目前已經(jīng)推出商業(yè)化熱電聯(lián)供產(chǎn)品的燃料電池類型分別有質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC）。如圖2所示，PEMFC系統(tǒng)比SOFC型系統(tǒng)復(fù)雜，這主要因為PEMFC對CO的耐受性低，對燃料的純度要求非常高，這增加了系統(tǒng)的運行成本。PEMFC采用純氫作為燃料，工作溫度一般不超過100℃，遠低于SOFC的700℃，具有更好的啟停特性和功率密度，因此PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)是目前應(yīng)用比較廣泛，技術(shù)較為成熟的一類燃料電池系統(tǒng)。

但SOFC的工作效率更高，并且無需貴金屬催化劑，燃料適用性廣，在發(fā)電的同時能產(chǎn)生大量的高品位熱能，所以SOFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)在較大功率使用場景中，如百kW量級的醫(yī)院，非常具有發(fā)展前景。

然而，也應(yīng)該指出，目前PEMFC系統(tǒng)基于現(xiàn)有天然氣供給網(wǎng)絡(luò)，如果在氫能高度發(fā)展的社會能夠使用純氫，那么系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠大大簡化，發(fā)電效率也能進一步顯著提升，從而降低購置成本和運行成本。

圖2 PEMFC型和SOFC型家用燃料電池對比,來源于 蒙浩,呂澤偉與韓敏芳,日本家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)商業(yè)化應(yīng)用分析.中外能源, 2018.23(10):第1-8頁.

日本10年磨一劍

得益于國家的重視和良好的政策條件，日本和歐洲的燃料電池分布式熱電聯(lián)供技術(shù)得到迅速的發(fā)展。

表2 國外熱電聯(lián)供政策概況

日本是一個能源極度匱乏的國家，出于提高能效、保障能源安全、提升工業(yè)競爭優(yōu)勢等考慮，日本政府高度重視氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，立志成為“世界一個進入氫能社會"的國家。

得益于“新日光計劃"，燃料電池作為新一代發(fā)電技術(shù)進入大眾視野。隨后日本新能源產(chǎn)業(yè)綜合技術(shù)開發(fā)機構(gòu)（NEDO）委托日本燃氣協(xié)會制作1kW樣機用于住宅用燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)，為燃料電池創(chuàng)新性運用尋找道路。該項目由松下電器、三洋電機和松下電工主持完成。隨后東京燃氣公司向200個家庭以租賃的方式提供PEMFC系統(tǒng)，標(biāo)志著日本家用化燃料電池進入實用化階段。2008年6月，日本燃料電池實用化推進協(xié)議會（FCCJ）為提高民眾對燃料電池的名度，統(tǒng)一將家用燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)命名為“ENG-FARM"。

圖3 ENE.FARM計劃成為推動日本燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)的重要抓手

2009年，日本政府為了加速“ENE-FARM"項目計劃的發(fā)展，推出為期十年的設(shè)備購置補貼政策，該項目進入加速推廣階段。2009年補貼額度高達9.2萬元人民幣，占銷售價格的46%，每年補貼逐步退坡，2018年占銷售價格的5%，2019年全面取消。受益于補貼政策支持，技術(shù)成本逐漸下降，截止2018年底，ENE-FARM單臺設(shè)備銷售價格（無補貼）降至6.4萬元人民幣，與2009年相比降幅超過三分之二，累計安裝規(guī)模達到29.26萬臺，推廣運用取得重要進展，如圖3所示。在這個過程中，發(fā)展較好的企業(yè)有松下、東京燃氣株式會社、愛信精機、東芝和京瓷株式會社等。

圖4 日本ENE-FARM系統(tǒng)累計安裝數(shù)量及售價，來源于神瑞寶等,日本家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)在中國應(yīng)用的經(jīng)濟性分析.中國電力, 2020.53(10):第74-79頁.

ENE-FARM系統(tǒng)在促進節(jié)能減排、應(yīng)對自然災(zāi)害等方面發(fā)揮了積極作用。ENE-FARM可使每戶家庭減少碳排放1.3~1.9t/年，相當(dāng)于0.5~0.7臺燃油車年排放量。同時，ENE-FARM多次在地震、臺風(fēng)等自然災(zāi)害導(dǎo)致電力供應(yīng)中斷時，為居民家庭提供了低限度的電力和熱量供應(yīng)，有效支撐了搶險救災(zāi)和災(zāi)后重建工作，因此也加深了群眾對燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)的認(rèn)識和認(rèn)可。

意大利Gigliucci建立了世界上基于質(zhì)子交換膜燃料電池的熱電聯(lián)供系統(tǒng)。該系統(tǒng)的建立，旨在驗證PEMFC熱點聯(lián)供系統(tǒng)的可行性。對系統(tǒng)的測試表明，該系統(tǒng)符合“概念性樣機"的預(yù)期要求。因此歐洲各國在燃料電池?zé)犭娐?lián)供領(lǐng)域的技術(shù)積累也非常深厚。自2012年歐洲啟動ENE-FIELD工程以來，聯(lián)合27家單位，如圖5所示，到2017年，在12個歐洲國家累計安裝1046臺家用型熱電聯(lián)供系統(tǒng)。該項目工程主要基于SOFC和PEMFC開發(fā)了數(shù)十款運用于歐洲普通家庭的微型熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其中以SOFC為基礎(chǔ)的有603臺，以PEMFC為基礎(chǔ)的有443臺，部分裝置可實現(xiàn)高達60%的發(fā)電效率和95%的系統(tǒng)總效率。其中，發(fā)展較好的熱電聯(lián)供產(chǎn)家有Solidpower、喜德瑞、菲斯曼和博世等。

圖5 歐洲ENE.FIELD項目參與單位

算算經(jīng)濟賬

家庭用分布式燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟性建模可從購置成本和運行成本兩方面進行分析。為了滿足用戶的用電和用熱需求，傳統(tǒng)供能方式電能依靠市電提供，熱能（主要是生活熱水）只需要購買一臺天然氣熱水器便可滿足需求，購置成本一般為1500元左右。家庭用分布式燃料電池系統(tǒng)可同時滿足用戶的熱電需求，購置成本為4.2萬元，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 日本典型ENE-FARM技術(shù)參數(shù)

傳統(tǒng)用能方式的使用成本包括電費、燃料費和取暖費，家庭分布式燃料電池的使用成本理想來說只包括燃料費，可能包括燃料費和取暖費，采用電定熱的使用方式?jīng)Q定燃料使用量，并基于能量守恒定律作為分析基礎(chǔ)。經(jīng)濟分析相關(guān)參數(shù)取值如表2所示。

表2 經(jīng)濟分析相關(guān)參數(shù)取值

取天然氣的熱值為35590kJ/m3，以及熱水器的效率為80%。，根據(jù)家庭年生活用水量計算得到年加熱熱水所需能量：87.6*103（kg）*4.2kJ/（kg*℃）*30℃=1.104*107kJ，當(dāng)采用傳統(tǒng)用能方式時則所需燃料387.67m3，則日本燃氣消費3333.92元，中國燃氣消費1007.93元。另外，由表2得，供暖所需總能量為3.703*107kJ，日本供暖所需費用10388.57元，中國供暖所需費用為1645.71元。當(dāng)采用家庭分布式燃料電池供能時，由于采用電定熱的方式?jīng)Q定燃料使用量，日本家庭用戶年所用電能為3.109*107kJ，除以能量轉(zhuǎn)換效率39%，則需要能量7.972*107kJ，此時需要天然氣2239.869m3，所需燃料費用19262.87元。由表1得，熱電聯(lián)供系統(tǒng)生產(chǎn)熱能為4.62*107kJ，能夠滿足加熱生活用水和供暖的能量需求。中國家庭用戶年所用電能為1.185*107kJ，除以能量轉(zhuǎn)換效率39%，則需要能量3.039*107kJ，此時需要天然氣853.83m3，所需燃料費用7342.91元。另外，熱電聯(lián)供系統(tǒng)生產(chǎn)熱能為1.761*107kJ，能夠滿足加熱生活用水的能量需求，但不能滿足供暖需求，需補充供暖能量3.046*107kJ，即需要供暖費1353.62元。

表3列出了日本和中國兩種供能方式的年使用成本。日本由于使用家庭熱電聯(lián)供系統(tǒng)每年能夠節(jié)省花費8795.38元，使用5年左右該種用能方式能夠達到收支平衡，并且該系統(tǒng)具有10年使用壽命，故而使用該系統(tǒng)在10年內(nèi)能夠降低花費約4萬元。然而當(dāng)在中國使用該套分布式燃料電池聯(lián)供系統(tǒng)時，每年運行費用反倒增加了4千多元，尚不具備經(jīng)濟性。

表3 兩種供能方式年使用成本比較

需要注意的是，以上計算沒有包含碳排放的成本。如果算上碳排放成本，氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供就更有優(yōu)勢了。

總結(jié)與展望

因為我國能源消耗量、能源價格的數(shù)值和比價關(guān)系與日本存在較大差異，現(xiàn)階段ENE-FARM在日本已具備經(jīng)濟性，在中國尚不具備不推廣條件，但可在海島、牧場等電網(wǎng)末端區(qū)域或自然災(zāi)害如臺風(fēng)頻繁發(fā)生的區(qū)域配合新能源發(fā)電一起使用，提高能源供給保障能力。

隨著燃料電池?zé)犭娐?lián)供技術(shù)的發(fā)展，購置成本進一步降低，以及能源價格體系進一步理順，燃料電池分布式熱電聯(lián)供技術(shù)經(jīng)濟性將獲得提升，有希望實現(xiàn)盈虧平衡，可首先在節(jié)能環(huán)保社區(qū)或特色城鎮(zhèn)社區(qū)進行定點實驗示范運行，獲取相關(guān)參數(shù)和工程經(jīng)驗，條件成熟后推廣。

文章來源：香橙研究會  作者：牧塵

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