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）

3、富士电机的燃料电池发电装置

富士电机自1963年着手开发碱性燃料电池以来，至今一直都在开发各种燃料电池。现在，正在销售的PAFC于1974年开始开发，并已对以下燃料电池进行了现场试验：1980年代与关西电力共同开发的日本国产首台30kW燃料电池、新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的1MW燃料电池、5MW燃料电池等分布式大型设备、以甲醇为燃料的4kW燃料电池、偏远岛屿用的200kW燃料电池、1989年起与3家城市燃气公司联合开发的现场用50kW燃料电池和100kW燃料电池。在1990年代，对90多台装置进行了现场试验，例如扩大500kW燃料电池等的发电能力，以及扩大液化石油气和石脑油等燃料种类，目前，目标是将规模缩小到能源成本相对较高的中小型设施，1998年开始专注于100kW燃料电池并将其作为商用机器进行贩卖。

3. 1 100kW燃料电池（FP-100i）的特点

为了使燃料电池不仅在日本国内市场，而且在具有广阔市场前景的欧洲和东亚进行普及，富士电机从2010年开始销售商品价值更高的新型FP-100i机，到2019年为止已交货75台以上。

由于FP-100i机散热时可产生90℃的热水，因此也可利用吸收式冷热水器为空调提供冷水。FP-100i的输出功率也很容易更改，除了根据顾客需求改变输出功率这一模式状态以外，在停电时，还能为顾客设施的特定负载独立供电。并且，系统发生异常时，会立即与系统断开连接，切换到只对燃料电池内部的辅助设备供电的待机状态，待系统恢复后再次进行连接，并在短时间内恢复供电。如上所述，PAFC可以灵活地改变输出功率，也可为空调提供冷水，可以说是一种使用方便的发电装置。

图4示出FP-100i机的结构图，其特征如下。

图4 FP-100i机的结构图

3.2 安装面积的减少和现场工程的简化

FP-100i机采用易于现场安装的封装组件结构，考虑到卡车运输，其宽度为2.2m，高度为2.5m（安装时为3.4m）。单独安装的氮气设备和水处理设备的附带设备内置于封装组件中，另外，还采用将用于散热处理的气冷式散热器安装在顶部的构造，因此，可以大大削减现场的布线和布管工程，并且还可以将安装面积减少为原来的一半。

3.3 寒冷地区的应对

在气温低于-5℃的寒冷地区，现有机器都是安装在室内，但FP-100i机在封装组件内设置了隔板以分隔需要防冻的区域，为了使该区域不低于O℃而最佳地控制设备的散热和供气/排气量，从而使FP-100i机在气温-20℃~+40℃的环境下也可安装到室外，并将室外温度作为标准规格。另外，在环境测试室中进行了运行测试，并且确认了FP-100i机可以在上述温度范围内运行。

3.4 抗震性的提高

为了提高抗震能力，从计划阶段就开始对设备支架和燃料电池堆进行强度分析，并将分析结果反映给设计人员。此外，还将实机安装在振动试验机上，进行地震波相当于新潟中越地震的振动试验，并且确认振动试验结束后装置依旧可以正常发电。

3.5 规格和选项

表1示出100kW燃料电池（FP-100i）的主要规格。在燃料方面，利用富士电机开发重整器和脱硫器的优势，除了基础设施完善的城市煤气之外，还可以使用作为再生能源备受瞩目的生物沼气（污水消化气体）进行发电。此外，还有一系列燃料电池专门使用有望成为下一代燃料的氢气。

接着，表2示出当前的100kW燃料电池的可选项。除了符合JIS标准的日本国内规格燃料电池外，还有符合CE标志的EU规格燃料电池。作为可选项，日本国内规格燃料电池包括灾害应对型，其具有独立供电功能和与备用燃料（LP气体）的燃料切换功能，EU规格燃料电池具有火灾预防应对型等，其具有低氧空气供给功能。

3.6 维护措施

富士电机通过远程监视系统收集燃料电池的运行数据，并收集了累计超过460万小时的数据来提高可靠性，从而实现了燃料电池在实际应用场所的稳定运行。图5示出自2017年以来的交货台数及工作时间超过1万小时、3万小时和6万小时的设备台数的变化。通过持续稳定运行，长时间运行的设备数量稳定增长。

富士电机通过对燃料电池的大量数据进行分析而积累了很多相关技术知识，从而提高了燃料电池的可靠性，并将该高可靠性燃料电池作为优势，销售至日本国内外。

图5 累计长时间运行的台数变化

4. 交货事例

4.1 污水消化气体应对型

在有污泥消化设备的污水处理厂中，会产生一种沼气——污水消化气体（CH₄:60%，C0₂:40%）。以前，污水消化气体经常用于消化槽加温和燃料，或是燃烧后释放，很少用于发电。但是，在2012年7月开始实施的可再生能源固定价格收购制度（FIT：Feed-inTariff）中，对污水消化气体设定了较高的收购价格，因此2014年以后，富士电机交货了29台应对污水消化气体的燃料电池。

图6示出2015年度交货给宇都宫市川田水再生中心的8台燃料电池的外观照片。

图6 安装事例：宇都宫市川田水再生中心

4.2 灾害应对型

通过内置的重整器，燃料电池可以利用相同的重整工艺将包括城市燃气在内的多种碳氢化合物重整为氢气，因此在运行期间可以替换为其他燃料或一起使用。富士电机利用燃料电池的这些优点，开发出一种灾害应对型燃料电池，在停电时，不仅可以利用城市燃气进行发电以向特定负载供电，还可以在切断城市燃气时切换为备用燃料液化石油气，以继续稳定发电。另外，在利用液化石油气的运行中，输出功率限制为70kVA，50kg的气瓶可提供约3小时的电力。图7示出2014年度在千叶县市原市的医疗法人芙蓉会五井医院安装的发电装置的外观照片。

图7 安装事例：医疗法人芙蓉会五井医院

4.3 纯氢应对型

通过将化学工厂和钢厂中产生的副产气体精制而得的纯氢气用作燃料，可以实现高发电效率（额定功率48％，60kW以下的部分负载为50％以上）。因为不需要重整装置，因此系统结构简单。2010年安装在北九州的氢能小镇，并进行了为期五年的实证测试。

4.4 低氧空气供给火灾预防应对型

作为燃料电池的新附加价值，正在努力将燃料电池应用于火灾预防系统，该系统可降低室内的氧气浓度并正在德国流行。在分离空气以获得氮气的常规方法中，高昂的电费是一个问题。富士电机交货的火灾预防系统通过使用燃料电池的空气极中消耗掉氧气后的低氧浓度废气来降低室内的氧气浓度，从而防止IT中心和仓库等发生火灾。

5、未来展望

图8示出未来的努力方向。富士电机此前利用燃料电池的优点开发了新的用途，扩大了产品阵容。在这些过程中，以长年研发出来的燃料电池本体及应用技术为基础，富士电机将为建立一个有望在未来向全球扩展的氢能社会而更加努力，确保电源安全，防止全球变暖并保护环境，为实现可持续发展社会做出贡献。

图8 今后的努力方向（示意图）

参考文献：

•押野洋辅、横山尚伸、堀内义实、青木信：《富士电机100kW磷酸燃料电池的引进事例及开展》，第26届FCIC概要集P1-3

•吉冈浩：《磷酸燃料电池（PAFC）的开发》，电气评论2017年12月号P18-22

•大内崇、吉冈浩、堀内义实、黑田健一：《磷酸燃料电池的适用事例》、日本燃气轮机学会杂志2016年7月号P259-264

专栏：Fuel Cells in 2070 | 磷酸燃料电池（PAFC）的现状和未来展望

SOFC（固体氧化物燃料电池）的基础知识（1）