首页 > 行业资讯 > 日本氢能与燃料电池产业现状及对我国的启示

日本氢能与燃料电池产业现状及对我国的启示

时间:2020-03-03 来源:网络 浏览:

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[!--empirenews.page--]

燃气宣布PEFC-CHP产品全面进入市场,这意味着日本家用分布式燃料电池CHP系统真正走向商业化应用。

为了普及燃料电池技术、提高日本民众对于燃料电池的认可度,日本燃料电池协会(FCCJ)于2008年6月将家用燃料电池CHP系统统一命名为“ENE-FARM”,2009年日本政府进一步支持“ENE-FARM”项目计划的实施。这一时期,除了PEFC以外,日本对于具有更高输出和效率的固体氧化物燃料电池(SOFC)的研发逐渐增多,相关产品也随后推向市场,被命名为“ENE-FARM Type S”。在SOFC型家用燃料电池热电联供系统(SOFC-CHP)方面,吉坤能源公司研制的家用SOFC-CHP系统于2011年正式进入市场,率先实现了SOFC系统的实用化。2012年4月,大阪燃气公司、爱信精机公司和京瓷公司合作推出的家用SOFC-CHP系统进入市场;2016年4月,大阪燃气公司推出了新一代家用SOFC-CHP系统,在系统效率和长期稳定性方面有了进一步的提升。

在两类系统之中,PEFC型产品由于技术研发较早,产品于2009年5月进入市场,SOFC型产品则于2011年10月进入市场。目前,产品的输出功率都是700W,PEFC工作温度80℃~90℃,电效率39%(LHV),热效率56%(LHV);SOFC工作温度700℃,电效率46.5%(LHV),热效率45%(LHV);2016年新一代SOFC产品发电效率进一步提高到52%(LHV),在小型分布式发电系统中基本上是最高水平。与传统家庭用能方式相比,该系统可以有效减排二氧化碳,每套系统平均每年可减排二氧化碳1.3吨。图1中展示了SOFC-CHP产品2016型和2014型“ENE-FARM Type S”系统的外观比较。

 

PEFC型发电系统的核心部件是质子交换膜燃料电池,其电解质为全氟磺酸型固体聚合物,采用金属铂作电极催化剂,工作温度在80℃左右。采用城市管道天然气或者煤气为燃料,由于一氧化碳对铂催化剂具有毒化作用,必须净化燃料气中的一氧化碳,使得系统结构较为复杂。SOFC型系发电统的核心部件是固体氧化物燃料电池,采用氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)作为电解质,阳极为镍金属陶瓷,阴极为钙钛矿材料。SOFC型系统的工作温度在700℃,具有更高的发电效率(50%~60%),而且系统无须一氧化碳净化装置,大大缩减了部件数量。在系统效率和设备复杂程度方面SOFC型系统具有明显优势,是未来发展的主要方向。表1给出了“ENE-FARM” CHP系统PEFC型和SOFC型产品较详细的参数。

截止到2017年4月,日本“ENE-FARM”项目累计售出CHP系统20万套,其中PEFC系统18万套左右,SOFC系统2万套左右。700W PEFC-CHP系统2009年初入市场的价格是303万日元/套,2015年下降到136万日元/套;700W SOFC-CHP系统2011年初入市场的价格是244万日元/套,2015年下降到175日元/套。日本政府预计,2020年700W燃料电池CHP系统用户将达到140万套,售价(包括建设和安装费用)为PEFC型80万日元/套,SOFC型100万日元/套,7~8年左右收回成本;2030年700W燃料电池CHP系统用户为530万套,5年左右收回成本。预计日本市场700W燃料电池CHP系统年均增长40万套/年,仅这一个型号的产品市场增量40亿美元/年。

 

(二)日本家用燃料电池CHP系统商业化成功因素分析

目前为止,日本家用燃料电池热电联供系统在“ENE-FARM”项目的推动下已经基本实现商业化,从产品的研发制造到出售、安装、维修,均已形成完整的市场体系。PEFC-CHP型产品运行超过10年,SOFC-CHP型产品运行也已达到7年。从其发展历程来看,日本家用燃料电池CHP系统从技术研发走向商业化产品,主要有以下几点重要因素。

技术先进,产品自身优势突出。无论是松下电气生产的PEFC型产品,还是爱信精机生产的SOFC型产品,都具有较高的发电效率。前者的发电效率(39%)为燃气发电机发电效率(约23%)的1.5倍左右,后者发电效率(52%)为燃气发电机效率两倍以上(LHV)。通过高效发电和余热利用可以使用户的用能消耗减少46%,每年节约费用121000日元(以2018年大阪地区用电水平为准)。同时,新产品安装灵活性强,可以兼顾不同户型(如独栋建筑与集中住户),设置廊内安装与室外放置等多种形式,极大地提高了用户的适应性。在使用过程中,先进的控制系统与完备的配套设施也是一大亮点,系统通过总服务台可实现远程控制,能够极大地提升用户体验。[!--empirenews.page--]

政府持续支持,大力投入。日本家用燃料电池从研发到商业化经历了十余年,其间政府进行了大量的投入。从20世纪90年代NEDO宣布进行燃料电池研究计划开始,政府便出台了一系列支持日本家用燃料电池系统产业化发展的政策。同时日本政府投入大量资金进行燃料电池技术研发工作,从2010~2014年日本政府就累计投入超过1300亿日元进行燃料电池技术研发和产业示范。在产品研发与技术创新之外,为了进一步推动燃料电池CHP系统的商业化,日本政府建立了完备的补贴机制。表2为2009~2014年日本政府的补贴标准,高额的购买补贴极大地提高了民众的购买动力。2015年相关补贴逐渐取消,2016年完全进入市场化运行。

 

行业规范发展,标准化建设完善。早在2002年6月,日本宣布进行家用燃料电池研究计划后不久,政府单位、科研院所、相关企业、消费者便共同起草了家用燃料电池安全报告。同年日本设立了家用燃料电池安全技术研究会,对燃料电池CHP系统的构造、性能要求进行了深入研讨,提出设置燃料电池系统时的操作规范,研讨行业技术标准中必须体现的条款。随后,日本燃料电池发电系统技术委员会、电机工业协会、日本燃气协会等共同参与了日本燃料电池标准方案的制定,多年来不断进行评议和研讨,改进和完善有关认证制度、国内标准,并积极开展市场环境法制工作。

示范工程带动作用,市场宣传到位。在大力推动家用燃料电池CHP系统进入市场的同时,建立示范项目进行市场宣传也十分重要。2014年,日本提出建立基于自给自足和互相共生的能源小镇,命名为“藤泽”,藤泽可持续智慧小镇的概念是每家每户都安装太阳能电池、蓄电池和“ENE-FARM”燃料电池系统以实现能源的自产自销。它将能源的产消单位由单个家庭住宅扩展到多个家庭组成的建筑群和社区,目标是二氧化碳排放相较于1990年减少70%,用水量相较2006年减少30%,可再生能源使用比重达到30%,在外部电力供应切断的情况下,必要设备可维持三天正常运行。藤泽智慧小镇理念的提出不仅增强了民众对于环境保护的意识,而且以“ENE-FARM”燃料电池发电系统为主要发电单元的能源结构,也极大地推动了家用燃料电池CHP系统的市场化发展。

(三)对我国的借鉴意义

日本是分布式燃料电池CHP系统产业化发展和商业化运行最好的国家,为全球提供了成功案例。同时期欧洲部分国家通常采用1~2kW分布式燃料电池CHP系统,也开展了很好的示范运行。所有这些都为中国分布式燃料电池CHP系统发展提供了宝贵经验。中国需要尽快出台引导政策,加大支持和投入,加快燃料电池CHP系统从技术研发到产品制造的进程。其次,要积极开展示范工程建设,形成中央引导、地方扶持、产业园落地、用户参与的试点机制。借鉴国外成功经验,我国可以选定某地区(如江苏,四川等)开展示范工程建设,由中央某部委(如国家能源局、国家发改委、工信部等)出台引导政策,当地政府投入部分建设资金,在一些小区或产业园建设燃料电池CHP系统,形成具有一定影响力的示范项目。除此之外,面对迅速扩大的市场需求,现阶段还应当尽快制定和完善相关行业标准,使燃料电池行业尽快走上规范化发展的道路。

二 燃料电池汽车

在燃料电池汽车领域,日本也一直走在国际前列。2014年12月,丰田在全球首推4人乘坐的燃料电池车“Mirai(未来)”,续航距离500千米,补充燃料仅需3分钟。2016年,本田公司推出5人乘坐的氢燃料电池车“Clarity Fuel Cell”,计划在2018年投入市场,续航里程达750千米,可在3分钟内充满燃料,达到了与常规动力车型相同的标准。此外,丰田公司计划在2050年全面停止生产燃油汽车,转向燃料电池和纯电动汽车。日本准备在2020年东京奥运会召开之际,向世界展示氢能汽车已成为一种安全、有价格竞争力的交通工具。

截至2018年1月,日本国内已建成101座加氢站,计划于2020年建成160座。目前氢气零售价约100日元/Nm3,加氢站主要分布在东京、名古屋等几个城市,建设费用昂贵,数量仍然偏少。日本燃料电池乘用车保有量目前约2000台,每台优惠后的价格500万日元,售价对消费者仍偏高。从目前的燃料电池汽车价格、保有量和加氢站数量来看,日本尚处于燃料电池汽车社会的摇篮期,预计2050年将是日本燃油汽车全面向燃料电池汽车过渡之年[!--empirenews.page--][1]

现阶段氢燃料电池汽车的推广受到加氢站等基础设施建设的限制,日产公司在2016年对外公布了其搭载5kW SOFC动力系统的燃料电池汽车“e-NV200”,在巴西完成了第一阶段的路面测试。该套系统使用乙醇作为燃料,续航里程达到600公里,几乎可与汽油车媲美,日产计划在2020年左右实现该车的量产。图2中展示了世界上三款代表性新能源汽车车型的具体参数比较。相比于PEFC,SOFC的优点之一就是燃料适应性广,除了氢气之外,SOFC可以直接使用天然气、煤气等碳基气体燃料,以及甲醇、乙醇等液体燃料。将SOFC技术应用于新能源汽车领域,能够克服氢燃料电池汽车对于加氢站建设和锂离子电池电动车对充电桩建设的硬性需求,实现燃料电池与蓄电池的优势互补,将是未来新能源汽车的重要发展方向(见图2)。

 

(一)SOFC能够克服氢燃料电池汽车对于加氢站建设的硬性需求

和质子交换膜燃料电池相比,固体氧化物燃料电池工作温度高,不使用铂等贵金属催化剂,因此不存在一氧化碳毒化的问题,可以直接使用天然气、煤气等含碳燃料。对于柴油、汽油、乙醇等液体碳氢燃料,只需在电池堆前添加重整器,将液体燃料重整后即可供给SOFC使用。同时,SOFC电堆发电副产的热量可以用于重整器,无须外部热源,能够实现发电系统的高效自维持运行(见图3)。

发展使用液体碳氢燃料的SOFC汽车是新能源汽车的重大突破口,有助于我国实现在燃料电池汽车领域对国际顶尖水平的弯道超越。2016年6月,日产公司发布了“e-Bio Fuel-Cell”原型车(e-NV200),该车是世界上首款采用SOFC技术的车型,配备了输出功率为5kW的SOFC系统和容量为24kWh的锂电池组,使用生物乙醇作为燃料,30升油箱,续航里程达600公里以上。2017年6月,该车在巴西完成了第一阶段的路面测试,“表明该技术完美适应日常使用”,采用乙醇燃料是因为“巴西现在就有全面的供应乙醇的基础设施”。从技术角度而言,采用汽油、柴油等液体燃料都是可行的。图3中展示了该款车型的外观及内部基本原理。

 

与氢燃料电池汽车相比,SOFC汽车没有对加氢站的硬性需求,能够从核心上解决燃料电池汽车推广成本高的问题。2018年4月美国洛克希德马丁公司推出最新型号的无人机(Stalker XE“潜行者”),采用丙烷燃料(1.1kg),配备245W的SOFC发电系统,空中飞行时间过8小时。这些都充分说明了采用SOFC作为动力系统的可行性和优势。

(二)SOFC增程式电动汽车可以实现燃料电池与蓄电池的优势互补

固体氧化物燃料电池增程式电动汽车是指在纯电动汽车的基础上增加一套SOFC发电系统,可以实现燃料电池与蓄电池的优势互补。动力电池的突出优势是能够快速响应负荷变化,但是能量密度和功率密度较小。而SOFC的突出优势则是高效、稳定、大功率密度的输出特性,但是频繁启停和冷热循环是其最大的技术壁垒之一。当蓄电池电量充足时,SOFC发电系统处于待机或关闭状态;当蓄电池电量不足或输出功率不能满足需求时,SOFC发电系统开始工作,为蓄电池充电或直接驱动车辆。SOFC增程式电动汽车能够有效解决纯电动汽车行驶路程短、续航能力不足的问题,将是未来新能源汽车的发展方向。

日产公司首推的“e-Bio Fuel-Cell”原型车采用的就是英国Ceres Power公司的SOFC系统。2018年5月,我国潍柴动力与英国Ceres Power公司签署战略合作协议,将在SOFC动力系统领域展开全面合作。根据协议内容,Ceres Power将在中国市场独家授权潍柴动力产销其SOFC发电系统、电堆和单电池,应用范围包括客车、卡车和分布式发电市场。此外,潍柴动力将与Ceres Power联合开发以压缩天然气为燃料的30kW SOFC发电系统,计划用于电动客车的增程系统,预计2019年上半年完成验证。这无疑将会带来国际SOFC市场的重大变化,标志着SOFC增程式电动汽车走向实际应用的又一开端。

(三)关于开展我国燃料电池汽车自主研发工作的思考

目前我国在新能源汽车研发领域,已经基本确立了以纯电驱动技术为主、带动插电式混合动力汽车和燃料电池汽车的发展策略。当前插电式混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车等各种车型争奇斗艳,却都存在着各自的技术难题。纯电动汽车续航里程较短,需要大量建设充电桩,动力电池的回收问题也亟待解决;而氢燃料电池汽车的推广则严重依赖于加氢站的建设,又涉及氢气制[!--empirenews.page--]

备、储存运输、安全管理等整个产业链发展和基础设施建设的问题,高压氢气在车中的安全存储也是需要解决的突出矛盾。

SOFC增程式电动汽车结合了SOFC与锂电池技术,其突出优势在于可以直接使用液体燃料(包括LNG、丙烷、乙醇、汽油、柴油等),摆脱了新能源汽车对于充电桩和加氢站的硬性需求,可以很好地与现有的能源供应设施兼容。从全球范围来看,SOFC与锂电池已经分别在分布式发电、电动汽车领域有了比较成熟的应用,因此SOFC增程式电动汽车提供了现阶段新能源汽车优势互补的解决方案,进行自主技术研发有助于我国抢占国际技术制高点,实现在新能源汽车领域的弯道超车。

三 分布式燃料电池发电系统

根据日本政府2017年发布的“氢能源基本战略”,日本要在2030年实现氢燃料发电商业化,发电成本每千瓦时低于17日元,形成每年30万吨氢燃料供给能力;2050年氢燃料发电的成本将降低到与液化天然气同等水平,具备较强的市场竞争力。预计届时日本年氢能供给量将达到500万~1000万吨,氢能发电装机容量将增至15~30GW,可大幅替代火力发电。

(一)SOFC分布式电站

相比于PEFC,由于SOFC在高温下工作,具有更高的发电效率和燃料适应性,因此分布式燃料电池电站一般选用SOFC。由于分布式发电系统建立在用户附近,因此与传统的集中发电、电网输电模式相比,减少了输电过程带来的复杂性和不稳定性,同时能够降低电力损耗,节约成本,有利于系统效率的提高。SOFC可以直接采用天然气、气化煤气、焦炉煤气和煤层气等燃料进行发电,而且不需要进行燃烧,产物洁净无污染、噪音小。此外,系统尾气中的二氧化碳便于回收、储存和利用,能够实现二氧化碳的零排放。

世界主要发达国家都在大力发展和推广SOFC分布式发电技术。目前,全球五百强公司中有1/3的公司都在近几年陆续使用SOFC分布式发电系统,作为其总部或下属核心机构的供电设施,诸如苹果总部基地、谷歌全球总部基地、微软总部基地等。以2017年5月完工的苹果公司总部大楼Apple Park为例,其总体建筑面积97万平方米,配备了独立的微电网系统,由17MW太阳能和4MW SOFC发电系统组成(苹果公司在美国已经装配了10MW SOFC发电系统)。这个标志性建筑又一次向全人类展示了新一轮能源技术革命的产物——在用户侧配备的高效、洁净、无噪音的分布式SOFC发电系统。

日本也有多家企业从事SOFC分布式发电系统的研制。京瓷在第二代“ENE-FARM Type S”的基础上开发出更加高效和紧凑的电堆,研制了新一代3kW系统,该系统集成了4个新型700W电堆,使用管道天然气作为燃料,发电效率达到了52%,系统效率90%(LHV),已于2017年1月面向市场。三浦技研于2017年8月完成了5kW级系统的开发并投入市场,其电效率达到48%,总效率可达90%(LHV)。日立造船株式会社在2016年初步研制出20kW级SOFC系统,正在致力于数十千瓦级系统的改进。富士电机正在开发的50kW级SOFC发电系统预计发电效率达55%,采用余热回收后系统效率可达80%(LHV),该原型机将进一步用于控制系统的调试。

(二)SOFC联合循环系统

将传统的发电技术与SOFC发电技术有机结合,能够实现更高的发电效率,例如可以将燃气/蒸汽透平(GT/ST)与SOFC发电系统进行结合,发电效率可在60%以上。在这一方面日本三菱重工(Mitsubishi Heavy Industriesm,MHI)一直走在世界前列。

三菱重工是日本最大的军工设备生产企业,建立于1914年。三菱重工从90年代开始进行高温SOFC系统研发,于1993年成功研制出1kW电堆,并且稳定运行3000小时;1998年,MHI与日本电源开发株式会社合作生产出一台管式加压SOFC发电系统,最大输出功率21kW,运转超过7000小时,发电效率达到41.5%(HHV);2004年,MHI在长崎成功开发出75kW的SOFC-MGT联合发电系统,并从2007年起逐步将该系统规模扩大到200kW;2012年底,MHI与东京燃气公司联合开发的200kW SOFC-MGT联合发电系统在东京郊区连续运转4000多小时,发电效率50.2%(LHV)。目前,MHI已经开发出250kW的SOFC-MT三联循环系统(见图4),将SOFC发电系统与微型燃气/蒸汽透平耦合,发电效率达到55%(LHV),该系统正在日本九州大学示范运行,累计运行超过10000小时。

为了推进250kW级联合循环发电系统的市场化,除了位于九州大学的示范机组外,“NEDO计划”从2017年起在日本建立了四个联合发电系统原型机,分别承担不同的示范运行和参数评价研究任务。位于丰田汽车公司(Toyota Motor Corporation)的系统,将进行约每月一次的起停测试,以验证其运行稳定性及寿命受电力需求波动的影响。位于NGK火花塞公司(NGK Spark Plug Co.,Ltd.)的系统,将开展由其自主生产的电池堆和MHI生产的电池堆共同组成SOFC系统实验,以验证两种电池堆均能够实现长时间的稳定运行。位于东京燃气有限公司(Tokyo Gas Co.,Ltd.)的系统,将开展不同时间段的重复起停实验,如每日起停、每周起停等,以测试起停对系统耐久性的影响,同时还将进行变载试验与跟载试验。位于大成建设公司(Taisei Corporation)的系统,将进行系统自动控制试验,包括停电或变载荷时的自动控制运行。“山雨欲来风满楼”,所有这些都彰显了一个新型SOFC发电时代的到来,也是高技术领域领先全球的具体体现。[!--empirenews.page--]

 

(三)对于我国发展SOFC分布式电站的思考

我国以煤为主的资源禀赋决定了能源消费以煤为主的格局,也决定了以煤电为主的电力生产和消费结构。中国电力企业联合会在2017年发布了《中国煤电清洁发展报告》,指出现阶段常规大气污染物已不是煤电发展的约束性因素,碳减排将成为煤电发展重要制约因素。国务院《“十三五”控制温室气体排放工作方案》提出大型发电集团CO2排放水平应控制在550g/kWh,而目前我国煤电CO2排放平均水平约为890g/kWh,因此发展低碳、清洁、高效的煤炭发电技术已成为一项至关紧要的任务。

基于煤炭资源的煤气化燃料电池(Integrated Gasification Fuel Cell,IGFC)系统结合了先进的SOFC发电技术,可实现煤基发电由单纯热力循环发电向电化学和热力循环复合发电的技术跨越,能大幅提高煤电效率,是煤电技术的根本性变革。IGFC系统受SOFC发电系统规模限制,主要定位于中小型分布式发电站(数十MW),系统发电效率可在60%以上,显著高于现有的整体煤气化联合循环(Integrated Gasification Combined Cycle,IGCC)发电系统。由于SOFC系统对燃料清洁度要求相对较高,使得系统整体污染物排放水平较低。此外,燃料电池能够分离空气中的氧气和氮气,显著降低了尾气中二氧化碳的捕集难度和成本,有望实现近零排放。

技术分析和经济性分析结果也表明,与现有的各种煤炭发电技术相比,先进的IGFC发电技术具有很强的竞争力,发展IGFC技术符合我国现阶段国情。目前《中国战略性新兴产业发展报告》、《能源技术革命创新行动计划(2016~2030年)》和《“十三五”电力发展规划》均将IGFC列为战略性能源新技术,计划进行开发与示范。但是也应当考虑到,IGFC技术实际上是对煤炭催化气化、高温合成气净化、大容量高性能SOFC电堆等一系列高难度技术的整合,并且系统配置方式复杂,需要考虑的因素众多,因此IGFC技术的实现还有赖于众多关键技术的突破。

四 日本氢能与燃料电池发展的启示与借鉴

(一)我国氢能与燃料电池技术发展现状

目前,日本、美国及欧盟等发达国家经过几十年的技术研发和攻关,在政府多年来持续推进的经费支持和补贴政策激励下,发展和建立起多家具有自主核心技术的企业或研发机构,已经基本实现了氢能和燃料电池技术的商业化运行,正在开展更大规模的示范试验和样品研发。其中,日本更是将氢能产业确定为国家未来重要的战略性产业。正因如此,日本在大规模高效制氢、家用燃料电池发电等领域走在了世界前列。

在全球燃料电池发展大跨步的背景下,我国也接连颁布了《中国制造2025》、《能源技术革命创新行动计划(2016~2030)》等一系列指导政策。能源技术革命创新行动计划规划了能源技术革命重点创新行动路线图,部署了15项具体任务,“氢能与燃料电池技术创新”位列其中(第九项),已经纳入我国能源战略。在《中国制造2025—能源装备实施方案》中,也提出要加快氢能基础设施,促进构建制“氢技术及装备—储输氢技术及装备—燃料电池系统—燃料电池车辆及其他氢能利用技术及装备”完整的产业链的要求。

尽管我国已经初步掌握整车集成及部分关键零部件的生产技术,但是我们应当清楚地认识到,和世界发达国家相比,我国在氢能及燃料电池技术领域起步较晚、研究基础薄弱,在核心技术方面与发达国家还存在一定差距。近30年来,美、日、德等发达国家在政府的大力支持下,针对氢能及燃料电池相关技术,成体系地开展了

相当规模的研究工作,已经突破了诸多技术难点,正在推动该技术从工程示范走向更加广泛的商业应用。而我国在该项技术体系方面的工作相对不足,主要集中在研究机构,企业参与较少,关键材料和部件大量依赖进口,与发达国家还存在较大差距。

(二)我国发展氢能和燃料电池技术面临的主要挑战

一是国内起步晚,核心技术积累有限。美、日、德等发达国家一直把氢能及燃料电池技术作为国家级战略高技术,30年来投入巨资持续支持研发和示范应用,核心技术和产品都对我国保密。我国从2000年左右开始进行相关工作。在基础研究方面,缺乏统一组织,致使相关基础研究较为分散,未能形成良好的理论体系和深刻认知。在技术研发方面,投入比较有限,我国没有充分意识到该项技术研发的难度,致使技术研究进展缓慢,目前在核心技术上与发达国家还存在一定差距,没有形成较好的产业化积累。[!--empirenews.page--]

二是我国尚未设立氢能及燃料电池技术专项,缺乏统一组织的联合攻关。燃料电池技术属于颠覆性技术,是典型的多学科交叉领域,从材料组分设计、结构性能优化,到复杂结构单元器件设计制备、电化学反应过程控制、燃气管理、发电系统集成等,显然不是一个或几个科学家团队能够完成的。日本和美国政府充分认识到该技术的高难度系数,均成立了专门机构,组织全国优势的产、学、研机构进行联合攻关。1989年日本NEDO牵头成立先进固态能源转换联盟(ASEC),组织全国的企业和大学联合攻关,持续30年支持技术研发,推动并支持了“ENE-FARM”家用分布式燃料电池CHP系统商业化项目。美国能源部于2000年牵头成立SECA联盟(Solid State Energy Conversion Alliance),在2000~2018年持续累计投入近10亿美元推动SOFC产业技术发展,而同期美国Bloom Energy公司一家企业投入的资金就超过25亿美元(社会资金),并于2009年开始为美国多家大型数据中心进行供电。我国在“十五”到“十二五”期间,曾由科技部组织过“863”和“973”项目攻关,但是我国一直没有设立专门的组织机构和研究专项,尤其是当前,“十三五”规划已经过半,氢能及燃料电池技术相关项目依然没有启动。

三是氢能及燃料电池技术在国内尚未全面进入实际应用阶段,建立示范项目的数量也比较少。截至2017年10月,我国仅建成7座加氢站(大部分只是特殊时期的示范运行),数量远少于美、日、德等国。美国、日本等发达国家已经相继实现了千瓦级、数百千瓦级到兆瓦级分布式发电系统或热电联供系统的商业化应用或示范运行。我国的燃料电池技术研发目前仍以大专院校、科研院所为主,虽然已经初步掌握关键部件、动力系统、整车集成等核心技术,但是这仅仅解决了从无到有的问题,自主生产的产品性能与国际先进水平也还有一定距离。我国急需进一步完善和发展燃料电池电堆产业链相关核心技术。

(三)大力推进我国氢能及燃料电池技术研究及产业化的建议

我国在氢能及燃料电池技术领域与发达国家还存在较大差距,目前这类高新、核心技术和产品一直对中国封锁。鉴于该技术对于助推我国供给侧能源改革的重大需求,以及对未来优化我国能源结构、在新能源汽车等领域实现弯道超车的重要作用,特提出如下建议。

一是成立专门项目及机构,组织实施国家级重大研发计划,支持氢能及燃料电池相关基础、技术研究和产业化发展。燃料电池技术是一项全新的、颠覆性的、高难度的先进发电技术,又是多学科交叉的领域,只有在研究过程中才能不断发现、认识和解决其中科学和技术问题。前期工作中,我国基本涉及了燃料电池技术的各个方面,也有了一定的技术基础,对整个产业链有了初步的认识。借鉴国外成功发展经验,现在迫切需要成立专门的项目及管理机构,组织实施国家级重大研发计划,成立国家氢能及燃料电池研究中心,集中全国优势力量,分工协作,联合攻关,共同推动氢能及燃料电池基础研究、技术开发和产业化发展。

二是加快氢能及燃料电池技术和产品标准体系研究和建设,发展测试技术,推动成立产品标准检测中心。目前国内在氢能及燃料电池领域的技术和产品标准工作尚存不足,针对行业快速发展和市场需求的扩大,需要尽快开展行业标准建设工作。在燃料电池方面,我国应以确立单电池、电堆性能测试技术和试验标准为突破口,推进高性能燃料电池及

电堆关键技术发展。同时,应当尽快开始氢能及燃料电池相关数据库建设,基础数据是基础研究创新能力的基础,在上述标准研究过程中不断积累大数据,以促进试验方法和试验内容的标准化和合理化。

三是加快推动相关示范工程建设,发展燃料电池分布式供能和车用动力系统示范,推进供给侧能源改革。针对国内氢能和燃料电池产业现存的技术开发不充分、产品性能不够完善、缺乏批量生产能力等问题,我国迫切需要整合各方优势,打通氢气化工、燃料电池系统、燃料电池汽车全产业链,将氢气的制备、储运、利用等多个环节有机整合。此外,现阶段国家大力推行煤改气/电、分布式发电、微电网等,希望通过发展新型能源技术助力国家供给侧能源结构改革。固体氧化物燃料电池发电系统具有发电效率高、燃料适应性强等独特的优势,尤其适合于分布式供能应用,正好可以满足这一重大需求。现阶段应当以《能源技术革命创新行动计划(2016~2030年)》《中国制造2025—能源装备实施方案》等国家规划和部署为契机,广泛开展燃料电池分布式供能和车用动力系统示范项目,在示范运行过程中不断推动氢能及燃料电池技术研究和自主研发,为氢能及燃料电池技术的全面产业化奠定基础。[!--empirenews.page--]

版权:如无特殊注明,文章转载自网络,侵权请联系cnmhg168#163.com删除!文件均为网友上传,仅供研究和学习使用,务必24小时内删除。
相关推荐