日本燃料电池的开发和应用
人们预期燃料电池发电系统是未来最有吸引力的发电方法之一，它的能量转换效率高、燃料使用和场址选择灵活、污染物排放量很少。日本已开发了好几种燃料电池供公共电力部门使用，其中磷酸燃料电池（ＰＡＦＣ）已达到“电站”阶段。已建成兆瓦级燃料电池示范电站进行试验，就其效率、可运行性和寿命进行评估，期望应用于城市能源中心或热电联供系统。日本同时建造了为数不少的小型燃料电池发电装置，应用于医院、饭店、宾馆等。
日本认为，对于熔融碳酸盐燃料电池（ＭＣＦＣ）发电系统，要达到商业化，其要求是：容量足够地大，应能取代传统的热电站和新建的燃煤电站；效率应超过５０％；发电成本低，电流密度应超过
1.8KW/M2;可靠性高,寿命超过4000H,对环境无污染。图１示出了这种燃料电池发电系统的发展方向。工作电压近似与发电效率成正比；而电流密度对应于单位电极面积的输出，增大电流密度，可以降低单位面位容量的造价。从效率讲，系统应工作在上半部；而从造价讲，系统应工作在右半部。所以，未来的系统应定位在右上四分之一部分，这样效率和造价两个要求均可以满足。为此，工作点应按电流密度增大的方向移动，性能线应按效率提高的方向移动，且应长时间维（从寿命讲）。１日本燃料电池发展方向
日本发展燃料电池，基本上由政府的计划导向，纳入“月光计划”于１９８１年启运，开始时是对ＰＡＦＣ进行基础研究，目前已涵盖四种燃料电池，即ＰＡＦＣ、ＭＣＦＣ、固体氧化物燃料电池（ＳＯＦＣ）和聚合物电解质燃料电池（ＰＥＦＣ）。
在日本，ＰＡＦＣ在燃料电池领域内始终处于领先地位，先发展成大型电池堆，继而发展成电站，并实现商业化。先开发了两个加压系统，供公用电力部门使用；１９９０年开发了两个非加压系统，用于产业界和孤立岛屿；１９９１年建了一座５ＭＷ加压电站和一座１ＭＷ非加压电站，做验证试验。同时，ＮＥＤＯ（新能源开发组织）开展了“分散型发电计划”，对小于５００ＫＷ的多个小型ＰＡＦＣ装置进行了试验，同时从１９９５年起开展了以ＰＡＦＣ的寿命为重
点的基础研究。非国有部门也在多方面实施了几项计划，不少用户试验了小型（５０ＫＷ）ＰＡＦＣ装置和大型（１１ＭＷ）ＰＡＦＣ电站，系统检验了它们的性能、可运行性、可靠性和耐久性。小型ＰＡＦＣ装置的试验主要由天然气公司进行，原地应用于热电联产。可以说，ＰＡＦＣ现在已进入电站阶段。预期ＭＣＦＣ不仅适用于中等规模的分散型电站，也适用于大容量的集中电站。日本政府对ＭＣＦＣ的开发始于１９８３年的基础研究。１９８７年成立了ＭＣＦＣ发电系统技术研究会（ＭＣＦＣ－ＴＲＡ），隶属ＮＥＤＯ，它负责大部分开发工作。１９９３年，开发出１００ＫＷ级电池堆，并以其试验结果为基础，开始兴建１０００ＫＷ电站，以验证效率和作为电站的基本可运行性。并着手发展２００ＫＷ装置。ＭＣＦＣ目前是日本“新阳光计划”的主要开发项目之一。同时，在用户和生产厂家之间实施了许多私人研究计划，其中包括电力产业中央研究所（ＣＲＩＥＰＩ）开发的、容量从１ＫＷ到几十千瓦的几种ＭＣＦＣ堆。ＭＣＦＣ的开发正处于“堆® 电站”阶段。
ＳＯＦＣ应当可以用于大电站和小型热电联产装置，其基础研究始于１９８９年，大日本政府计划下进行，目前已处于数千瓦级堆的发展阶段，正在开发两种平面型ＳＯＦＣ堆。私人公司的计划中，已对容量为千瓦级的几个堆和容量超１０ＫＷ的几个装置进行了试验。不少实验室和大学已就材料和零部件生产开展了基础研究。
ＰＥＦＣ是日本政府计划中最新的一种燃料电池，其开发始于１９９２年，用于运输业、移动式发电机或固定式发电机。进行了基础研究，１９９５年开发出千瓦级堆，初期性能的目标是
0.3Ｗ／ＣＭ２，下一步是开发１０千瓦级堆。已开发出三种堆，研究了与离子交换膜有关的几种工艺。已有几个私营生产厂开发了千瓦堆级，用于电力部门和天然气部门，并且有几家汽车公司开始对装有这种燃料电池堆的汽车进行评估试验。日本的ＳＯＦＣ和ＰＥＦＣ均处于“部件® 堆”的阶段。
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ＰＡＦＣ在电力部门的应用与另外几种燃料电池相比，ＰＡＦＣ在日本已处于半应用、半开发的阶段，政府已有两个大容量ＰＡＦＣ电站做了试验，其中一个在加压条件下容量为５ＭＷ，另一个在环境压力下运行，容量为１ＭＷ，它们都用废热，按电和热产物计效率都在７０％以上。表１给出了它们的目标值。５ＭＷ电站设计用于城市的能源中心，１９９３年由富士电气公司安装在兵库县东南部的尼崎市。１ＭＷ电站设计用于就地热电联产系统，１９９４年由东芝公司按装在东京。两座电站都由ＰＡＦＣ－ＴＲＡ管理，都达到了额定功率，还在就可运行性进行长期试验。１９９０年，国际燃料电池公司（ＩＦＣ）制成１１ＭＷ示范电站，并引荐给东京电力公司的五井热电站，进行长期性能试验。
天然气公司累计有７０个以上小型ＰＡＦＣ装置检验了性能、可运行性和可靠性。城市煤气公司有一项２００ＫＷ装置的商业化计划，自１９９２年以来已有２１个这种装置在做野外试验。东京煤气公司、大阪煤气公司和东邦煤气公司同富士电气公司合作，试制了２７个原地ＰＡＦＣ装置，以期实现商业化。大阪煤气公司还独自管理四个２００ＫＷ和三个５００ＫＷ装置。电力公司累计安装了３０个以上容量为５０～２００ＫＷ的ＰＡＦＣ装置，除一个由东京电力公司制造外，其余均由富士电气公司、东芝公司和三菱公司制造。电力部门把小型ＰＡＦＣ装置作为采用大容量发电机的第一步。石油公司自１９８９年以来也安装了几个ＰＡＦＣ装置，以拓展轻油、煤油等石油轻馏分的应用范围。其中两个装置是石油能源中心（ＰＥＣ）研究工作的一部分。用液化石油气（ＬＰＧ）做燃料的一种５０ＫＷ
ＰＡＦＣ装置是电力部门和煤气部门的合作项目。目前，日本的小型ＰＡＦＣ装置用的燃料有：城市煤气、丙烷气、甲醇、轻油和化工厂的副产物氢气，它们应用于研究中心、医院、宾馆、饭店、办公大楼、居民楼、游水池、水处理设施等。对于大型ＰＡＦＣ电站，实际应用时结构紧凑性是很重要的，１ＭＷ电站可以做到
0.12M2/KW,但5MW电站还只能做到0.27M2/KW,至少还要减小1/3.有些小型装置的运行时间已超过20000H,但对于寿命评估,应达到40000H.还要降低成本.３
高温燃料电池的发展诸如ＭＣＦＶ或ＳＯＦＣ高温燃料电池还没有应用到兆瓦级电站，可以说还处于发展阶段，但它们很有潜力达到高效生产电力，已经证明几十千瓦堆和装置可以达到好性能。
3.1大型ＭＣＦＣ堆技术
ＭＣＦＣ很有潜力做成大容量电站，可以应用于煤气化混合循环之类的集中式电站。作为日本政府的项目，在中部电力公司的川越热电站兴建了１０００ＫＷ级外部重整型ＭＣＦＣ电站，表２给出了它的目标技术参数。由于使用了一些小型辅助设备（如鼓风机和扩展器小容量电站用的涡轮机），该电站的效率低于一般期望值。电站内要安装四个２５０ＫＷ级ＭＣＦＣ堆，１９９８年要进行５０００Ｈ的运行试验。
１９９３年开始兴建这座ＭＣＦＣ电站，之前已进行过两种百千瓦级堆的性能评估。这两种堆发的电均超过目标容量（１００ＫＷ），达到了每个电池平均0,8V电压的初期性能目标,但衰减率稍高于1%/1000H的目标值.其中一个堆是日立公司研制的,电池分为四个电级,电解质板的面积达1.2M2,用交叉流内部歧管法做气体流系统。另一个１００千瓦级堆是石川岛播磨重工业公司研制的，电级面积１Ｍ２，铝制电解质板，采用平行流内部歧管气体分配系统。２０ＫＷ容量的小型堆达到了目标衰减率。
１９９３年，三菱电气公司根据日本政府计划还研制了一种３０ＫＷ直接内部重整（ＤＩＲ）型ＭＣＦＣ，并达到了目标值。堆采用交叉流外部气体分配系统，电极面积0.5Ｍ２。研制１０００ＫＷ电站的同时，还着手研制了一个２００ＫＷ内部重整ＭＣＦＣ装置。正在研制电极面积达１Ｍ２、有反向流内部歧管气体分配系统的电池，供上述２００ＫＷ装置使用。另一方面，１９９２年，关西电力公司和三菱电气公司作为私人项目研制了一个１００ＫＷ间接内部重整（ＩＩＲ）堆。三洋电气公司、东洋工程公司等合作，对另一个ＤＩＲ热电联产系统进行了研究，以ＬＰＧ做燃料的３０ＫＷ ＤＩＲ系统做了试验。
大面积电池生产技术已几近确立，还需要用新式分离器结构来延长寿命和降低成本。大型堆的制堆技术现在已证明１０００ＫＷ电站或２００ＫＷ装置是可能的。
3.2长寿命和低成本ＭＣＦＣ技术
由于预期大型堆技术将会确立，所以近年十分重视长寿命和低成本技术，尤其是长寿命技术被认为对发展ＭＣＦＣ头等重要。
虽然大阪国立研究所的小型单一ＭＣＦＣ电池的运行时间已达到４００００Ｈ，但１００ＫＷ级堆的运行时间只有几千小时。而电池和堆都没有达到运行时间４００００Ｈ、衰减率低于１０％的所谓最终目标。小型单一电池和几千瓦容量的短堆在几千小时运行时间内平均衰减率只有0.25%/1000H,相当于10%/40000H。
图３示出了限制ＭＣＦＣ寿命的一些因素。在开发的初期，限制寿命的因素来自电池的结构，如电解质基体的裂缝和由此产生的气体交叉。电极蠕变主要出现在阳极、导致内阻增大。改变部件材质和生产工艺，可以解决这些问题，堆的寿命可以延长到５０００Ｈ水平。现在的主要限制因素是镍的缩减和电解质损耗。镍的缩减同氧系镍阴级融化成电解质和融化后的镍离子还原成金属镍有关。还原的镍粒子在电解质基体内形成的内部短路桥。根据实验，短路时间由于与阴极侧二氧化碳分压有关，只要设定直接影响电池电压的工作压力，就可以折衷选择之。电解质损耗主要是腐蚀所致，蠕变和蒸发也是原因，它导致内阻增大。另外，在“新阳光计划”下，中央研究所、北海道电力公司和四国电力公司合作，１９９４年开始研究杂质对电池性能的影响。研究的是煤气化后气体中含的低浓度Ｈ２Ｓ和ＨＣＩ杂质。
为了降低堆的成本，一种办法是堆在高电流密度下运行，获得较高的功率密度。堆的材料用量可以减少。用这种办法，要求电流密度较高时使电压维持在中接受的水平内。还有一种办法，是改进堆的结构和制造工艺。按最新技术，分离器板占堆成本的大部分，所以改进分离器结构（比方说由机械加工改为冲压）可以有交地降低成本。在现阶段，改用价廉的材料，保持高而稳定的性能是不现袢的。
日本的政府计划和私人计划已研制了许多短堆，并进行了试验。中央研究所和中部电力公司作为私人计划分别研制了小型堆。图４给出了新近１０ＫＷ级堆的性能，它们采用冲压式分离器。这种分离器暴露在电解质环境下的表面积比较小，对降低的电解质因腐蚀而损耗的总量是有效的。这种新堆在５０００Ｈ以上性能都高而稳定。在高电流密度下测试，功率密度达到
1.8KW/M2.近年对新的电解质成分进行了研究。在ＬＩ／ＮＡ电解质系统中或者在加有碱稀土金属的电解质中，镍的融化量低于传统ＬＩ／Ｋ电解质系统中的融化量。图５示出了压力对有传统ＬＩ／Ｋ电解质和有新型ＬＩ／ＮＡ电解质的ＭＣＦＣ性能的影响。由于ＬＩ／ＮＡ的电压增益大于ＬＩ／Ｋ，可以用于加压运行中的先进ＭＣＦＣ堆，性能既好，寿命又长。
3.3 ＳＯＦＣ的发展
日本“新阳光计划”正在开发两种平面型燃料电池堆：一种面积比较大，由富士电气公司开发；另一种是综合型，由三洋电气公司开发。ＮＥＤＯ开发ＳＯＦＣ的目标是性能达到0.2KW/CM2(燃料利用75%),衰减率小于1%/1000H,输出功率几十千瓦;中期目标是性能0.18KW/CM2(燃料利用70%),容量几千瓦.大面积堆取圆形,有可靠的多孔金属基体和金属分离器,采用五只528CM2电池时功率可达505W.综合型堆由四只矩形电池组成,采用17只728CM2电池时(182CM2×4)功率可达2.4KW和0.2KW/CM2.这两种堆的气体泄漏、部件强度、寿命等方面还有问题待解决。
一些私人用户和生产厂家试验了几种堆和装置。在平面型方面，中部电力公司和三菱重工联合研制了一块分层（ＭＯＬＢ）型堆，１９９２年功率达到１ＫＷ，正在建造５ＫＷ堆。几家煤气公司和私人电力公司各自研制了千瓦级平面型堆。电力公司和三菱重工从１９９５年起试验１０ＫＷ级管型堆。美国威澌汀豪斯公司制造的３６ＫＷ和２５ＫＷ装置，关西电力、东京煤气、大阪煤气等公司都做过验证，３６ＫＷ装置还运行了７０００Ｈ以上。许多大学和研究实验室（如中央研究所、国立材料研究所、化学研究所等）还进行了材料开发。
４结语
燃料电池的潜力很有吸引力。ＰＡＦＣ兆瓦级电站和小型装置的高效率也已得到证实。很多小型ＰＡＦＣ装置的寿命正在评估之中。下一步要证明的，是可靠性和耐久性对传统电站的竞争力。其余几种燃料电池（如ＭＣＦＣ）的长寿命和高效率也将得到验证。不过，要推入市场，低成本是十分重要的。效率和寿命影响电价。还需要通过研究市场推入过程来显现目标成本的前景。