2013年12月02日08:46
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以往在價格方面不佔優勢的固體高分子型（PEFC）燃料電池成本日趨下降。與通過發電效率取勝的固體氧化物型（SOFC）燃料電池之間的開發競爭似將變得激烈。
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）及氫制造儲藏技術共同掌握著實現“氫社會”的關鍵。
日本政府在今年6月公布的《日本復興戰略》中提出，力爭在2030年之前設置530萬台家用燃料電池。這相當於要在日本約1成家庭中設置燃料電池。據稱截至2012年12月，已經有4.3萬台投入使用。
現在，已投放市場的家用燃料電池“ENE-FARM”有PEFC和SOFC兩種。其中領先一步的是PEFC，各公司於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了實用化。
SOFC的發電效率比PEFC高。並且，由於結構簡單，也易於降低成本。因此有看法認為，“不久SOFC將取代PEFC”。
不過，事情並非這麼簡單，最近，借助技術革新，PEFC開始發起反攻。那麼，在預測這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”的逆反應發電。也就是說，使氫和氧結合，制造出電和水。
水的電解是“吸熱反應”，但燃料電池的工作原理相反，屬於“發熱反應”。使用家用燃料電池的熱電聯產就是利用這一原理。在發電裝置中附設儲熱水槽，回收廢熱並燒熱水。
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，起到相當於氫氧化鈉作用的是“電解質”，這是會影響電池性能的重要部件。用於發電的單元的結構是，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，制造出氫，然后將這一燃料供應給“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，而電解質隻讓氫離子通過，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於空氣極的氧結合生成水。
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成為離子，氧離子會與之結合，產生水和二氧化碳，並在此時釋放出電子。
生成氫時產生的一氧化碳會降低催化劑的功能。在SOFC中，一氧化碳被用於發電，而PEFC則在重整器中嵌入了可去除一氧化碳的裝置。
“電池堆”由多個單元構成。SOFC為了激活用作電解質的陶瓷，工作溫度會達到700℃，不過發電效率高達45%到60％，廢熱量較少，熱水溫度較高，因此儲熱水單元可實現緊湊設計，也無需一氧化碳去除裝置，易於降低成本。
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，並且需要使用一氧化碳去除裝置，結構較為復雜。據稱PEFC的部件個數為SOFC的2倍。
不過，SOFC由於工作溫度較高，因此要保持能源效率，需要一直處於運轉狀態。另一方面，PEFC由於工作溫度較低，因此從啟動到發電用時較短，也可頻繁啟動及停運。東芝燃料電池系統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。”
東芝公司於2009年上市了PEFC型ENE-FARM，之后於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％。並且，還通過提高氫和氧的擴散性，提高了單元的發電效率，將單元數量減少了15％。將所發電力從直流電轉變為交流電的逆變器（功率調節器）也與控制電路板實現一體化，減少了部件個數。並改進了系統整體設計，使成本削減了3成。
鬆下公司今年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，調整脫硫材料及催化劑使用量起了較大作用。鬆下將在定期維護等時了解到的用戶使用狀況，及各地區不同的燃氣特性建立了數據庫，並進行了分析，然后根據分析結果進行了改良。另一方面，鬆下裝置公司燃料電池部經理加藤玄道指出：“2012年供貨量達到1萬台，市場正日益擴大，由於有望實現量產效應，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，於2012年3月共同開發出SOFC型ENE-FARM，並於4月上市。開發時所面臨的最大課題，就是確保電池堆的耐久性。由於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。因此採取了對集電體表面進行涂布加工等對策。
“PEFC有發展前途”
針對2種方式的發展前景，德勤咨詢公司經理尾山耕一認為：“PEFC比較有發展前途。”日本自民黨議員於今年6月組織了“促進實現以FCV為中心的氫社會研究會”（原環境大臣小池百合子擔任會長），豐田汽車公司等民營企業也參與其中，德勤咨詢目前擔任著企業秘書處的工作。
豐田和本田公司計劃在2015年、日產汽車公司計劃在2017年上市FCV市售車型。各公司均將採用PEFC型燃料電池。通過應用在車用燃料電池領域開發的技術，有望實現PEFC家用燃料電池的進一步技術革新，及通過生產工序通用化降低部件成本。
而且，經濟產業省也計劃在2015年之前建設100處FCV氫基礎設施。PEFC家用燃料電池的難點在於燃氣脫硫及重整工序較為復雜，但如果能夠直接供應氫，便可大幅削減部件個數。
另一方面，日本的電力系統改革也對SOFC起到了推動作用。現在，電力公司不收購燃料電池生成的電力。但如果制度發生變化，普通家庭可以銷售燃料電池所發電力，那麼選擇發電效率較高的SOFC的消費者也許會增加。大阪燃氣生活事業部商品技術開發部SOFC開發組經理岩田伸表示：“我們將兼顧PEFC和SOFC同時予以發展。”
2011年7月，經濟產業省制定了“力爭到2016年，包括設置施工費在內，將設備採用費用降到70萬到80萬日元”的方針。岩田經理說：“我們已有了進一步提高SOFC發電效率等降低價格的創意。”隨著氫社會逐漸具備現實意味，家用燃料電池似乎也將發生進一步的技術革新。（作者:外?祐理子，日經能源環境網 供稿）
