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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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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。

标签: 氢能 燃料电池

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