燃料电池走向普及

1、【燃料电池走向普及】（一）PEFC技术篇 削减铂用量、提高核壳催化剂活性燃料电池的主流固体高分子型燃料电池（PEFC）和固体氧化物型燃料电池（SOFC）围绕低成本化展开了竞争。PEFC方面，可削减催化剂中铂的使用量的核壳催化剂开始展现成果。SOFC方面，发现了有望把工作温度降至400左右的新材料。       “业内的目标是到2016年使实售价格降至70万日元出头。如果能实现这一目标，不用做宣传也能卖出去”（东京燃气）。日本针对家用燃料电池系统的补助制度到2015年度就要停止，这促使燃料电池的低成本化技术开发加快了速度。家用

2、燃料电池的业界团体提出了把目前为150万160万日元的家用燃料电池系统实售价格一举降低一半的大胆目标。当然，家用领域的技术也可以用于工业用途。       业界之所以对降低成本这么有信心，是因为燃料电池车将于2015年上市。燃料电池车大多采用在家庭用途占主流的固体高分子型燃料电池（PEFC），预计将产生波及效果。事实上，PEFC的课题之一铂（Pt）催化剂用量的削减也在快速推进（图1）。 图1：围绕高效率和低成本展开竞争PEFC和SOFC围绕发电效率和制造成本展开了竞争。PEFC的课题是削减铂用量，SOFC的课题是降

3、低工作温度等。图为家用燃料电池示例。（PEFC的图由东京燃气提供，SOFC的图由大阪燃气提供）       在实用化方面领先一步的家用PEFC方面，东京燃气和松下2013年4月推出的产品已是第三代。每一代产品努力削减了成本，第三代产品的标准价格由原来的276.15万日元降到了199.5万日元。       为第三代产品降低成本做出贡献的是铂等贵金属使用量的削减。例如，对于发电的核心电池单元，将其电极催化剂的铂用量削减了50。两家公司没有公布详细情况，据说是

4、通过控制催化剂的粒度分布、同时提高催化剂层与电解质膜的密封性以提高导电性，从而削减了铂用量的。另外，利用天然气制备氢气的重整器也把去除一氧化碳（CO）的选择氧化催化剂使用的贵金属用量削减了50（图2）。注1）注1）不仅削减了贵金属的用量，还把电池单元与重整器的耐久性由5万小时提高到了6万小时。前者是通过提高化学耐性、后者是通过优化温度平衡实现的。 图2：综合效率达到95东京燃气2013年4月推出了家用PEFC新产品，该产品的综合效率提高到了95（a）。还计划在2014年4月推出面向住宅楼的产品（b）。（图由日经电子根据东京燃气和松下的资料制作）   &#

5、160;   燃料电池厂商在降低成本的同时，还在努力扩大可设置场所，比如寒冷地区、住宅楼等。东芝燃料电池系统公司开发出了将以前为-10的环境温度下限降到-20的燃料电池。这是通过追加在室外温度低时防止散热增加的小风量换气扇、强化停止运转时等使用的保温加热器、强化用来减少机壳散热的隔热材料等实现的。东京燃气和松下预定于2014年4月推出可设置在住宅楼里的产品。该产品进行了多处改进，例如，为了能设置在高楼层而改进了进气和排气构成、从而减弱了风压的影响；为了能设置在住宅楼走廊的管道井内，把排气等的出风口集中到了一处。    

6、60;  可提供应对停电等新价值的技术的开发也在进行中（图3）。目前，有些家用燃料电池具备即使运行过程中停电也能继续运转的功能。不过，如果停电时燃料电池处于停止状态，由于无法向燃料泵等辅助设备供电，所以无法启动。 图3：配备蓄电池东芝燃料电池系统开发出了配备蓄电池的家用燃料电池系统。可在停电时启动，还能提高输出功率。（图由日经电子根据东芝燃料电池系统的资料制作）       东芝燃料电池系统开发出了配备蓄电池、可单独启动的产品。如果配备500Wh左右的蓄电池，燃料电池系统就能单独启动。如果把蓄电

7、池的容量增加到5001000Wh左右，在使用微波炉等耗电量较大的家电产品时，还可以将燃料电池和蓄电池组合起来使用。核壳催化剂的活性提高核壳催化剂的活性提高       为了使将来的PEGC进一步降低成本，相关企业还打算灵活运用面向燃料电池车开发的催化剂技术。PEFC的燃料极和空气极都要使用铂，但由于还原反应的反应速度较慢，因此空气极的铂用量尤其多。燃料电池车中的铂用量为每辆几十克。铂的价格约为280元/克，因此必须削减用量。家用燃料电池的铂用量虽然每台只有几克，但“在以100日元为单位削减成本的情况下，能以1000日元为单位

8、削减成本带来的冲击相当大。我们非常期待”（东芝燃料电池系统）。       削减铂用量方面较受关注的技术之一是“核壳催化剂”。该技术通过只在催化剂表面使用铂、在催化剂的中心部分使用其他材料来削减铂用量。以粒径为3nm的催化剂为例，如果仅在表面使用铂，预计铂用量可减少一半。       日本同志社大学一直在开发内核使用价格仅为铂的约一半的钯（Pd）的核壳催化剂。此前利用“Cu-UPD（欠电位沉积）”法，一次只能制造几十g，而现在开发出了可大量合成的改良型Cu

9、-UPD法（图4）。新方法非常简单，首先，把在碳（C）上附着有钯微粒的Pd/C粉末加入酸性硫酸铜水溶液；其次，在水溶液中放入网状铜（Cu）并进行搅拌，铜会附着在钯表面；然后捞出铜并添加K2PtCl4（氯亚铂酸钾），钯表面的铜就会被置换成铂。 图4：大量合成核壳催化剂同志社大学开发出了大量合成核壳催化剂的方法（a）（b）。对合成的核壳催化剂实施耐久性试验后发现，催化剂的活性大大提高（c）。（图由日经电子根据同志社大学的资料制作）       用这种方法获得的核壳催化剂比市售的普通Pt/C催化剂活性高。还有一点令人颇感

10、兴趣的是，对核壳催化剂实施电位循环试验后，活性进一步提高。同志社大学认为，刚制造出来的核壳催化剂的钯内核形状为椭圆形，其表面的铂层并未将其完全覆盖。在之后的耐久性试验中，钯内核有部分溶出，使其形状接近完美的球形，同时，铂反复发生氧化还原反应重新排列，将内核表面完全包覆住。这种现象使催化剂活性大大提高。实际上也已确认，在耐久性试验之后，核壳催化剂的粒径减小，钯所占的比例也降低。       同志社大学正在讨论进一步降低成本的方法，比如在钯中添加廉价的材料，或者内核采用价格比钯更便宜、每克仅约4元的银。在碳中添加微量氮制作催化剂

11、在碳中添加微量氮制作催化剂       为实现终极的铂用量削减，完全不使用铂等贵金属的新型催化剂也在开发之中。其中，东京工业大学正在帝人、旭化成化学和东芝燃料电池系统等企业的协助下，开发“碳合金催化剂”。这种催化剂的主要成分是碳（C），其中添加了百分之几的氮（N）原子等。其详细机制并未公布，据称，虽然没有使用贵金属，但是是一种具备氧还原活性的独特材料。如果能实现实用，有望大幅削减催化剂的成本。       碳合金催化剂以前一般是在碳黑等现有碳材料中添加氮后

12、，为使构造稳定、提高耐久性而进行热处理来获得。但进行高温处理的话，催化剂的活性又会降低。为此，东京工业大学开发出了在制成含氮的聚酰亚胺微粒后，进行多级热处理来获得碳合金催化剂的新方法（图5）。 图5：通过多级热处理制造碳合金催化剂东京工业大学开发出了对合成的聚酰亚胺微粒进行多级热处理、从而获得碳合金催化剂的方法（a）。1A/cm2时接近了当前的目标值0.6V（b）。（图由日经电子根据东京工业大学的资料制作）       具体方法是，先重合两种材料进行200的热处理，获得含氮的聚酰亚胺微粒；然后在氨气环境等条件下以6

13、00、800、1000的温度分阶段对其进行热处理。这样，无需减少作为催化剂活性点的氮用量，就能制成碳合金催化剂。这种方法的优点是，可兼顾耐久性和催化剂活性，而且能自行合成用于碳合金催化剂的聚酰亚胺微粒，因此对于今后提高特性也有好处。实际上，东京工业大学通过优化重合条件，把聚酰亚胺微粒的直径由300nm左右缩小到了150200nm。       东京工业大学利用以新方法获得的碳合金催化剂，在厂商的协助下制成膜电极组件（MEA）实施了单个电池单元的实验。结果证实，能获得接近当前目标发电特性的值。不过，由于现在是在纯氧环境下做的实

14、验，要想在氧浓度只有20左右的空气中获得相同的特性，需要提高催化剂活性点的密度。东京工业大学正讨论改良方法，打算使其形状接近粒度仅几十nm的碳黑。（二）SOFC技术篇 提高发电效率、工作温度降至400度作为固体高分子型燃料电池（PEFC）的竞争对手，固体氧化物型燃料电池（SOFC）也在为了弥补缺点而积极推进技术开发。最近发现了一种新材料，有助于解决一直存在的课题降低工作温度。如果能降低工作温度，就可以使用便宜的材料，并提高耐久性。       SOFC在家用市场的上市时间比PEFC要晚。2004年开始开发SOFC、2012年

15、推出产品的大阪燃气介绍说，SOFC由于工作温度高达700750，如何确保耐久性是一个课题。2006年前后在确保电池单元单体耐久性方面取得了眉目，但将电池单元连接起来制成电池组时，耐久性就会大幅降低。       耐久性降低的原因在于连接电池单元的集电金属（图1）。为了缓和热膨胀时的应力，集电金属采用的是较软的不锈钢。不锈钢中添加了铬（Cr），铬移动到电池单元中形成氧化物，对耐久性造成了影响。 图1：提高SOFC的发电效率大阪燃气2012年4月推出了家用SOFC（a）。对发电效率高达55的新一代SOFC的试制品实施了

16、试运转（b）。（图（a）由日经电子根据大阪燃气的资料制作）       因此，大阪燃气为了抑制铬的移动，在不锈钢表面加工出了陶瓷涂层。燃气灶上放锅的三脚架的金属表面也有陶瓷涂层。该公司负责三脚架涂层的技术人员考虑了周边零部件的热膨胀系数等，为作为集电金属的不锈钢选择出了最合适的涂层材料。这样，虽然电阻成分和制造成本有所上升，但确保了将近10年的耐久性注1、注2）。注1）除集电金属外，把燃气导入电池单元的“燃气歧管”部件和机壳也使用了不锈钢。这些不锈钢中添加了Si，因此，通过热处理在其表面形成氧化覆膜抑制了铬的移动。 注2）此外，大阪燃气面向加氢

17、站等，于2013年12月推出了可通过天然气改质制造氢的现场型制氢装置“HYSERVE-300”。制氢能力为300Nm3/小时，与利用三台该公司的100Nm3/小时的产品相比，设置面积可削减约42，设置成本可削减约50。利用天然气制氢的改质效率由原产品的71提高到了79，这主要是通过改进重整器、强化废热回收、在去除杂质的PSA（变压吸附）装置中采用新方式等实现的。（摄影：大阪燃气）发电效率目标为55发电效率目标为55       目前SOFC的低热值燃料发电效率为46.5，大阪燃气的计划是，2010年代将效率提高到50，202

18、0年以后提高到55。不仅是家用领域，还打算采用相同的电池单元，面向3kW左右的工业用途开展业务。产品化之前，大阪燃气先在该公司的实验集合住宅“NEXT21”中设置了发电效率约为55的试制品，连续进行了试验。       试制品采用的电池组与现在的产品相同。增强隔热和空气换热器性能为提高发电效率做出了贡献。SOFC中，7成燃气用于发电，剩余3成用于维持700的高温。通过增强隔热和换热器性能，可削减燃气用量。       不过，削减燃气导入量后，电池组温度分布

19、会严重影响到产品性能。由于气体的粘度会随温度上升，因此燃气在高温部分难以流通。如果减少燃气的导入量，高温部分的流量就会进一步减少。在这种情况下，氧离子会出现剩余，导致作为燃料极支持体的镍金属陶瓷被氧化。大阪燃气没有公开具体的解决方法，据说是通过最大限度抑制温度分布减小了影响。试制品采用的削减燃气的方法会导致生产成本大幅上升，因此很难立即应用于实际的产品，这是今后需要解决的课题。把工作温度降到400       为了实现SOFC的低成本，必须要降低工作温度。SOFC与PEFC相比，无需使用铂等贵金属，而且无需去除CO，燃料重整

20、器的构造非常简单。因此，降低成本的可能性非常高。但现在由于工作温度高、必须使用耐高温材料，因此成本还比较高。       决定SOFC工作温度的，是电解质的氧离子导电体。目前采用的是Y2O3稳定化ZrO2，工作温度为700750，正在讨论采用LaGaO3，据说有望把温度降到600左右。日本九州大学2013年11月宣布，发现了有望把工作温度降到400500左右的新型氧离子导电体（图2） 图2：SOFC的工作温度有望降低九州大学发现了有望降低SOFC工作温度的新型氧离子导电体“Na0.5Bi0.5TiO3”（a）。与目

21、前主流的Y2O3稳定化ZrO2和正在开发的LaGaO3类氧化物相比，低温一侧的氧离子导电度较高（b）。（图由日经电子根据九州大学的资料制作）       九州大学发现的氧离子导电体是由钠（Na）、铋(Bi)和钛（Ti）构成的“Na0.5Bi0.5TiO3”（NBT）。在把NBT作为压电体提高特性的研究中，发现这种材料具有氧离子导电性。NBT是拥有钙钛矿型晶体结构的氧化物，通过为铋的缺陷部分和钛的位置添加镁（Mg），可以提高氧离子导电性。在400以下，NBT的氧离子导电性比Y2O3稳定化ZrO2和LaGaO3还要高。 

22、;      为实现实用化，还需要寻找适合NBT的电极材料。如果NBT和电极材料的热膨胀系数差别较大，会出现NBT从电极和电解质界面剥落等问题。钠和铋还可能会与电极发生反应，从而影响耐久性。另外，还要减薄NBT的厚度，使离子更容易传导。充放电效率达到80充放电效率达到80       把SOFC用于氢蓄电系统的研究也取得了进展。东芝开发出了把利用可再生能源的剩余电力用水制氢的固体氧化物型电解单元（SOEC）与利用氢发电的SOFC组合在一起的系统。如果是在夜间8小时使

23、用5MW的剩余电力制造氢、在白天的8小时输出4.1MW电力的面向一万户住户的设施，只要有20m×30m的面积就能建设（图3）。 图3：利用SOEC制造氢东芝推进了氢蓄电系统的开发（a）。利用SOEC制造氢（b）。（图由日经电子根据东芝的资料制作）       用水制造氢的方法有利用碱性电解水的方法和利用固体高分子膜（PEM）的方法。其中，碱性电解水法在电解液腐蚀和膜的耐久性等方面存在课题。而PEM法要使用贵金属催化剂，成本较高。而东芝正在开发的技术，选择了有望实现高效率和低成本的SOEC。 &#

24、160;     如果把目前SOFC的燃料极使用的Y2O3稳定化ZrO2直接用于氢的制造，燃料极和电解质的界面等会剥离，导致电阻增加。因此，东芝开发了适合制氢模式的燃料极添加了钆（Gd）的铈（Ce），并已通过电池单元确认，这种燃料极能连续工作5000多个小时。另外，考虑到可再生能源变动较大的这个特性，还打算扩大制氢一侧的电池单元容量，使其大于发电一侧。       东芝的氢蓄电系统还有一个特点，那就是把SOFC发电时产生的热量存储到蓄热装置中，在通过SOEC制氢时进行再利用。

25、由于制氢是吸热反应，因此提高温度能削减所需电能。蓄热材料采用熔点在800左右的NaCl，密封在了导热性和耐腐蚀性出色的SiC容器中。       SOEC在仅用电力制氢时也能直接利用自己发热的能源，因此制氢效率几乎达到100。再加上再利用热能的效果，制氢效率可提高到140左右。因此，采用热能再利用时，系统的充放电效率高达约80，这是用SOEC的效率约140乘以SOFC的效率约60得出的注3）。购买每度十几日元的电力制造氢、再用SOFC发电的话，可实现每度30日元的供电。（记者：河合 基伸、狩集 浩二，日经电子）注3）将碱性电

26、解法或PEM法与PEFC组合时，由于碱性电解和PEM的效率为7090，PEFC的效率约为40，因此整体效率只有30左右。（三）世界动向篇 丹麦：洛兰岛利用可再生能源生成氢利用氢的举措在全球多个国家开始出现热潮。比如在率先展开行动的欧洲，利用可再生能源的剩余电力生成氢的做法受到关注。而美国则从保障国家安全的角度出发，为降低能源对海外的依赖，开始构筑氢基础设施。       氢的利用与燃料电池的普及大幅相关。全球各地开始探索符合地区特性的氢利用手法（图1）。尤其是在欧洲，氢的利用作为利用可再生能源剩余电力的有效手段受到了瞩目。&

27、#160;图1：关于氢的世界动向全球开始围绕氢利用大展身手。       在欧洲，可再生能源比例正在快速提高。例如，德国计划2030年把可再生能源在总发电量中所占的比例提高到50。丹麦提出了2050年之前摆脱化石燃料的目标，可再生能源的比例与德国一样，计划2035年之前提高到50。       因此，在欧洲，风力发电和光伏发电等输出变动较大的可再生能源的比例越来越高，如何利用剩余电力成为课题。比如在德国，剩余电力就无法定价出售，所以构筑采用剩余电力的新业务

28、模式颇为重要。       于是，欧洲陆续启动了利用剩余电力电解水生成氢，然后以多种形式利用氢的实证试验。       本文邀请撰写氢基础设施调查报告世界氢基础设施项目总览的单位日经BP清洁技术研究所，来介绍一下在氢利用方面采取了先进措施的丹麦、德国和美国的事例。       丹麦，将介绍2007年启动实证试验的洛兰岛氢项目案例。德国，将介绍通过用剩余电力生成的氢和CO2制造甲烷（CH4

29、），旨在实现“零碳”社会的案例。       另外，美国从保障国家安全的角度出发，为降低对化石燃料的依赖，开始构筑氢基础设施。本文将介绍率先致力于普及燃料电池车（FCV）的加利福尼亚州的案例。丹麦：洛兰岛氢项目利用可再生能源生成氢丹麦：洛兰岛氢项目利用可再生能源生成氢       丹麦提出了2050年之前摆脱化石燃料的目标，目前，以风力发电和生物质发电为中心，该国的可再生能源在供电中所占的比例已经达到约30。另外，最近几年还迅速导入了光伏发电。现在，容易受

30、天气影响的风力发电和光伏发电在系统电力中所占的比例提高到了20左右。       丹麦政府计划确立2035年之前把风力发电等输出变动较大的可再生能源在供电中所占的比例提高到50。其实，盛行风力发电的洛兰岛已经启动了氢项目验证实验，利用氢作为储藏风力发电剩余电力的介质。具体做法就是，利用风力发电和太阳能发电的剩余电力电解水制造氢，然后将氢储藏在氢气罐中。反之，当电力供应不足时，则利用储藏的氢让燃料电池发电，使用电力和废热。已推进到第三阶段       洛兰岛

31、氢项目于2007年5月启动，实验基地位于洛兰岛最大的城市纳克斯考以南5km远的Vestenskov地区。在远离居住区的沿海空地上，设置了水电解装置以及压缩该装置生成的氢进行储藏的氢燃料罐（图2）。生成的氢还会导入住宅中，通过住宅内的燃料电池发电，提供电力和热。 图2：通过电解水制造和储藏氢丹麦Vestenskov设置了水电解装置以及压缩电解的氢进行储藏的储氢罐。（摄影：日经BP清洁技术研究所）       不过，由于还没有利用氢的能源系统相关标准，而且居民觉得氢危险的观念根深蒂固，因此该项目是分阶段实施的，现在正向

32、第四阶段迈进。       在2007年刚刚启动的第一阶段，并没有在住宅中设置燃料电池系统。而是先把燃料电池、用于将发电电力转换成交流的逆变器，以及废热回收装置收纳在玻璃柜中，方便市民参观。       在从2008年开始的第二阶段，在普通住宅的5户家庭里设置了冰箱大小的燃料电池系统实际进行使用。采用额定输出功率为1.5kW的固体高分子型燃料电池（PEFC）。       从2011年开

33、始的第三阶段，设置燃料电池系统的住宅数量增加到了35户，其中约一半家庭为改良型燃料电池系统。开发该燃料电池的是丹麦的风险企业IRD Fuel Cells。系统价格目前为10.9万克朗。       IRD Fuel Cells的产品以燃料电池组为主，另外还自行制造MEA（膜电极组件）（图3）。隔膜采用石墨，电解质膜采用碳化氢类高分子。以氢为燃料时的发电效率约为45，把废热作为70的热水使用时的综合热效率达到94。耐久性“已实际达到2万小时，确立了4万小时稳定工作的眉目”（IRD Fuel Cells）。 图3：第三

34、阶段利用的燃料电池系统第三阶段利用的燃料电池系统是IRDFuel Cells公司生产的（a）。从MEA到燃料电池组均由该公司自主制造（b）。（摄影：日经BP清洁技术研究所）       第三阶段以前一直以与现有区域供热系统的联动为目标，在远离住宅的场所设置电解水装置。从此处利用专用管道把氢输送到住宅中。从2013年底开始启动的第四阶段，将在约1万户住宅中设置内置小型水电解装置的燃料电池系统。以无法利用区域供热系统的住宅为目标，制氢时的废热也以热水的形式储藏在住宅内的罐中。虽然燃料电池系统的价格升高了，但无需从住宅外铺设氢管道

35、，施工费低。       丹麦为摆脱对化石燃料的依赖，将从2015年开始禁用供暖用煤油锅炉。使用电解水生成的氢的燃料电池系统在利用剩余电力的同时，还有望取代煤油锅炉。       据IRD Fuel Cells公司介绍，从电解水生成氢，到利用燃料电池发电的效率为37。不过，通过回收这一系列过程中产生的废热，综合效率可以提高到85。另外，第三阶段以前的验证实验使用的氢管道采用钢制造，在保证安全性的前提下，第四阶段预定使用树脂管道。力争使设置价格降到6万克朗以

36、下力争使设置价格降到6万克朗以下       笔者拜访了参加第三阶段验证实验的一户住家。这户人家位于郊外，不在区域供热服务的范围内，此前一直是设置煤油锅炉，用来供应热水和供暖。这家住户满意地表示，“改用燃料电池后，排出的废气清洁了。严冬时节的暖气会供给足量的热水”。       在丹麦，如果住宅内没有电力需求，只需要热水，燃料电池发电的电力可以出售。氢管道一直埋设到住宅地下，在住宅内从天花板连接到燃料电池系统上（图4）。为防备万一出现氢泄露，在邻近天花板的

37、墙壁上设置了换气口，房顶背面安装有氢传感器。 图4：从天花板设置氢管道氢管道一直埋设到住宅地下，在住宅内从天花板连接燃料电池系统。（摄影：日经BP清洁技术研究所）       在该住宅内设置并运行燃料电池系统的，是丹麦大型电力零售商SEAS-NVE公司。如果基于燃料电池的热电联产实现普及，电力销量就会减少，不过“要是家用燃料电池早晚都会普及，那我们就率先开展设备的销售和设置业务”（该公司的项目开发负责人）。       在第三阶段的验证实验中，设

38、置资金由政府全额补助，包括施工费在内，每户约花费13万克朗。该公司认为，如果销售和设置价格能降到6万克朗以下，不依赖补助金也能实现普及。（记者：金子 宪治，日经BP清洁技术研究所）（四）世界动向篇 德国：把氢提供给热电联产和汽车用途，通过甲烷化实现零碳排放氢的利用，此前一直都以使用燃料电池发电的方法为中心。但最近，在城市燃气中混合氢，将其用作火力发电的燃料，或者把氢转换成甲烷等化学燃料的动向越来越活跃。具有代表性的项目就是德国推进的“P2G（Power To Gas）”项目。城市燃气相关的能源公司以及想以天然气为燃料的汽车厂商都在进行探讨。    

39、60;  该项目的背景源于德国可再生能源导入量的扩大。德国打算2022年之前全面废除核电，扩大可再生能源的比例。2012年，可再生能源在德国总发电量中所占的比例达到了22，2020年计划将其提高到35，2030年进一步提高到50。       其中，风力发电的导入量集中在风力条件良好的德国北部地区，但电力需求集中在产业较多的南部，但连接德国南北地区的高压输电线容量不足，无法输送，出现了不得不减少输出的情况。       为此，德国E.O

40、N和Greenpeace Energy等能源公司利用风力发电的剩余电力电解水生成氢，然后提供给现有的燃气管道网络。在利用剩余电力的同时，通过在城市燃气中添加氢，预计可削减硫氧化物（SOX）和氮氧化物（NOX）等有害物质的排放。       把利用风力发电剩余电力生成的氢用于热电联产的项目也已经启动。例如，位于德国勃兰登堡州普伦茨劳的风力发电公司Enertrag从2011年10月开始把风力发电的电力并入电网，而且还启动了氢生成设备。3台2MW风力发电设备（合计为6MW）发电的电力基本全部并入电网，在夜间等电力需求低，有剩余电力

41、时，通过电解水制造氢储藏起来。       比较有趣的是，把储藏的氢与通过生物质制造的甲烷等可燃性气体（生物燃气）混合后用于热电联产单元这种做法。热电联产单元发电的电力并入电网，废热用于区域供暖。部分氢还提供给柏林市内等的燃料电池车（FCV）和氢发动机车的加氢站。       不把氢直接混合到城市燃气中，而是利用氢制造甲烷的做法也越来越活跃。其中利用了从氢和CO2中制造甲烷和多种碳化氢的反应过程。其出发点是利用氢还原CO2制造CO和水的反应，称为“逆向转移

42、反应”。 逆向转移反应       nH2nCO2  nCOnH2O       在CO中再次混合H2，通过甲烷化反应大量合成甲烷。 甲烷化反应       CO3H2  CH4H2O       在德国，Solar Fuel公司建设了利用光伏发电和风力发电的剩余电力、水及大气中的CO2，通过甲烷化

43、反应制造甲烷的工厂，已经开始推进验证实验（图5）。2009年运行了利用可再生能源的25kW试制品，以40的效率成功制造了甲烷。 图5：利用可再生能源合成甲烷Solar Fuel公司在利用可再生能源的电力、电解水生成的氢，以及空气中的CO2制造甲烷的工厂中，推进了验证实验。（图由日经电子根据Solar Fuel公司的资料制作）       2013年把规模扩大到了20MW，计划实现商用化。该公司打算将制造的甲烷直接供应给天然气管道网。可直接利用城市燃气的基础设施，而且城市燃气有望实现零碳化。源自氢的甲烷提供给CNG源

44、自氢的甲烷提供给CNG车       打算把源自氢的甲烷用于压缩天然气（CNG）车，使CNG车实现零碳化的是德国奥迪（图6）。该公司2013年6月启动了制造甲烷的工厂，利用以6MW的设备电解水生成的氢来制造，2013年秋已开始全面投入使用。该公司把这种合成甲烷称为“e-gas”。 图6：CNG车将实现零碳奥迪开始致力于零碳化举措，利用源自可再生能源的氢生成甲烷，供CNG车使用，以实现零碳化（a）。2013年6月启动了每年可生产1000吨甲烷的工厂（b）。（图由日经电子根据奥迪的资料制作）  &#

45、160;    e-gas工厂建于拜恩州英戈尔施塔特，拥有每年制造1000吨甲烷的生产能力。这是奥迪与德国ETOGAS公司和德国MT-BioMethan公司的共同业务，得到了装置厂商Solar Fuel的协助。e-gas制造工厂毗邻生物燃气制造工厂，作为原料的CO2可以利用生物燃气工厂的废气，而制造甲烷时的废热则可以用于生物燃气工厂。       奥迪2013年3月上市了新款CNG车“A3 Sportback g-tron”，面向该车优先销售e-gas工厂制造的甲烷。另外，制造的甲烷还

46、计划供应给公共燃气管道网。       不仅是德国，美国也在美国能源部（Department of Energy）的主导下启动了利用源自可再生能源的氢制造化学燃料的项目“Eelectrofuels Program”。特点是，在组合氢与CO2的基础上，还采用微生物制造液体化学燃料。没有利用上述甲烷化反应那样的化学反应，而是利用了通过微生物生成甲烷和丁醇等的过程。目前尚处于基础阶段，不过在CO2的固定化方面受到了关注。还有望与CCS组合       如上所述，

47、如果能用氢和CO2制造化学燃料和化学品，将来在化石燃料枯竭时，CO2可能会成为非常宝贵的碳源。2020年以后，全球将开始实施CCS（carbon dioxide capture and storage），回收CO2储藏在地下和水中。而氢领域也将试着通过天然气田和煤田对化石燃料进行改质和气化以制造氢，并开始大量运输和供给。因此，通过CCS储藏的CO2与氢组合使用的方法有望形成一项业务。便携燃料电池实用化元年（一）首先作为锂离子电池的充电器便携终端用小型燃料电池终于进入了实用化阶段。东芝于2009年3月在该公司的手机上采用，美国MTI MicroFuel Cells计划在2009年内、意法半导体计

48、划在2010年分别量产。其他的日本电子大厂则力争在2012年以后实用化。用于便携终端的燃料电池首先将作为便携终端内置锂离子充电电池的充电器投放市场。然后将应用范围扩展至一次电池（干电池）的替代用途。便携终端用燃料电池开始步入实用化阶段。2009年3月，东芝率先在该公司的手机上采用。之后，美国燃料电池供应商MTI MicroFuel Cells（以下简称MTI）和意法半导体也表明了实用化意向，前者将在2009年底、后者将在2010年推出产品（图1）。 图1：2009年将是便携终端用燃料电池的实用化元年在提高可靠性及安全性的同时又能保持小型化的技术日臻完善。而且外部环境也趋于成熟，比如可

49、携带燃料电池及燃料盒乘坐飞机。本图由日经微器件制作。(点击放大)       此前也有企业宣布将使便携终端用燃料电池实现实用化。不过目标都是替代锂离子充电电池，由于门槛较高，这些计划大都受挫 注1）。而此次配备燃料电池的目的并不是替代锂离子充电电池，而是通过与锂离子充电电池结合，延长便携终端的驱动时间。通过降低燃料电池业务的门槛来启动业务，思路与原来不同。注1）近10年来一直在推动开发的日本电子大厂商纷纷表示，“研发已告一段落，实用化时期尚未确定”（卡西欧计算机公关室），“目前正致力于小型固定型产品”（日立制作所公关室）。&

50、#160;      东芝、MTI及意法半导体3公司的实用化产品均为与锂离子充电电池并用的产品。将燃料电池作为锂离子充电电池的充电电源嵌入到产品里。如此一来，与仅使用锂离子充电电池时相比，可将电池寿命（容量）延长至两倍以上。即使在不能为锂离子充电电池充电的环境下，也可减轻对电池电量耗尽的担心。当电池电量耗尽时，填充燃料后就能立即驱动。这样便可省去携带备用电池的麻烦。而且，还可凭借锂离子充电电池的功率输出来弥补燃料电池最大输出功率较低的缺点。与只使用锂离子充电电池相比，虽然成本升高、尺寸变大，但却能享受到寿命延长、无需充电等待时间等优点

51、。瞄准未来的主导权东芝的主要目标首先瞄准的是重度用户，这些用户在使用便携终端时，往往半天即可将锂离子充电电池充满的电量用光。对象包括便携网络终端及便携音视频播放器的内置充电器 注2）。在这一领域积累经验后，再将燃料电池应用于商用个人电脑（PC）等。通过提高燃料电池的认知度，使用户形成注入燃料而非插入AC适配器的习惯，建立起使用燃料电池的环境。注2）为了实用化，东芝使燃料电池乃至燃料注入用连接器及燃料盒等，在尺寸未加大的情况下确保了安全性及可靠性。在连接器方面，开发了能够高可靠性连接燃料盒的形状以及阀门开闭方法。而燃料盒则达到了可在便利店销售的安全性和可靠性。   

52、    另外，还通过在燃料电池市场创立期便开始涉足该业务，“在便携终端、燃料盒及燃料浓度标准化方面先行一步”（东芝显示器部件材料总工程师上野文雄）注3）。便携燃料电池今后将有望在手机内置及替代一次电池（干电池）等方面形成巨大市场。通过在实用化上先行一步，作为开拓者掌握市场主导权。注3）对于连接器，东芝参照了标准化推进机构国际电工委员会（IEC）的标准，东芝一直积极参加IEC的标准制定活动。有关标准由东芝主导制定概要，预定2009年上半年确定。       MTI及意法半导体并非便携终端

53、厂商，与东芝能够在自己的便携终端上配备相比，情况有所不同。因此打算以内置于便携终端为目标，最初向外置充电器用途供应燃料电池。       MTI计划在2009年底之前面向外置充电器用途投产燃料电池单元，意法半导体也计划在2010年投产类似的产品。之后，两公司将推进在手机中的内置业务。目前，MTI已开始与韩国三星电子展开合作。意法半导体正在以2012年前后实用化为目标，与芬兰诺基亚等推进开发。便携燃料电池实用化元年（二）仅靠锂离子电池还不行“仅靠锂离子电池则无法解决”     

54、  近10年来，便携终端用小型燃料电池的开发企业曾多次表示要实现燃料电池的实用化，但计划却一再延期。造成这种情况的原因在于，最初一直将目光放在对锂离子充电电池的替代上，但这种单纯替代几乎看不到什么好处。       但是近来，便携锂离子充电电池充满的电量只经半天即被耗光的重度使用已相当普遍，这一问题到了必须立即解决的程度。对于这一需求，仅靠技术上无望迅速进步的锂离子充电电池本身已无法满足。NTT DoCoMo就曾表示，“锂离子充电电池无法解决这个问题。由于别无选择，因此期待燃料电池能够化解该问题”（NTT

55、 DoCoMo移动设备开发部技术推进部部长竹野和彦）。市场悄然形成       用于便携终端的小型燃料电池有两种方式。一种是将甲醇直接作为燃料，使之与氧发生化学反应并发电的直接甲醇燃料电池（DMFC：Direct Methanol Fuel Cell）。另一种是以氢为燃料，使之与氧发生化学反应并发电的质子交换膜燃料电池（PEFC：Proton Exchange Membrane Fuel Cell）。其中，DMFC虽然构造简单，容易实现小型化，但难以提高输出功率。而PEFC虽然容易提高输出功率，但难以实现小型化（图2）。&#

56、160;图2：将有DMFC和PEFC两种可供选择可望根据尺寸以及反应部分的单位面积输出功率，为各终端选择最适合的燃料电池供锂离子充电电池充电使用。 DMFC、PEFC的应用从便携音视频播放器开始，最终将迎来替代干电池这一巨大市场。“将来要想替代干电池，就必须大幅降低成本。虽然需要跨越的障碍还很高，不过，在材料成本方面相对于干电池已经具有竞争力，只要制造技术能够开发出来，便可实现与干电池相同水平的价格”（燃料电池的技术人员）。要想替代干电池，就必须依靠产量来大幅降低成本。但最近有预测认为，由于涉足的厂商有限，进入大量生产阶段还需时日。调查公司富士经济表示，便携终端用DMFC及PEFC的市场规模最初在2009年以10万个起步，2010年为100万个，2016年为1000万个（图3）。而锂离子充电电池市场2007年为24亿个，2009年为30亿个，2010年为33亿个。