气通过重整器分解成氢和一氧化碳并被送入电池组。电池组中收纳有燃料电池。反应产生的热用于城市燃气重整和烧热水。SOFC的价格，包括燃料电池单元和热水单元在内的系统为275.1万日元（含税，设置施工费另计）。外形尺寸燃料电池单元为宽600×高935×长335mm，热水单元为740×1760×310mm。顺便一提，吉坤日矿日石能源的SOFC价格为270万日元（不含税，施工费另计）。

这是继吉坤日矿日石能源公司于2011年10月上市输出功率为700W的产品之后，第二个实现商品化的家用SOFC。吉坤日矿日石能源的SOFC发电效率为45 ％（LHV），而大阪燃气的SOFC达到了46.5％。

通过高温工作实现较高的发电效率
许多企业也纷纷计划今后实现SOFC的商品化。住友精密工业公司将于2013年推出输出功率为1kW的家用及10kW的商用SOFC。另外，三菱重工业公司在2012年2月29日～3月2日举行的“FC EXPO 2012第8届日本国际氢能燃料电池展”上宣布，从2013年度起开始受理用作发电设备、输出功率为250kW的SOFC订单。
家用燃料电池统一通称为“ENE-FARM”，从2009年度起由燃气公司等进行销售。不过，此前已经实现商品化的，主要是方式不同于SOFC的固体高分子型燃料电池（PEFC）。PEFC的发电效率（LHV）为37～40％，而发电效率比其还高5～10个百分点的SOFC作为新型燃料电池开始步入实用阶段（表）。



SOFC与PEFC同样，燃料使用城市燃气（天然气）、液化石油气（LPG，也就是液化瓦斯），但发电机理和构成材料并不相同（图2）。SOFC的电解质是使用氧化锆类陶瓷，氧离子（O2-）在其中移动。而PEFC是通过使氢离子（H+）在高分子膜电解质中移动进行发电。

图2●SOFC和PEFC发电工作原理
在SOFC中，被引导至负极（燃料极）的H2与通过电解质移动过来的O2-发生反应形成H2O时，电子从负极移动到正极（空气极），产生电流。虽图示上并未显示，但对天然气等进行重整时与氢气同时产生的CO也与O2-发生反应转变为CO2时发电（a）。而PEFC则是H+在电解质中从负极处移动到正极处，与O2发生反应形成H2O时发电。

SOFC的特点是发电效率较高，而其最大的原因在于工作温度高达700～800℃。实际上，用于发电反应的氢和一氧化碳（CO）是通过对燃料天然气、LPG进行重整生成的。京瓷称：“此时需要几百度的高温，不过SOFC能够将发电反应的废热用于此处。而PEFC的工作温度为70～90℃左右，废热温度过低，需要设置用于重整的燃气燃烧器。”这时会消耗燃气，导致发电效率降低。
解决耐久性问题

之前虽然具备发电效率较高的优点，却无法实现产品化的最大原因在于对其耐久性感到不安。非常高的工作温度对于构成SOFC的材料来说是巨大的负担。特别是启动、停止时高达700℃的温度变化非常严酷。为了避免这种情况，SOFC基本是24小时连续运转。在电力消费较少的夜间，PEFC是停止运转，但SOFC是降低输出功率继续工作。

大阪燃气称，在改进运转方式之外，还“通过改良电解质、电极材料和确立耐久性评估法，以能保证10年运转，是实现商品化的最大因素”。该公司SOFC的价格为275.1万日元左右（含税，施工费另计），与输出功率700W的PEFC相同。

SOFC除了发电效率较高之外，还具备重整器简单、工作温度高、可制造高温热水因此能够减小储水槽体积等特点。吉坤日矿日石能源的SOFC与PEFC相比，体积缩小了40％。可设置于狭窄场所，因此在销售方面很占优势。据该公司预计，从开始上市的2011年10月到2012年3月，销量大约为700台。虽然该公司也在销售PEFC，但SOFC的销量大幅高于PEFC。

把SOFC的高发电效率活用于商用发电设备也开始有了具体行动。三菱重工计划2013年开始受理输出功率为250kW的SOFC订单（图3）。将于2012年夏季开始进行输出功率相同的SOFC的实证试验。通过组合使用利用废热的燃气轮机，发电效率预计能够达到55 ％（LHV）。


图3●三菱重工正在推进开发的商业发电用途SOFC的结构
三菱重工的SOFC采用了圆筒形单元。组合使用多个单元制成套管，再组装成子模块、模块，即能实现较大的输出功率。

三菱重工计划进一步提高输出功率，最终使组合了大型SOFC、燃气轮机、蒸汽涡轮，输出功率达80万kW的系统，实现70％以上（LHV）的发电效率，比最新天然气发电设备高10％左右。