专栏:Fuel Cells in 2070 | 对50年后的燃料电池的畅想——序论

1、前言

早在1839年,英国科学家格罗夫就提出了燃料电池原理,而民用燃料电池技术的开发直到1970年代美国的“TARGET”计划、日本的“阳光计划”、“月光计划”的出现才开始展开。从那之后经过40多年的发展,燃料电池已在民用和车用方向实现市场化。而且因燃料电池所具有的独特的优越性,将来会进一步得到普及,开发出更多的新型应用。因此,今后踏踏实实的研究开发不可或缺。

虽然对2050年的技术已经有了一些猜想,但是在此笔者(AIpatent认证专家库成员,欲知详情可联络support@aipatent.com)希望通过描绘50年后、即2070年的燃料电池技术的未来蓝图,激发将来志在从事电池技术研究的学生对燃料电池的兴趣,使电力公司、机器制造商、系统设计构筑企业认识到燃料电池发电是一项有前途的技术,从而推动燃料电池技术开发的发展。为此,特开设本专栏连载,介绍各燃料电池技术研发的动向以及未来展望,同时基于迄今为止一直从事研发的专家的经验和知识,介绍燃料电池技术的概况,整理将来实用化面临的课题,以及解决课题的突破性技术。

将于本专栏连载介绍的燃料电池
  • 固体氧化物燃料电池(SOFC)
  • 固定式固体高分子型燃料电池(PEFC)
  • 汽车燃料电池(FCV)
  • 磷酸型燃料电池(PAFC)
  • 熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)
  • 碱性燃料电池(AFC)
  • 直接甲醇燃料电池
  • 微型燃料电池
  • 生物质燃料电池

上述各燃料电池的种类在使用目的和使用领域方面均有所不同,随着技术的不断进步,50年后它们的使用领域或许将会重合。由于各燃料电池技术和应用领域在各自发展的同时会互相影响,而难以进行预测。因此,对于未来的情况,笔者希望以当下的发展为前提,不加以限制,对所有的发展可能进行展望。

同时,在本连载开始之际,为了呈现未来的图景,燃料对于燃料电池发电必不可少;关于燃料供应以及供应有限的问题对于燃料电池利用的重要性这一点,人们已经达成普遍共识。在本连载中,因为将来有望诞生新的燃料电池发电技术,所以无论当前燃料是否充足,只要燃料足以支持燃料电池运转,都将在本连载中探讨。同时,假设在50年后,其制造技术、运输技术、储藏技术以及基础设施建设等问题已经得到解决。

2、长期课题

2.1 全球变暖对策

全球变暖引起的气候变化导致严重气象灾害频发,海平面上升导致居住区域缩小,生态系统变化导致传染病爆发区域向北移动,以及植被变化导致粮食获取困难等,对人类生存产生了各种各样的影响,对社会也带来深远的影响。虽然国际社会宣扬到2050年温室效应气体排放减少80%,但考虑到更远的将来,从长期来看,需要以零排放为最终目标。在保持长期能源供求平衡的同时,需要采取灵活的应对措施,包括以法律的形式规定减排目标,以及发展可持续商业实现减排,促进脱碳化。

2.2 今后社会环境的发展

① 保证能源生命线的课题

今后,包括火力发电站在内的新发电站的建设将变得越发困难,目前运行中的设施将继续使用。因此,老化送配电设备的更换成为一个问题。另外,在可再生能源导入和普及方面,由于设置地点大多距离电力使用地区较远,因此需要同时扩大送配电设备的容量。目前,在电源构成中,对化石燃料的依赖度超过80%,在当前火力发电站的设备剩余寿命较短的情况下,为了推进新火力发电站的建设,需要日本国内达成共识,在现有设备到使用寿命前规划建设成本并确保可持续的燃料来源。

另外,伴随着少子高龄化,人口持续减少,预计不仅是上述的配电网络,生命线网络和道路网络等维持管理所带来的负担也会增加。虽然目前已经能在许多地方城市看到推进城市小型化的动向,但存在与地方振兴计划相冲突的难题。最终的结果就是情况继续恶化,生命线网络愈发难以为继。

② 移动交通的趋势

在日本,人口老龄化导致人口减少,一方面面临移动方式选择的减少,另一方面是物流运输的增加,从总体来看,移动交通的需求量不会大幅下降。移动交通包括汽车、船舶、飞机。地球环境对策、驾驶和航行的自动化、以及移动交通领域的产业构造等课题在各个方面影响着移动交通的未来。尤其是在世界范围内,伴随着工业化和城市化带来的人口增长,世界的移动交通市场势必将继续扩大。另外,伴随着市场的扩大,未来移动交通领域的发展充满了未知数。正因如此,存在各种各样的机会。

③ 产业基础将变得薄弱

人们担心,随着日本今后人口减少,市场将不断缩小,同时少子高龄化将导致劳动人口减少、劳动力的减少以及延缓新技术的应用,致使劳动力的质量下降。此外,社会保障制度的负担加重,将增加未来的不确定性。现在,日本7成以上的就业人口从事服务业,伴随着与人打交道的职业数量的增加,接待客人等服务业将会贬值,导致收入的减少和就业不匹配情况的增加。另一方面,由于服务业人手不足,需要引入更多外国劳动者,这将进一步增加就业的不安全感。这些因素相互影响,加速了日本产业基础竞争力和企业的技术竞争力的下降,或将致使日本社会失去可持续性。

3、对50年后的燃料电池应用领域的期待

前文对来自外部因素的长期性课题进行了概述。笔者认为,仅凭燃料电池技术的研发无法解决所有这些问题,社会性问题的应对需要多种领域的共同讨论,燃料电池作为能活用多种燃料的环保型发电系统或发电设备,有望在今后的50年间,伴随着技术的不断发展为解决上述课题做出贡献。

燃料电池发电技术的特征之一是高能量转换效率。图1示出在不同温度下氧燃料电池的发电效率与热发电的卡诺效率的比较,其中,卡诺效率以水的液化温度100℃进行计算。在830℃附近,卡诺效率和燃料电池发电的理论能源转换效率相同,低于该温度时燃料电池的发电效率更高,而高于该温度时则热发电的效率更高。

作为燃料,可以考虑利用来自太阳能发电和风力发电等可再生能源的剩余电力制得的绿色氢,以及甲烷化技术产生的甲烷等;此外,还可利用由农林业领域的植物废弃物、食品制造过程中产生的食物废料、以及家庭和企业的厨余垃圾等制造的生物乙醇。同样,工业废弃物、低碳燃料甲烷、甲醇等也可以作为燃料。

上方曲线为燃料电池的效率;下方曲线为卡诺效率

图1:能源效率的比较

(基于NIST(National Institute of Standards and Technology)的热数据。)

如果冻结化石燃料发电站和11个核电站的新建,50年后现存的火力发电站和核电站的设备将接近使用寿命极限。如果火力发电站的新建与CCS技术配套进行的话,就可以考虑使用源自化石燃料的氢气、甲烷、甲醇作为燃料。

燃料电池的活用领域应当能充分发挥其所具有的作为清洁能源、高发电效率以及能够对应多样燃料的特点。

① 用于分布式发电

燃料电池有望用于从中等规模到小规模的分布式发电系统,以及用于工业、事务所和家用的发电系统。通过热电联产可以在发电设施原地或附近,同时对高品味以及低品味热能进行利用,从而实现能源高效利用。同时,采用分布式发电,可以在发生紧急情况或灾害时提供独立的能源。此外,现在已经出现零能耗大楼、零能耗住宅、智慧电网、智慧社区等,通过二次电池、氢气存储和转换技术等,充分利用可再生能源的剩余电力。预计未来会更加普及并出现新的使用方式。

② 用于移动交通(运输、交通工具)

燃料电池有望用于大小型汽车、船舶、飞机、以及有人或无人长途运输,还有望用于工厂、仓库等室内的搬运用途,以及尾气治理。此外,还设想将其用于自动行走机器人等。将来其用途有可能扩展到宇宙空间中的移动体。以汽车为例,燃料电池作为地球环境对策“well to wheel zero emission”技术而备受期待。

在移动交通应用中,与二次电池的充电时间相比,燃料电池更短得燃料填充时间更具优势,因而有望替代二次电池。另外,通过气体扩散电极的设计有望实现燃料电池小型化。

③ 用于移动设备

虽然信息终端设备等现在大多使用二次电池,但是如上所述,因充电时间短并且体积更小,燃料电池的应用也值得期待,同时有望用作家用电器、工厂的工业、机器制造等IoT信息设备以及信息中继设备中的紧急电源。此外,由于燃料电池与二次电池相比,具有燃料填充时间短并且轻量小型等优势,在少子老龄化社会中,有望用于看护、医疗和福利设备。

④ 用于化工工艺

在利用燃料电池反应的化学品合成中,可以在获得能量的同时得到化学产品。将来的技术发展值得期待。

4、结语

对于50年后的未来,每个人都有各自的猜想与憧憬,因此对于某一特定的猜想,人们会有属于自己的评价。但是,站在推进技术开发的角度来看,将来不是由人们预测、预想出来的,而是由当下和未来的人们共同创造出来的。技术开发也是如此,在不断创新的技术的基础之上,未来社会得以建立。希望通过本连载提供的当前以及未来的燃料电池技术的情报,人们能够加深对燃料电池技术所蕴藏的未来前景的认识。

引用文献:

  • 理查德·鲍德温,远藤真美译:《世界经济的大合流》,日本经济新闻社出版,(2018.2)
  • 罗伯特 · J ·戈登、高远裕子,山冈由美译:《美国经济成长的终结》,日经BP,(2018.7)
  • 诸富彻:《人口减少时代的城市》 中公新书,(2018.2)
  • 河合雅司:《未来的年表》、讲谈社,(2017.6)
  • 野泽千绘:《老房子倒塌的街道》,讲谈社,(2016.11)
  • 西脇文男:《伴随氢能发展腾飞的198家企业的最新动向》,东洋经济新闻社,(2018.7)
  • 中西孝树:《CASE革命》,日本经济新闻出版社,(2018.11)
  • 瑞穗投资集团调查&咨询单位:“2050年的日本—跨越难关,继续闪耀—”,(2017.12.21)
  • https://www.mizuho-fg.co.jp/company/activity/onethinktank/pdf/vol015.pdf(2019.2.19)
  • 根据巴黎协定制定长期发展战略的恳谈会上的发言(2019.4.2)
  • https://www.kantei.go.jp/jp/smgi/parikyoutei/siryoul.pdf(2019.4.4)
  • 国际货币基金组织(IMF),《世界经济展望》(WEO)修订版
  • https://www.imf.org/ja/Publications/WEO/Issues/2019/07/18/WEOupdateJulv2019(2019.9.19)

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