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日本氢能与燃料电池产业现状及对我国的启示

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尽管人类对自然能源的大规模利用已有数百年的历史,但直至今天全球近80%的能源消耗仍然来自对煤炭、石油、天然气等化石能源的开采和转化。化石能源的低能效利用是引起当前气候异常、海洋污染、重度雾霾等环境问题的重要原因,因此寻找清洁、高效的能源载体和转化途径是现阶段至关紧要的任务。

氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源之一,是未来能源应用方式的重要发展方向。作为氢能到电能(和热能)的主要转换技术,燃料电池(Fuel Cell,FC)能够不经过燃烧而直接将燃料的化学能转化为电能,与现有的发电技术相比具有更高的发电效率和更低的污染物排放[1],数十年来在世界范围内获得了大量的推广应用。燃料电池具有比能量高、环境友好、兼容可再生能源等特点,在交通运输、飞行器及水下潜器、便携电源、分布式电站等民用与军用领域展现出广阔的应用前景,得到了各国政府、企业及研究团体的极大重视。

日本、美国、德国等发达国家都陆续将发展氢能和燃料电池技术提升到国家战略层面,制定行动计划、描绘路线图、探索产业化路径。其中,日本氢能源研究启动早、发展快,在家用分布式燃料电池热电联供系统和燃料电池汽车等领域率先实现突破,俨然成为引领世界氢能应用的先锋。

日本国内自然资源相对匮乏,90%以上的能源消费依赖进口的化石能源,福岛核事件后能源自给率进一步降低。氢能被视为日本能源结构转型、保障能源安全和应对气候变化的重要抓手,氢能源利用已经上升为日本的国家战略。1980年,日本经济贸易产业省(METI)在东京设立下属的日本新能源产业技术综合开发机构(New Energy and Industrial Technology Development Organization,NEDO),目前日本的氢能与燃料电池技术研发和产业示范都主要由NEDO负责组织。2014年6月,METI制定了日本“氢能与燃料电池战略路线图”,提出了实现“氢能社会”目标分三步走的发展路线图:第一阶段预计持续到2025年左右,这一阶段要求实现氢能利用市场的进一步普及;第二阶段持续到2030年左右,要求建立大规模氢能供给体系;第三阶段预计持续到2040年,要求完成无碳排放的氢燃料供给体的系建设。

2017年12月,日本政府进一步发布了“氢能源基本战略”,确定了2050年氢能社会建设的目标以及到2030年的具体行动计划。在这一计划中,日本将发展氢能源的重要性列为与可再生能源同等地位,通过补贴政策、税收优惠、设立示范基地等一系列举措进一步扩大国内氢能需求侧的市场潜力。近年来,日本广泛采取各种优惠措施扩大氢燃料终端产品市场,应用范围包括家用分布式燃料电池热电联供系统、燃料电池汽车以及分布式燃料电池发电站,极大地推动了氢能和燃料电池领域的技术突破和产业进展。

一 家用分布式燃料电池热电联供系统

分布式热电联供(Combined Heat and Power,CHP)系统直接针对终端用户,相较于传统的集中式生产——运输——终端消费的用能模式,分布式能源供给系统直接向用户提供不同的能源品类,能够最大限度地减少运输消耗,并有效利用发电过程产生的余热,从而提高能源利用效率。国际上,日本率先推出以燃料电池为核心的CHP系统,整体系统效率可在90%(LHV)以上,截至2017年4月已经累计商用20多万套,是全球分布式供能发展中最为成功的国家,其发展过程和相关政策对我国有很好的借鉴意义。

(一)日本分布式燃料电池CHP系统发展历程

1999年日本政府设立“新日光计划”,燃料电池作为新一代发电技术进入大众视野。日本燃气协会首先研制出1kW质子交换膜燃料电池(PEFC)型热电联供系统样机,随后由松下电器、三洋电机和松下电工试制的三个1kW系统分别安装在东京、大阪和东邦三大煤气公司,并与试验住宅相配合进行现场运行实验,运行情况良好。

2000~2004年,NEDO进一步加快推进PEFC-CHP系统的商业化,吸引到更多企业参与到PEFC技术开发和示范运行,包括荏原-Ballard、三洋电机、东芝、丰田、富士电机、松下电器、松下电工、三井物产、三菱重工和三菱电机等。2004年,松下、东芝等公司陆续推出了自主研发的PEFC-CHP样机,功率均为1kW左右。东京燃气公司在2005年2月采用租赁的方式向200户日本家庭提供PEFC-CHP系统,标志着日本家用燃料电池系统进入实用化阶段。到2008年底,日本家庭用户已经累计使用超过3000台PEFC-CHP系统。2009年5月,东京

标签: 氢能 燃料电池

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