第一情报 ---能源与环境

SOFC型燃料电池相继在家庭及商用领域实现商品化

供稿人:顾震宇  供稿时间:2012-7-20   关键字:固体氧化物燃料电池  商业化  

日本大阪燃气、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)。

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*1),而大阪燃气的SOFC达到了46.5%。

*1 LHV Lower Heating Value(低热值)的缩写,指不包含燃料燃烧时产生的水蒸气的潜热在内的热量。发电效率的定义是,“发电量÷为发电而投入的能源量”,标记有LHV时表示作为“为发电而投入的能源量”使用LEV。


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)*2。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)。

*2 目前针对燃料电池车进行开发的也是PEFC。

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)*3,与输出功率700W的PEFC相同。

*3 日本正在研究2012年度对设置家用燃料电池提供约70万日元补贴。

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*4。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)。

*4 实证试验是在日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)的支援下实施。

 

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。

参考文献:

1、高田宪一. SOFC型燃料電池が相次ぎ商品化高効率を武器に家庭/業務/売電用に参入. http://china.nikkeibp.com.cn/eco/


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