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(lèi)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系統比SOFC型系統復雜，這主要因為PEMFC對CO的耐受性低，對燃料的純度要求非常高，這增加了系統的運行成本。PEMFC采用純氫作為燃料，工作溫度一般不超過(guò)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)供系統是目前應用比較廣泛，技術(shù)較為成熟的一類(lèi)燃料電池系統。

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

然而，也應該指出，目前PEMFC系統基于現有天然氣供給網(wǎng)絡(luò )，如果在氫能高度發(fā)展的社會(huì )能夠使用純氫，那么系統結構能夠大大簡(jiǎn)化，發(fā)電效率也能進(jìn)一步顯著(zhù)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(lái)源于 蒙浩,呂澤偉與韓敏芳,日本家用燃料電池熱電聯(lián)供系統商業(yè)化應用分析.中外能源, 2018.23(10):第1-8頁(yè).

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(gè)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(gè)進(jìn)入氫能社會(huì )"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(jìn)入大眾視野。隨后日本新能源產(chǎn)業(yè)綜合技術(shù)開(kāi)發(fā)機構（NEDO）委托日本燃氣協(xié)會(huì )制作1kW樣機用于住宅用燃料電池熱電聯(lián)供系統，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(gè)家庭以租賃的方式提供PEMFC系統，標志著(zhù)日本家用化燃料電池進(jìn)入實(shí)用化階段。2008年6月，日本燃料電池實(shí)用化推進(jìn)協(xié)議會(huì )（FCCJ）為提高民眾對燃料電池的名度，統一將家用燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)系統命名為“ENG-FARM"。

圖3 ENE.FARM計劃成為推動(dòng)日本燃料電池熱電聯(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，推出為期十年的設備購置補貼政策，該項目進(jìn)入加速推廣階段。2009年補貼額度高達9.2萬(wàn)元人民幣，占銷(xiāo)售價(jià)格的46%，每年補貼逐步退坡，2018年占銷(xiāo)售價(jià)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單臺設備銷(xiāo)售價(jià)格（無(wú)補貼）降至6.4萬(wàn)元人民幣，與2009年相比降幅超過(guò)三分之二，累計安裝規模達到29.26萬(wàn)臺，推廣運用取得重要進(jìn)展，如圖3所示。在這個(gè)過(guò)程中，發(fā)展較好的企業(yè)有松下、東京燃氣株式會(huì )社、愛(ài)信精機、東芝和京瓷株式會(huì )社等。

圖4 日本ENE-FARM系統累計安裝數量及售價(jià)，來(lái)源于神瑞寶等,日本家用燃料電池熱電聯(lián)供系統在中國應用的經(jīng)濟性分析.中國電力, 2020.53(10):第74-79頁(yè).

ENE-FARM系統在促進(jìn)節能減排、應對自然災害等方面發(fā)揮了積極作用。ENE-FARM可使每戶(hù)家庭減少碳排放1.3~1.9t/年，相當于0.5~0.7臺燃油車(chē)年排放量。同時(shí)，ENE-FARM多次在地震、臺風(fēng)等自然災害導致電力供應中斷時(shí)，為居民家庭提供了低限度的電力和熱量供應，有效支撐了搶險救災和災后重建工作，因此也加深了群眾對燃料電池熱電聯(lián)供系統的認識和認可。

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。該系統的建立，旨在驗證PEMFC熱點(diǎn)聯(lián)供系統的可行性。對系統的測試表明，該系統符合“概念性樣機"的預期要求。因此歐洲各國在燃料電池熱電聯(lián)供領(lǐng)域的技術(shù)積累也非常深厚。自2012年歐洲啟動(dòng)ENE-FIELD工程以來(lái)，聯(lián)合27家單位，如圖5所示，到2017年，在12個(gè)歐洲國家累計安裝1046臺家用型熱電聯(lián)供系統。該項目工程主要基于SOFC和PEMFC開(kāi)發(fā)了數十款運用于歐洲普通家庭的微型熱電聯(lián)供系統，其中以SOFC為基礎的有603臺，以PEMFC為基礎的有443臺，部分裝置可實(shí)現高達60%的發(fā)電效率和95%的系統總效率。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熱電聯(lián)供系統的經(jīng)濟性建?？蓮馁徶贸杀竞瓦\行成本兩方面進(jìn)行分析。為了滿(mǎn)足用戶(hù)的用電和用熱需求，傳統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(mǎi)一臺天然氣熱水器便可滿(mǎn)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可同時(shí)滿(mǎn)足用戶(hù)的熱電需求，購置成本為4.2萬(wàn)元，其主要技術(shù)參數如表1所示。

表1 日本典型ENE-FARM技術(shù)參數

傳統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(lái)說(shuō)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。經(jīng)濟分析相關(guān)參數取值如表2所示。

表2 經(jīng)濟分析相關(guān)參數取值

取天然氣的熱值為35590kJ/m3，以及熱水器的效率為80%。，根據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，當采用傳統用能方式時(shí)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。當采用家庭分布式燃料電池供能時(shí)，由于采用電定熱的方式?jīng)Q定燃料使用量，日本家庭用戶(hù)年所用電能為3.109*107kJ，除以能量轉換效率39%，則需要能量7.972*107kJ，此時(shí)需要天然氣2239.869m3，所需燃料費用19262.87元。由表1得，熱電聯(lián)供系統生產(chǎn)熱能為4.62*107kJ，能夠滿(mǎn)足加熱生活用水和供暖的能量需求。中國家庭用戶(hù)年所用電能為1.185*107kJ，除以能量轉換效率39%，則需要能量3.039*107kJ，此時(shí)需要天然氣853.83m3，所需燃料費用7342.91元。另外，熱電聯(lián)供系統生產(chǎn)熱能為1.761*107kJ，能夠滿(mǎn)足加熱生活用水的能量需求，但不能滿(mǎn)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)供系統每年能夠節省花費8795.38元，使用5年左右該種用能方式能夠達到收支平衡，并且該系統具有10年使用壽命，故而使用該系統在10年內能夠降低花費約4萬(wàn)元。然而當在中國使用該套分布式燃料電池聯(lián)供系統時(shí)，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(méi)有包含碳排放的成本。如果算上碳排放成本，氫燃料電池熱電聯(lián)供就更有優(yōu)勢了。

總結與展望

因為我國能源消耗量、能源價(jià)格的數值和比價(jià)關(guān)系與日本存在較大差異，現階段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(chǎng)等電網(wǎng)末端區域或自然災害如臺風(fēng)頻繁發(fā)生的區域配合新能源發(fā)電一起使用，提高能源供給保障能力。

隨著(zhù)燃料電池熱電聯(lián)供技術(shù)的發(fā)展，購置成本進(jìn)一步降低，以及能源價(jià)格體系進(jìn)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(shí)現盈虧平衡，可首先在節能環(huán)保社區或特色城鎮社區進(jìn)行定點(diǎn)實(shí)驗示范運行，獲取相關(guān)參數和工程經(jīng)驗，條件成熟后推廣。

文章來(lái)源：香橙研究會(huì )  作者：牧塵

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