1、前言

日本松下株式会社此前与东京瓦斯株式会社共同开发了固定式家用燃料电池“Ene-Farm”（以下，称为“Ene-Farm”），并于2009年开始面向独立住宅进行一般销售。此后，还面向寒冷地区和集体住宅，发售了可使用LP燃气的机型，扩大了产品阵容。此外，该燃料电池还远销欧洲。本文介绍了2019年4月发售的面向独立住宅的Ene-Farm的产品规格和开发内容。

2、何为Ene-Farm

Ene-Farm是一种利用城市燃气、LP燃气等，通过化学反应同时生成“电”和“热水”的家用热电联产系统，由燃料电池单元、热水存储单元、备用热源机构成。Ene-Farm的构成如图1所示。燃料电池单元由以下四部分构成：

① 使用城市燃气等与水蒸气反应生成氢气的燃料处理装置

② 使氢气与空气中的氧气反应产生直流电能和热能的电堆

③ 将电堆中产生的直流电转换为家用交流电的逆变器

④ 回收电堆和燃料处理装置生成的热能的热能回收装置

在④中回收的热可以用来烧热水并储存在热水存储单元（⑤）中，可用于热水供应和泡澡。如果热水短缺，则在加热泡澡水或使用暖气时，启动备用热源机（⑥）。由此，因Ene-Farm在使用能源时直接发电，所以不会产生输电损耗，可以最大程度地利用发电过程中产生的热，因此其不仅是一种能够高效利用能源的分布式电源，还是一种十分环保的产品。

图1 Ene-Farm的工作原理

3、Ene-Farm的类型

Ene-Farm采用了两种类型的燃料电池。各类型的比较如表1所示。

固体高分子燃料电池（PEFC）的启停顺畅，并且可以根据电力需求的变动灵活调整输出，适用于分布式电源和汽车；固体氧化物燃料电池（SOFC）具有出色的发电效率，适用于替代火力发电站等大规模电源。松下采用的是PEFC类型，并在世界范围内率先开发了家用燃料电池系统。由于上述特性，PEFC作为小规模家用分布式电源具有出色的综合效率。在以下各节中将对其具体事例进行说明。

4、Ene-Farm的开发历史

如图2所示，自2009年开始销售以来，松下已经开发了6代产品。

图2 松下开发机型的变迁

在产品开发方面，松下一直以来都十分重视低成本化、小型化、高耐久性这3点。如图3所示，通过对主要部件——燃料处理装置和电堆进行不断改良，与第1代相比，最新的第6代中其性能得到了大幅改善：成本降低了1/4，产品重量和安装空间降低了1/2，发电寿命提高了2倍。特别是在电堆开发中，通过优化催化剂的配方和涂布量，昂贵的铂的用量减少至原来的约1/6。

图3 产品开发的重点

5、第6代Ene-Farm的开发背景

近年来，人们追求以节能为前提的健康舒适生活。此外，由于集中性暴雨和台风等自然灾害频发，导致长期停电，因此Ene-Farm被期待作为长期居家避难时的应急能源来源。根据此类围绕Ene-Farm的市场动向，松下确定了两个要点。

（1）利用废热提供地暖

Ene-Farm作为热水器具有以下基本功能。

① 热水供应功能：打开水龙头或花洒后可提供事先设定好的温度的热水

② 泡澡功能：可往浴缸注满热水

③ 暖气功能（主要是地暖功能）

不仅限于Ene-Farm，普通的燃气热水器也具有这些功能，但是Ene-Farm可以利用其热水存储的特点，将废热用于热水供应功能和泡澡功能。之前的燃气热水器同样也是采用燃烧燃气的加热方式来实现暖气功能，保温期间需要定期消耗燃气。但随着近来房屋隔热性能的提高，对相对低温·低负荷的地暖的需求逐渐增加，因此将Ene-Farm的废热用于地暖备受期待。

（2）强化抗灾能力

传统的Ene-Farm在停电时，可以通过停电专用插座（AC100V）独立供电。由此，既可以确保电视、移动设备及身边照明设备的电源，又可以使用热水供应功能和地暖，使居家避难成为可能。然而，在用电时，需要将需要使用的电器重新连接到停电专用插座，此外，无法支持500W以上的大负荷。

另一方面，市售的混合动力蓄电系统可以大功率供给太阳能电能，以及向蓄电池充电，但在夜间或恶劣天气持续时，可能出现蓄电池容量不足的情况。

为了解决这些问题，到目前为止，松下一直在开发专用的联动系统，但是由于需要与Ene-Farm兼容连接的功率调节器，以及Ene-Farm仅产生交流电等原因，因此不适合用于为蓄电池充电。

6、第6代Ene-Farm的特点

在松下于2019年4月开始发售的最新第6代Ene-Farm中，首先，为了提高设备性能，通过调整运行条件来改善运行效率并缩小机体尺寸，实现了97%（LHV）的业界最高综合效率；其次，第6代Ene-Farm搭载了废热利用地暖功能，该功能将利用发电时排出的热产生的热水优先用于地暖，形成了健康舒适的室内空间；此外，通过将其与混合动力蓄电系统和直流电连接，可以轻松为蓄电池充电，强化了抗灾能力，即使长时间停电，也能与平常一样居家生活。

7、开发过程

（1）废热利用地暖功能

传统的Ene-Farm如图4所示。此前的系统由燃料电池单元、存储热水的热水存储单元以及能够根据需要通过燃气燃烧进行加热的备用热源机构成。该系统在热水供应和泡澡时，将来自热水存储单元的废热提供给备用热源机。此外，地暖功能下，地暖终端和备用热源机之间进行热循环。

图4 传统产品的系统

另一方面，为了利用废热实现地暖功能，需要将热水存储单元中的热提供给地暖终端，并且在热能不足的时候，需要构建能够利用传统的燃气燃烧进行加热的新系统。能够将废热用于地暖的系统如图5所示。如图所示，通过热交换器间接地从热水存储单元供给地暖所需的热量，从而实现了利用废热提供地暖。

图5 新产品的系统

在全新的热交换系统的热水存储单元侧流路中，热交换后的低温热水将返回储罐底部。在开发此功能时，如何在能够对地暖进行必要的热输出的前提下，控制上述储罐的返回温度和返回流量变得十分重要。以下将详细叙述。

由于Ene-Farm系统在发电过程中回收废热从而实现连续运行，因此，如果储罐底部的温度超过预定温度，则废热将无法回收，运行停止。为了避免这种情况，重要的是控制储罐的返回温度，以免温度过高。此外，通过储罐返回温度和返回流量来控制罐内的温度分层也十分重要。在关注这些问题的同时，松下与热水储罐厂家合作，反复进行了各种验证和评估，最终实现了本功能。借助此功能，可以将积蓄在热水存储单元中的废热提供给地暖。这不仅有助于减少地暖运行期间的燃气消耗，还减少了运行停止的次数并延长了发电时间，从而进一步提高了节能效率。

（2）配合混合动力蓄电系统的DC电力联动功能

在停电时，通过向Ene-Farm和混合动力蓄电系统提供直流电，可以实现高功率且长时间的电力供给。具体而言，通过将来自Ene-Farm的电力以直流方式连接到功率调节器的太阳能发电输入端，可实现向蓄电池充电，从而能够将其与混合动力蓄电系统的输出系统集成。为了普及本功能，需要将Ene-Farm与市售的混合动力蓄电系统连接，因此松下致力于解决以下两个开发课题。

①为了防止回流，Ene-Farm需能够自主进行停电判定

②可连接更多的蓄电系统，以便为蓄电池充电

图6 传统的停电时联动系统

传统的停电时联动系统如图6所示。停电后，来自电网的供电被切断，功率调节器将切换到独立运行模式。该系统由功率调节器进行停电判定，Ene-Farm从功率调节器接收到专用停电信号后进行停电判定。电源开关单元切换到独立模式，并通过太阳能发电和蓄电池向Ene-Farm和特定负载供电。Ene-Farm使用此电力运行，并通过独立分电盘为特定负荷供电。但是，由于一般的功率调节器不具有停电信号输出功能，因此存在Ene-Farm不能独立进行停电判定的问题。

图7 新产品的停电时联动系统

图8 DC输出判定流程

新产品的停电时联动系统如图7所示。与传统系统一样，停电时功率调节器切换到独立运行模式，通过功率调节器输出AC100V/200V，向Ene-Farm和特定负荷供电。此时，在具有DC电力联动功能的Ene-Farm中，不仅来自太阳能发电和蓄电池的电力，来自Ene-Farm内置的停电时DC输出单元的电力也可以通过功率调节器向特定负荷供电；另一方面，由于Ene-Farm必须避免电力回流至电网（防止DC电力误连接），松下开发了Ene-Farm的DC电力防回流系统。

图8所示为联锁功能的DC输出判定流程，按照该流程监视并确认下述4点，可仅在发生停电时提供DC电力。

① 在Ene-Farm的系统输入输出阶段无法检测AC200V

② 向Ene-Farm内的AC负荷通电，不从电网受电

③ Ene-Farm用CT无法检测受电电流

④ 在Ene-Farm的AC100V输入阶段检测AC100V

作为DC输出的最终判定，在满足上述①、③及④中的所有条件后，判定为停电，进行DC输出。由此，即使在200V的断路器意外掉落或特定负荷为轻负荷的情况下，也可以通过执行②来防止回流。

图9 停电时DC输出单元的框图

太阳能发电是DC输出，同时功率调节器具有最大电力点跟踪控制（以下称为“MPPT控制”）功能以使电力最大化；另一方面，由于传统的Ene-Farm是AC输出，因此无法将其连接到功率调节器的太阳能输入端。此外，常规的DC/DC转换器不能配合功率调节器的MPPT控制，也不能为蓄电池充电。因此，松下新开发的停电时DC输出单元具有特性转换模块，能够转换由燃料电池产生的DC电压，并使其输出时能够配合MPPT控制。

图9所示为停电时DC输出单元的框图。特性转换模块负责模拟太阳能电池板相对于DC/DC转换器输出的电压-电流特性。在不使用微计算机的情况下，通过多级模拟信号反馈来实现这一模拟，可以控制电路规模，并且可以在不扩大产品尺寸的情况下将其内置。

8、结论

松下自1999年以来一直致力于燃料电池的开发，以期为客户提供更好的生活，并为实现低碳社会做贡献。自2009年实现世界首次量产化以来，已有11年的历史，累计产量已超过18万台，稳步推进了燃料电池的普及。此外，2020年，以面向独立住宅的Ene-Farm为基础，松下开始销售集中住宅用Ene-Farm的新产品，并且计划在2021年以后推出纯氢燃料电池的新产品。这种纯氢燃料电池将交付给预计建于东京奥运会选手村旧址的“HARUMI FLAG”。未来，松下将继续利用燃料电池的环保性能和出色的抗灾功能，为客户提供安心、舒适的生活，并为实现可持续发展社会做贡献。

大阪瓦斯：利用可再生能源氢和沼气合成甲烷，计划用于大阪世博会

固定式家用PEFC（Ene-Farm）