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日本氫能與燃料電池產業現狀及對我國的啟示

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盡管人類對自然能源的大規模利用已有數百年的歷史,但直至今天全球近80%的能源消耗仍然來自對煤炭、石油、天然氣等化石能源的開采和轉化。化石能源的低能效利用是引起當前氣候異常、海洋污染、重度霧霾等環境問題的重要原因,因此尋找清潔、高效的能源載體和轉化途徑是現階段至關緊要的任務。

氫能被視為21世紀最具發展潛力的清潔能源之一,是未來能源應用方式的重要發展方向。作為氫能到電能(和熱能)的主要轉換技術,燃料電池(Fuel Cell,FC)能夠不經過燃燒而直接將燃料的化學能轉化為電能,與現有的發電技術相比具有更高的發電效率和更低的污染物排放[1],數十年來在世界范圍內獲得了大量的推廣應用。燃料電池具有比能量高、環境友好、兼容可再生能源等特點,在交通運輸、飛行器及水下潛器、便攜電源、分布式電站等民用與軍用領域展現出廣闊的應用前景,得到了各國政府、企業及研究團體的極大重視。

日本、美國、德國等發達國家都陸續將發展氫能和燃料電池技術提升到國家戰略層面,制定行動計劃、描繪路線圖、探索產業化路徑。其中,日本氫能源研究啟動早、發展快,在家用分布式燃料電池熱電聯供系統和燃料電池汽車等領域率先實現突破,儼然成為引領世界氫能應用的先鋒。

日本國內自然資源相對匱乏,90%以上的能源消費依賴進口的化石能源,福島核事件后能源自給率進一步降低。氫能被視為日本能源結構轉型、保障能源安全和應對氣候變化的重要抓手,氫能源利用已經上升為日本的國家戰略。1980年,日本經濟貿易產業省(METI)在東京設立下屬的日本新能源產業技術綜合開發機構(New Energy and Industrial Technology Development Organization,NEDO),目前日本的氫能與燃料電池技術研發和產業示范都主要由NEDO負責組織。2014年6月,METI制定了日本“氫能與燃料電池戰略路線圖”,提出了實現“氫能社會”目標分三步走的發展路線圖:第一階段預計持續到2025年左右,這一階段要求實現氫能利用市場的進一步普及;第二階段持續到2030年左右,要求建立大規模氫能供給體系;第三階段預計持續到2040年,要求完成無碳排放的氫燃料供給體的系建設。

2017年12月,日本政府進一步發布了“氫能源基本戰略”,確定了2050年氫能社會建設的目標以及到2030年的具體行動計劃。在這一計劃中,日本將發展氫能源的重要性列為與可再生能源同等地位,通過補貼政策、稅收優惠、設立示范基地等一系列舉措進一步擴大國內氫能需求側的市場潛力。近年來,日本廣泛采取各種優惠措施擴大氫燃料終端產品市場,應用范圍包括家用分布式燃料電池熱電聯供系統、燃料電池汽車以及分布式燃料電池發電站,極大地推動了氫能和燃料電池領域的技術突破和產業進展。

一 家用分布式燃料電池熱電聯供系統

分布式熱電聯供(Combined Heat and Power,CHP)系統直接針對終端用戶,相較于傳統的集中式生產——運輸——終端消費的用能模式,分布式能源供給系統直接向用戶提供不同的能源品類,能夠最大限度地減少運輸消耗,并有效利用發電過程產生的余熱,從而提高能源利用效率。國際上,日本率先推出以燃料電池為核心的CHP系統,整體系統效率可在90%(LHV)以上,截至2017年4月已經累計商用20多萬套,是全球分布式供能發展中最為成功的國家,其發展過程和相關政策對我國有很好的借鑒意義。

(一)日本分布式燃料電池CHP系統發展歷程

1999年日本政府設立“新日光計劃”,燃料電池作為新一代發電技術進入大眾視野。日本燃氣協會首先研制出1kW質子交換膜燃料電池(PEFC)型熱電聯供系統樣機,隨后由松下電器、三洋電機和松下電工試制的三個1kW系統分別安裝在東京、大阪和東邦三大煤氣公司,并與試驗住宅相配合進行現場運行實驗,運行情況良好。

2000~2004年,NEDO進一步加快推進PEFC-CHP系統的商業化,吸引到更多企業參與到PEFC技術開發和示范運行,包括荏原-Ballard、三洋電機、東芝、豐田、富士電機、松下電器、松下電工、三井物產、三菱重工和三菱電機等。2004年,松下、東芝等公司陸續推出了自主研發的PEFC-CHP樣機,功率均為1kW左右。東京燃氣公司在2005年2月采用租賃的方式向200戶日本家庭提供PEFC-CHP系統,標志著日本家用燃料電池系統進入實用化階段。到2008年底,日本家庭用戶已經累計使用超過3000臺PEFC-CHP系統。2009年5月,東京

標簽: 氫能 燃料電池

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