摘 要：日本富士电机已开发和制造了50kW、100kW和500kW的固定式PAFC封装组件，并且专注于100kW的燃料电池封装组件，以用于能源费用高昂的医院和办公楼等中型设施。此外，富士电机还开发出一些利用燃料电池功能的产品，而且其所开发的燃料电池封装组件具有高可靠性，获得了广泛认可，面向日本国内外市场销售。本文将主要对富士电机迄今为止对燃料电池的研发、PAFC的优点、引进事例以及未来展望进行介绍。
关键字：PAFC，沼气，氢气，低氧废气，防火，FP-100i
1. 前言
自2011年3月东日本大地震以来，能源形势发生了巨大变化。随着电力和天然气的自由化的推进，相关政策从优先考虑经济性转变为同时重视安全性和环境性等，即重视包含经济性在内的总体判断。燃料电池有望作为一种热电联产系统被引进，其容量小但发电效率高，且热量可回收。
富士电机从1960年代开始着手开发燃料电池，1998年开始销售发电功率为100kW的磷酸燃料电池（PAFC），到2019年为止累计交货99台。本文将对PAFC的优点、引进事例以及未来展望进行介绍。
2、磷酸燃料电池的优点
2.1 燃料电池的发电原理
燃料电池与利用内燃机等的现有发电方式不同，无需将燃料所具有的能量转换为热能和机械能，而是直接获取电能。因此，燃料电池虽然容量小，但可以获得高发电效率，而且是非燃烧的发电方式，PAFC排气中的Nox量在5ppm以下，非常干净。另外，由于没有可动部，因此振动和噪音也非常小。
图1示出磷酸燃料电池的发电原理。电池内部的反应是水电解的逆反应，具体来说，不是使燃料气体和空气中的氧气直接反应，而是通过电解质（磷酸）使正极（空气极）和负极（燃料极）分别发生氧化还原反应，电子流到连接至正极和负极的外部电路以获取电能。
图1 燃料电池的发电原理
2.2 PAFC的单电池结构及电池堆结构
PAFC由以下部件构成：发电单元即单电池；半块，其堆叠有多个单电池，且上面和下面安装有冷却板，以消除发电过程中产生的热量；以及电池堆，其堆叠有多个半块，由上下紧固结构和供气歧管构成。PAFC的工作温度在200℃左右，可以使用一般的工业碳材料作为材料，并且已经证实了其耐久性。
图2示出PAFC的单电池结构示意图。单电池由以下部件构成：电极基材，其将浸渍有电解质即磷酸的电解质层（基质）夹在中间，由燃料极和空气极的催化剂层和多孔碳制成；以及隔板，其包裹以上部件，且由不允许气体通过的致密碳制成。催化剂通过在碳载体上搭载铂等贵金属而制成，催化剂层通过分散催化剂的团聚物和粘合剂的氟树脂颗粒而构成。单电池内充满磷酸，为了维持高电池性能，需要维持①空气极催化层的高性能化，以及②单电池内的磷酸的最佳状态。
图2 单电池结构示意图
富士电机通过多年的研发，成功抑制了电池特性的劣化，并能够长时间维持电池的高性能，确立了发电装置所需的足够耐久性和可靠性。发电后，单电池内的磷酸与未反应气体都是微量的，会以蒸气形式释放至电池外部。通过模拟分析单电池内的温度分布，可以设计出实现最佳面内温度分布的冷却板，且能够长时间将单电池内的磷酸维持在最佳保持状态。
图3示出燃料电池堆外观的照片（已移除歧管）。
图3 燃料电池堆的外观（已移除歧管）