高效SOFC系统的开发

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摘   要：固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种小型但高效的电源，与抗灾性强的气体供应系统结合使用，可支持灾后快速重建，而且通过重整器，不仅可以使用城市燃气，还可以使用各种燃料，燃料具有选择多样性。本文将介绍日本电装株式会社的SOFC开发情况与未来前景。

关键字：固体氧化物燃料电池、高效SOFC系统、分布式电源、VPP、喷射器燃料再循环系统

1 前言

世界平均气温逐年上升，减少温室气体排放已经成为全球性问题。COP21（《联合国气候变化框架公约》第21次缔约方大会暨《京都议定书》第11次缔约方大会）的缔结以及SDGs（联合国可持续发展目标）的制定，加快了二氧化碳减排和导入可再生能源的进程。为了实现COP21和SDGs的目标，从根本上解决全球变暖问题，不仅要节约能源，同时必须扩大对太阳能、风能和生物质能等可再生能源的使用。大多数可再生能源是分布式电源，受天气等影响而不稳定，因此，需要如互补分布式电源以及Virtual Power Plant（VPP）等系统，将各种电源资源组合以构建稳定的电力系统。

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种小型但高效的电源，并且，与抗灾性强的气体供应系统结合使用，可支持灾后快速重建。此外，通过重整器，不仅可以使用城市燃气，还可以使用各种燃料，燃料具有选择多样性。另外，用作分布式电源时，由于安装在消耗场所附近，电能“即产即用”，因此不存在因传输损耗而导致利用效率降低的问题。与电网系统相比，其CO₂排放系数也低了约30％，是一种具有出色的环保性、效率（经济性）并且可快速重建的分布式电源。本文将介绍日本电装株式会社的SOFC的开发情况与未来前景。

2 开发目标

图1为电装的SOFC系统外观，表1为目标规格。虽然SOFC已在家庭用热电联产项目开始普及，但目前尚未在办公室等市场中得到普及，此类场所几乎没有供热需求。如果可以应用于该领域，SOFC将有望进一步普及。由于电装公司的SOFC发电效率高，即使对于没有供热需求的市场，也可以仅使用发电功能（称为单发电）来削减CO₂，降低电力使用成本。

图1：5kW级SOFC系统的外观

表1：5kW级SOFC系统的目标规格

3 SOFC系统的构成

图2为SOFC系统的结构图。SOFC系统由发电模块（Power Genaration Module）、BOP（Balance of Plant，辅助设备）以及进行电力控制的PCU（Power Control Unit，电力控制单元）组成。圆筒形发电模块中设有由陶瓷发电元件和金属板交替堆叠而成的电堆、燃烧器、重整器等。

图2：5kW级SOFC系统的示意图

图3为发电模块的系统流程图。城市燃气（主要成分甲烷）由供气泵供给至重整器，纯水由水泵经由蒸发器供给至重整器。在重整器中，燃料气体被重整为氢气和一氧化碳，并被送到电堆。在电堆中，空气与作为燃料的重整气体发生反应，产生电能和热量。

一般来说，为了防止由于氢不足引起的单电池燃料电极的氧化，供给至电堆的燃料气体（主要是氢）会大于理论反应量。未用于发电的燃料气体在电堆后部的燃烧器中燃烧。该燃烧热用于在启动时升高电堆的温度并维持重整器的温度。另外，由于电堆自身在发电期间产热，电堆保持在约700-800℃。为了提高效率，重点是尽量减少燃料气体的过剩供给。

该系统旨在通过对未反应的燃料气体的再利用提高效率（提高燃料利用率），通过使用没有活动部件的流体泵，即喷射器，对过剩燃料气的一部分进行回收并再利用。该系统称为喷射器燃料再循环系统（SOFC with Anode off gas recycle（Ejector type））。使用喷射器的理由是，该泵需要在700℃以上的高温环境下工作，喷射器由于没有活动部件，因此耐高温。该系统已经实现了AC4.5kW、效率60%。

图3：5kW级SOFC系统的流程图

4 高效化的意义

对于普通热机而言，不论是往复式发动机、燃气轮机还是朗肯循环，一般来说，规模越小，效率越低。燃料电池的优点是小型但高效。图4为各种发电机的比较，横轴为发电机容量，竖轴为发电效率。由图可知，该SOFC系统即使发电容量小，效率也很高，具有与发电站等大规模且复杂的联合循环相当的效率。顺带一提，日本发电站的平均发电效率（2015年度）约为47%（中部电力，2018）。发电站的最高效率达到63%（能源信息中心，2018），但由于传输造成的损耗，用电端的效率会下降7～8%，因此，实际的用电端效率不会超过60%。

图4：发电机效率比较

图5为电网系统等的CO₂产生系数。日本电网系统的CO₂排放系数为0.462kgCO₂/kWh（环境省·经济产业省，2018），由于SOFC使用CO₂排放量少的城市燃气，而且效率高，因此CO₂排放系数为0.31kgCO₂/kWh，低于2030年的目标值（电力行业联合会，2015）。

图5：5kW级SOFC系统的节能效益

5 未来前景

高效率的SOFC系统作为分散电源，具有高效率和低CO₂排放量的特征，在引进可再生能源时有望作为基础电源和调节电源。众所周知，来自可再生能源的电力受天气等因素的影响而不稳定，需要与能量储存装置组合，或与互补电源系统并用。另外，SOFC不仅可以利用城市燃气，还可以利用以甲烷为主要成分的生物气和丙烷气等各种燃料。

如果将源自可再生能源的气体作为燃料用于SOFC发电的话，可以获得零碳电力（图6）。另外，在导入抗灾性强的城市燃气管道，并且实现与丙烷气等并用的话，该系统有望支持灾后快速重建。今后，促进可再生能源的导入以及灾害时的快速重建功能的重要性将越来越高，SOFC将成为灵活可持续的分布式电源系统中不可或缺的设备。此外，为了形成和推广这一观念，需要基于逆推法，制定定量且灵活的方案。特别是基于科学预测制定方案时，很大程度上要依靠大学的技术能力和传播能力。期待今后的进一步发展。

图6 使用SOFC的未来分布式电源系统

参考文献：

1. 中部电力，“燃料费/购入电费的高效化（1），火力发电站综合效率变化曲线中记载的10家电力公司的平均值（～2015年度）”，p.1。https://www.chuden.co.jp/resource/corporate/gaikyo_2018_03.pdf（参考日期2020年1月29日）

2. 电力行业联合会《电力行业低碳社会实行计划的制定》（2015），p.1

3. 能源信息中心“中部电力，LNG火力发电站发电效率达到63.08%，吉尼斯认定世界第一”https://pps-net.org/column/54364（参考日期2020年1月29日）

4. 环境省·经济产业省，“各电力公司的排放系数（用于计算特定排放者的温室效应气体排放量）－2018年度实际结果－”，R2.1.7（2018），p.8

翻译：东雨琦

审校：李涵、贾陆叶

统稿：李淑珊

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