2011/11/05
經濟部能源局
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▓撰文╱圖片提供：宋隆裕、張文振、楊昌中
▓圖檔來源：http://news.bbc.co.uk/2/hi/8563928.stm
日本政府為達成2050年溫室氣體減半的目標，規劃推動21項新能源科技，其中包括：燃料電池汽車、定置型燃料電池及氫氣生產╱儲存╱運送等3項技術。為了達到節能減碳目的，日本在家用定置型質子交換膜燃料電池（Proton-Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）熱電共生（Combined Heat and Power, CHP）系統的投入開發特別積極，此CHP系統已於2009年開始進入商業化運轉階段，系統裝置量預計在2030年達到250萬台。
「定置型燃料電池大規模實證事業」計畫
日本在家用定置型燃料電池熱電共生系統的開發，已於2003至2008年期間由新能源財團（New Energy Foundation, NEF）推動「定置型燃料電池大規模實證事業」計畫，經費主要補助日本國內17家燃料電池供應業者（新日本石油、東京瓦斯、大阪瓦斯、Japan Energy、西部瓦斯、東邦瓦斯等），協助推廣安裝定置型PEMFC熱電共生（Combined Heat and Power, CHP）系統。此0.7～1.2kW家用CHP系統主要是由5家燃料電池製造商供應，包括：ENEOS（新日本石油與三洋電機合資）、荏原製作所（Ebara Ballard）、東芝燃料電池系統（Toshiba FCP）、松下電器（Matsushita）與豐田汽車（Toyota Motor）等。
至2008年止，已累計在日本全國安裝設置了3,307台家用燃料電池CHP系統，其中有1,616台使用液化石油氣（LPG），有1,377台使用天然氣（Nature Gas），有314台使用煤油（Kerosene）。在成本價格降低方面，希望從2009年零售價200萬日元降價至2020年42萬日元，相當新台幣約15萬元，產量與產值將預估由2009年安裝6,000台╱120億日元（每台200萬日元），成長至2020年安裝60萬台╱2,520億日元（每台42萬日元）。而由實際運轉數據統計結果顯示，一次性初級能源消耗平均可減少25％，每戶每年約可減少1,200公斤二氧化碳排放量，節能減碳效益十分顯著。
「ENE-FARM」計畫與商業化導入
根據新日本石油公司的大規模示範驗證及實測結果顯示，這些示範系統的平均發電效率實測值為30.5％、平均熱回收效率為45.5％，總能源使用效率達到76％。經計算可得到其平均的燃料節約率為19.2％、平均的CO2降低率則為28.3％。其中系統性能效率逐年獲得提升，主要是改善燃料重組器性能、減少輔助系統（Balance of Plant, BOP）耗能及降低系統熱損失等多項因素的成果。另外，這些示範系統經多年的長時間運轉之後，證明並無任何意外事故的發生，因此在安全性與可靠度上可說已通過市場考驗。
所以，日本於2009年起，宣布家用CHP系統正式導入商業化階段，而系統製造廠商由原來的5家減少為3家（ENEOS、Panasonic與Toshiba等）。日本政府為了大力推廣家用CHP系統，特別為此產品取了一個LOGO稱為「ENE-FARM」，並啟動「ENE-FARM」的補助計畫。凡安裝及使用家用燃料電池CHP系統者，或出租該設備給終端用戶者（End-users）均可申請補助，每台上限補助金額約為140萬日元。在此計畫的推動下，第1年（2009）商業化階段的裝置量就達到5,030台，第2年（2010）也裝置5,127台，因此2年內的總裝置量就超過1萬台，充分展現日本政府與廠商在節能減碳方面的積極投入與配合的決心。
新型CHP系統及商業化量產
Panasonic Appliance部門成立於2003年，負責整合該公司家電、冷熱空調領域的事業，2005年起和東京瓦斯（Tokyo Gas）合作參與示範計畫，於2008年6月開始生產家用燃料電池CHP系統。東京瓦斯與Panasonic對此CHP系統投入相當多的心力，不斷在元件與系統測試上進行改良，於2011年初完成新型CHP系統，大幅度縮減原CHP系統的體積與重量，並宣布從2011年4月開始銷售此「ENE-FARM」新型產品。該新型產品提高了耐久性和發電效率，建議零售價約為276萬日元，比現有產品低70萬日元。2011年預定可以獲得日本政府105萬日元的補助金，估計實售價格為100～150萬日元。該新型產品的發電效率最高為41％，比現有產品提高了2％。另外，耐久性由現有產品的4萬小時提高至5萬小時，其中額定輸出功率由現有的1kW改為750W，以減少過剩的熱水量。最高發電效率在500W時為41％，在額定功率為750W時可確保在40％，在部分負荷運轉時也可達35％以上。
Panasonic新型CHP系統之介紹
Panasonic新型CHP系統，主要是在燃料電池堆及燃料處理器上進行小型化和低成本化的改進。其中燃料電池堆的尺寸比現有產品縮減33％，額定輸出功率降低25％，因此，大幅削減了燃料電池單元數量。此外還改變了電池堆的緊固結構，現有電池堆採用螺栓緊固，而新產品則採用帶狀緊固方式。燃料處理器的尺寸也較現有產品縮減40％，由於額定輸出功率的降低，燃燒器的體積得以減小50％。另外，因優化了熱處理器的熱分布，燃料處理器的觸媒用量也已降低30％。
從整個CHP系統來看，元件個數比現有產品削減了30％，重量比現有產品減輕20％（100kg）。燃料電池單元的布局也大幅改變，它是採用縱長的結構設計，因此可將分開的燃料電池單元與儲水單元整合在一起，所以大幅降低設置空間。新產品的設置面積為2.0m2左右，較現有產品的3.9m2減小一半左右。東京瓦斯計劃在2011年售出5,000台此新型家用燃料電池，並希望在2年後達到每年1萬台的訂單。另外除了東京瓦斯外，此新型產品還將供應給東邦瓦斯、西部瓦斯、靜岡瓦斯、京葉瓦斯及大阪瓦斯使用。
結語
日本家用CHP系統目前的售價仍偏高（275～350萬日元），為了激勵初期國內的住宅使用燃料電池熱電共生系統，日本「ENE-FARM」補助計畫於2009年4月開始實施，每台上限補助金額為140萬日元。「ENE-FARM」計畫的裝置量目標，於2030年國內家用CHP系統的累計裝置量達到250萬台（相當於2.5M瓩），約等同2座核能發電廠的發電量。除了PEMFC系統外，日本也投入固態氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）家用系統的開發（700W），為了收集SOFC系統的實際運轉數據與操作經驗，日本政府於2007年也開始進行SOFC的實證計畫，產品的可靠度與耐久壽命均逐年顯著的進步。因此，SOFC未來勢必將成為PEMFC最大的競爭對手。（作者任職於工研院綠能所燃料電池研究室）
關鍵字：定置型燃料電池,質子交換膜燃料電池,熱電共生,CHP