優化組合PEFC和SOFC，燃料電池發電效率突破50%！
【日經BP社報導】為了實現低碳社會，從2007年度起，東京工業大學研發小組與東京燃氣公司在共同推進「燃料電池聯產實證試驗」。其主要內容是，通過優化組合利用兩種燃料電池，提高化石燃料利用效率及發電效率。「希望通過優化組合使用兩種燃料電池，提高化石燃料的利用效率。」
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東京工業大學特聘教授荒木和路
「燃料電池聯產實證試驗」項目負責人、特聘教授荒木和路充滿信心地說道。
東京工業大學目前正在推進「AES項目」。AES是Advanced Energy Systems for Sustainability的縮寫，是指「旨在實現可持續社會的先進能源系統」。AES項目通過產學官合作，啟動了多個子項目，目前正積極推進研究開發及驗證實驗。燃料電池聯產實證試驗也是其中一個子項目。自2007年度起為期3年，作為日本國土交通省「住宅及建築相關先導技術開發扶持事業」實施。
燃料電池聯產實證試驗是為了實現低碳社會，由東京工業大學教授山崎陽太郎的研發小組與東京燃氣從2007年度起在共同推進的項目。荒木特聘教授原來是東京燃氣的能源系統技術人員，目前作為東京工業大學特聘教授，在推進該項目中承擔核心作用。
燃料電池本來是通過使氫和氧發生反應來發電。雖然名稱中帶有「電池」二字，但並不會像普通電池一樣存儲電力，而是將氫和氧發生反應變成水時產生的化學能源直接轉化為電力，可說是一種「發電裝置」。不過，雖然同為發電裝置，卻與燃燒化石燃料製造蒸汽、利用生成的蒸汽旋轉渦輪發電的火力發電等不同，發電時只產生水。所以被認為比較「環保」。
那麼，荒木特聘教授所說的「提高化石燃料的利用效率」究竟是指什麼？
在制氫過程中產生二氧化碳
實際上，燃料電池雖然在發電時不使用化石燃料，但目前作為材料的氫是通過燃燒石油及城市燃氣等化石燃料製造的。也就是說，在氫製造過程中，會產生二氧化碳。
要盡可能減少製造氫時產生的二氧化碳——這就是該項目的目標所在。「通過優化組合使用兩種燃料電池，可提高化石燃料的利用效率，因此應該可以削減二氧化碳排放量，提高發電效率」，這是該項目所設想的方案。
燃料電池單元由陰極、陽極及電解質膜構成。現在，燃料電池根據使用的電解質膜，主要可分為四類。該項目使用的是實用化研發取得最大進展的「固體高分子型燃料電池（PEFC）」和「固體氧化物型燃料電池（SOFC）」兩種電池。
固體高分子型燃料電池目前已經應用於東京燃氣推出的家用燃料電池系統「ENE-FARM」，或許可以說是最常見的燃料電池。
固體高分子型燃料電池是使用稱為「重整器」的裝置，利用城市燃氣製造氫，將生成的氫提供給固體高分子型燃料電池主機，使之與空氣中的氧發生反應進行發電。製造氫需要使重整器溫度達到幾百度的高溫。因此，加熱重整器時也要使用城市燃氣。也就是說，城市燃氣要同時用作製造氫材料及加熱燃料。
固體高分子型燃料電池主體的工作溫度為80～100度。由於在燃料電池中溫度最低，因此啟動時間較短。這是其在家用及汽車用途被視為最有前途的一個重要原因。不過，發電效率僅為30～40％，在燃料電池中為最低，提高發電效率已經成為亟需解決的課題。
另一方面，固體氧化物型燃料電池的工作溫度為800～1000度，屬於燃料電池中最高的溫度。固體高分子型燃料電池製造氫時，是燃燒城市燃氣來加熱重整器，相反固體氧化物型燃料電池則是在工作時使用廢熱加熱重整器。也就是說，加熱重整器無需燃燒城市燃氣。
另外，固體高分子型燃料電池只能利用氫發電，但固體氧化物型燃料電池可利用氫和一氧化碳來發電。因此，發電效率高達45～55％，可與最新型火力發電站相媲美。發電輸出最高也達幾十兆瓦，與固體高分子型燃料電池最高幾十千瓦相比，差三位數。不過，由於工作溫度高，因此要將溫度提高到800度左右，需要花費不少時間，啟動較慢。另外，由於溫度高達800度，因此被認為很難設置於住宅檐端。因此在辦公大樓及公寓等方面的應用受到期待。
使用高溫的剩餘熱能
該項目是要組合使用上述兩種燃料電池，相互取長補短，提高整個燃料電池系統的化石燃料利用效率。就像一種拼圖遊戲。
此時有兩個要點。第一點是有效利用固體氧化物型燃料電池的廢熱，第二點是再利用重整器的廢氣。
固體氧化物型燃料電池使用自身產生的廢熱製造氫，但並沒有用光所有的廢熱。於是該項目首先考慮的是能否將剩餘廢熱提供給固體高分子型燃料電池的重整器，使用這些熱量製造氫。以此來減少加熱重整器所使用的城市燃氣。
並且，使用重整器利用城市燃氣製造氫時，同時還會生成一氧化碳等。於是便想到固體氧化物型燃料電池的特徵，即除了氫之外，還可利用一氧化碳發電。首先，從重整器排出的廢氣中僅分離出氫，存儲于儲氫槽中，作為固體高分子型燃料電池的發電材料。並將去除氫之後的一氧化碳提供給固體氧化物型燃料電池，通過固體氧化物型燃料電池發電。
總而言之，就是對單獨使用固體氧化物型燃料電池發電時會被丟棄的剩餘高溫熱能加以利用，製造用於固體高分子型燃料電池的氫。同時，以往利用固體高分子型燃料電池發電時，重整器廢氣中所含的一氧化碳因無法使用而被丟棄，而現在將這些一氧化碳提供給固體氧化物型燃料電池，通過固體氧化物型燃料電池發電。
發電效率成功突破50％
荒木特聘教授說：「合作（Collaboration）和組合（Combination）等的「co」意指「雙方」、「兩個」，而燃料電池聯產則含有使用燃料電池，製造電力和氫兩種物質的意思。」
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燃料電池氫聯產概念圖。使用固體氧化物型燃料電池的廢熱，製造用於固體高分子型燃料電池的氫。並將固體高分子型燃料電池重整器排出的廢氣送入固體氧化物型燃料電池，再利用於發電。(點擊放大)
研究人員于2007年開始，在位於東京都目黑區大岡山車站前的東京工業大學蔵前會館用地內開始實證試驗。
2010年1月，經過3年的實證試驗，組合使用固體高分子型燃料電池和固體氧化物型燃料電池的「複合發電系統」，發電效率成功突破了50％。
荒木特聘教授回顧該項目這樣說道：「試驗設備的發電效率在單獨使用固體氧化物型燃料電池時為45％左右。通過採用複合發電，提高了5％以上，意義深遠。」
「以往的固體氧化物型燃料電池是以單獨工作為前提進行優化設計。不過，如果在固體氧化物型燃料電池工作時，從外部送入廢氣，固體氧化物型燃料電池內部的燃氣溫度分佈會發生變化。因此很容易導致固體氧化物型燃料電池發電效率降低及發生故障。如何解決這一課題已經成為決定本項目成敗的最大因素。」
輸入廢氣產生溫度不均
實際上，固體氧化物型燃料電池的單元由陶瓷製成，呈圓柱形。幾十個單元連接在一起，由重整器製造的氫和一氧化碳在其中流過。在流動過程中與氧發生反應併發電。
不過，從外部送入廢氣，會使單元內部溫度產生變化及不均。結果，化學反應會發生變化，並引起新的溫度變化及不均。如果溫度發生變化，單元中的燃氣流向也會發生變化。這將成為發電效率降低及出現故障的原因。
目前，製造固體氧化物型燃料電池單元的有京瓷、新日本石油、東陶、日本礙子等多家企業，在固體氧化物型燃料電池中，如何使單元中的氣體溫度均勻地保持一定的高溫，是提高發電效率的重要因素。這裡凝聚了各企業的專有技術，已經成為各公司最拿手的地方。
荒木特聘教授笑著說：「特意送入廢氣使溫度分佈出現不均，對於企業來說肯定是非常荒謬，不合乎常理的。」
該項目以東京工業大學研發小組為核心，通過電腦模擬，重現了氣體在單元內的流動、隨之發生的溫度分佈變化。並以此為基礎，調整廢氣送入量等，反覆進行改進。最終成功地解決了課題。其成果對發電效率突破50％起了重要作用。
可同時應對燃料電池車和電動汽車
如果該複合發電系統實現實用化，便可在公寓等處，使用固體氧化物型燃料電池提供一定量的電力，同時製造氫存儲于儲氫槽中。在空調滿負荷運轉的酷暑天氣等電力需求暫時性猛增時，使用存儲的氫，通過固體高分子型燃料電池發電。
荒木特聘教授也談到了該系統的有用性：「並且，因為能夠製造電力和氫，所以如果在街上設置該系統，就能成為同時支援燃料電池車和電動汽車的公共充電站。」
為了儘早實現該系統的實用化，荒木特聘教授等計劃今後進一步提高發電效率。（《日經商務在線》特約撰稿人：山田久美） 【日經能源環境網】
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始終需要使用化石燃料是不能解決能源問題.
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