日本氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)現狀及對我國的啟示
盡管人類(lèi)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(lái)自對煤炭、石油、天然氣等化石能源的開(kāi)采和轉化?；茉吹牡湍苄Ю檬且甬斍皻夂虍惓?、海洋污染、重度霧霾等環(huán)境問(wèn)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(guān)緊要的任務(wù)。
氫能被視為21世紀最具發(fā)展潛力的清潔能源之一，是未來(lái)能源應用方式的重要發(fā)展方向。作為氫能到電能（和熱能）的主要轉換技術(shù)，燃料電池（Fuel Cell，FC）能夠不經(jīng)過(guò)燃燒而直接將燃料的化學(xué)能轉化為電能，與現有的發(fā)電技術(shù)相比具有更高的發(fā)電效率和更低的污染物排放[1]，數十年來(lái)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(huán)境友好、兼容可再生能源等特點(diǎn)，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(lǐng)域展現出廣闊的應用前景，得到了各國政府、企業(yè)及研究團體的極大重視。
日本、美國、德國等發(fā)達國家都陸續將發(fā)展氫能和燃料電池技術(shù)提升到國家戰略層面，制定行動(dòng)計劃、描繪路線(xiàn)圖、探索產(chǎn)業(yè)化路徑。其中，日本氫能源研究啟動(dòng)早、發(fā)展快，在家用分布式燃料電池熱電聯(lián)供系統和燃料電池汽車(chē)等領(lǐng)域率先實(shí)現突破，儼然成為引領(lǐng)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(lài)進(jìn)口的化石能源，福島核事件后能源自給率進(jìn)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(jīng)上升為日本的國家戰略。1980年，日本經(jīng)濟貿易產(chǎn)業(yè)?。∕ETI）在東京設立下屬的日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機構（New Energy and Industrial Technology Development Organization，NEDO），目前日本的氫能與燃料電池技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)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(xiàn)圖”，提出了實(shí)現“氫能社會(huì )”目標分三步走的發(fā)展路線(xiàn)圖：第一階段預計持續到2025年左右，這一階段要求實(shí)現氫能利用市場(chǎng)的進(jìn)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(wú)碳排放的氫燃料供給體的系建設。
2017年12月，日本政府進(jìn)一步發(fā)布了“氫能源基本戰略”，確定了2050年氫能社會(huì )建設的目標以及到2030年的具體行動(dòng)計劃。在這一計劃中，日本將發(fā)展氫能源的重要性列為與可再生能源同等地位，通過(guò)補貼政策、稅收優(yōu)惠、設立示范基地等一系列舉措進(jìn)一步擴大國內氫能需求側的市場(chǎng)潛力。近年來(lái)，日本廣泛采取各種優(yōu)惠措施擴大氫燃料終端產(chǎn)品市場(chǎng)，應用范圍包括家用分布式燃料電池熱電聯(lián)供系統、燃料電池汽車(chē)以及分布式燃料電池發(fā)電站，極大地推動(dòng)了氫能和燃料電池領(lǐng)域的技術(shù)突破和產(chǎn)業(yè)進(jìn)展。
一 家用分布式燃料電池熱電聯(lián)供系統
分布式熱電聯(lián)供（Combined Heat and Power，CHP）系統直接針對終端用戶(hù)，相較于傳統的集中式生產(chǎn)——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(hù)提供不同的能源品類(lèi)，能夠最大限度地減少運輸消耗，并有效利用發(fā)電過(guò)程產(chǎn)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(jīng)累計商用20多萬(wàn)套，是全球分布式供能發(fā)展中最為成功的國家，其發(fā)展過(guò)程和相關(guān)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(fā)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(fā)電技術(shù)進(jìn)入大眾視野。日本燃氣協(xié)會(huì )首先研制出1kW質(zhì)子交換膜燃料電池（PEFC）型熱電聯(lián)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(gè)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(jìn)行現場(chǎng)運行實(shí)驗，運行情況良好。
2000～2004年，NEDO進(jìn)一步加快推進(jìn)PEFC-CHP系統的商業(yè)化，吸引到更多企業(yè)參與到PEFC技術(shù)開(kāi)發(fā)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(chǎn)、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(fā)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(hù)日本家庭提供PEFC-CHP系統，標志著(zhù)日本家用燃料電池系統進(jìn)入實(shí)用化階段。到2008年底，日本家庭用戶(hù)已經(jīng)累計使用超過(guò)3000臺PEFC-CHP系統。2009年5月，東京[!--empirenews.page--]
燃氣宣布PEFC-CHP產(chǎn)品全面進(jìn)入市場(chǎng)，這意味著(zhù)日本家用分布式燃料電池CHP系統真正走向商業(yè)化應用。
為了普及燃料電池技術(shù)、提高日本民眾對于燃料電池的認可度，日本燃料電池協(xié)會(huì )（FCCJ）于2008年6月將家用燃料電池CHP系統統一命名為“ENE-FARM”，2009年日本政府進(jìn)一步支持“ENE-FARM”項目計劃的實(shí)施。這一時(shí)期，除了PEFC以外，日本對于具有更高輸出和效率的固體氧化物燃料電池（SOFC）的研發(fā)逐漸增多，相關(guān)產(chǎn)品也隨后推向市場(chǎng)，被命名為“ENE-FARM Type S”。在SOFC型家用燃料電池熱電聯(lián)供系統（SOFC-CHP）方面，吉坤能源公司研制的家用SOFC-CHP系統于2011年正式進(jìn)入市場(chǎng)，率先實(shí)現了SOFC系統的實(shí)用化。2012年4月，大阪燃氣公司、愛(ài)信精機公司和京瓷公司合作推出的家用SOFC-CHP系統進(jìn)入市場(chǎng)；2016年4月，大阪燃氣公司推出了新一代家用SOFC-CHP系統，在系統效率和長(cháng)期穩定性方面有了進(jìn)一步的提升。
在兩類(lèi)系統之中，PEFC型產(chǎn)品由于技術(shù)研發(fā)較早，產(chǎn)品于2009年5月進(jìn)入市場(chǎng)，SOFC型產(chǎn)品則于2011年10月進(jìn)入市場(chǎng)。目前，產(chǎn)品的輸出功率都是700W，PEFC工作溫度80℃～90℃，電效率39%（LHV），熱效率56%（LHV）；SOFC工作溫度700℃，電效率46.5%（LHV），熱效率45%（LHV）；2016年新一代SOFC產(chǎn)品發(fā)電效率進(jìn)一步提高到52%（LHV），在小型分布式發(fā)電系統中基本上是最高水平。與傳統家庭用能方式相比，該系統可以有效減排二氧化碳，每套系統平均每年可減排二氧化碳1.3噸。圖1中展示了SOFC-CHP產(chǎn)品2016型和2014型“ENE-FARM Type S”系統的外觀(guān)比較。
PEFC型發(fā)電系統的核心部件是質(zhì)子交換膜燃料電池，其電解質(zhì)為全氟磺酸型固體聚合物，采用金屬鉑作電極催化劑，工作溫度在80℃左右。采用城市管道天然氣或者煤氣為燃料，由于一氧化碳對鉑催化劑具有毒化作用，必須凈化燃料氣中的一氧化碳，使得系統結構較為復雜。SOFC型系發(fā)電統的核心部件是固體氧化物燃料電池，采用氧化釔穩定的氧化鋯（YSZ）作為電解質(zhì)，陽(yáng)極為鎳金屬陶瓷，陰極為鈣鈦礦材料。SOFC型系統的工作溫度在700℃，具有更高的發(fā)電效率（50%～60%），而且系統無(wú)須一氧化碳凈化裝置，大大縮減了部件數量。在系統效率和設備復雜程度方面SOFC型系統具有明顯優(yōu)勢，是未來(lái)發(fā)展的主要方向。表1給出了“ENE-FARM” CHP系統PEFC型和SOFC型產(chǎn)品較詳細的參數。
截止到2017年4月，日本“ENE-FARM”項目累計售出CHP系統20萬(wàn)套，其中PEFC系統18萬(wàn)套左右，SOFC系統2萬(wàn)套左右。700W PEFC-CHP系統2009年初入市場(chǎng)的價(jià)格是303萬(wàn)日元/套，2015年下降到136萬(wàn)日元/套；700W SOFC-CHP系統2011年初入市場(chǎng)的價(jià)格是244萬(wàn)日元/套，2015年下降到175日元/套。日本政府預計，2020年700W燃料電池CHP系統用戶(hù)將達到140萬(wàn)套，售價(jià)（包括建設和安裝費用）為PEFC型80萬(wàn)日元/套，SOFC型100萬(wàn)日元/套，7～8年左右收回成本；2030年700W燃料電池CHP系統用戶(hù)為530萬(wàn)套，5年左右收回成本。預計日本市場(chǎng)700W燃料電池CHP系統年均增長(cháng)40萬(wàn)套/年，僅這一個(gè)型號的產(chǎn)品市場(chǎng)增量40億美元/年。
（二）日本家用燃料電池CHP系統商業(yè)化成功因素分析
目前為止，日本家用燃料電池熱電聯(lián)供系統在“ENE-FARM”項目的推動(dòng)下已經(jīng)基本實(shí)現商業(yè)化，從產(chǎn)品的研發(fā)制造到出售、安裝、維修，均已形成完整的市場(chǎng)體系。PEFC-CHP型產(chǎn)品運行超過(guò)10年，SOFC-CHP型產(chǎn)品運行也已達到7年。從其發(fā)展歷程來(lái)看，日本家用燃料電池CHP系統從技術(shù)研發(fā)走向商業(yè)化產(chǎn)品，主要有以下幾點(diǎn)重要因素。
技術(shù)先進(jìn)，產(chǎn)品自身優(yōu)勢突出。無(wú)論是松下電氣生產(chǎn)的PEFC型產(chǎn)品，還是愛(ài)信精機生產(chǎn)的SOFC型產(chǎn)品，都具有較高的發(fā)電效率。前者的發(fā)電效率（39%）為燃氣發(fā)電機發(fā)電效率（約23%）的1.5倍左右，后者發(fā)電效率（52%）為燃氣發(fā)電機效率兩倍以上（LHV）。通過(guò)高效發(fā)電和余熱利用可以使用戶(hù)的用能消耗減少46%，每年節約費用121000日元（以2018年大阪地區用電水平為準）。同時(shí)，新產(chǎn)品安裝靈活性強，可以兼顧不同戶(hù)型（如獨棟建筑與集中住戶(hù)），設置廊內安裝與室外放置等多種形式，極大地提高了用戶(hù)的適應性。在使用過(guò)程中，先進(jìn)的控制系統與完備的配套設施也是一大亮點(diǎn)，系統通過(guò)總服務(wù)臺可實(shí)現遠程控制，能夠極大地提升用戶(hù)體驗。[!--empirenews.page--]
政府持續支持，大力投入。日本家用燃料電池從研發(fā)到商業(yè)化經(jīng)歷了十余年，其間政府進(jìn)行了大量的投入。從20世紀90年代NEDO宣布進(jìn)行燃料電池研究計劃開(kāi)始，政府便出臺了一系列支持日本家用燃料電池系統產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的政策。同時(shí)日本政府投入大量資金進(jìn)行燃料電池技術(shù)研發(fā)工作，從2010～2014年日本政府就累計投入超過(guò)1300億日元進(jìn)行燃料電池技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)示范。在產(chǎn)品研發(fā)與技術(shù)創(chuàng )新之外，為了進(jìn)一步推動(dòng)燃料電池CHP系統的商業(yè)化，日本政府建立了完備的補貼機制。表2為2009～2014年日本政府的補貼標準，高額的購買(mǎi)補貼極大地提高了民眾的購買(mǎi)動(dòng)力。2015年相關(guān)補貼逐漸取消，2016年完全進(jìn)入市場(chǎng)化運行。
行業(yè)規范發(fā)展，標準化建設完善。早在2002年6月，日本宣布進(jìn)行家用燃料電池研究計劃后不久，政府單位、科研院所、相關(guān)企業(yè)、消費者便共同起草了家用燃料電池安全報告。同年日本設立了家用燃料電池安全技術(shù)研究會(huì )，對燃料電池CHP系統的構造、性能要求進(jìn)行了深入研討，提出設置燃料電池系統時(shí)的操作規范，研討行業(yè)技術(shù)標準中必須體現的條款。隨后，日本燃料電池發(fā)電系統技術(shù)委員會(huì )、電機工業(yè)協(xié)會(huì )、日本燃氣協(xié)會(huì )等共同參與了日本燃料電池標準方案的制定，多年來(lái)不斷進(jìn)行評議和研討，改進(jìn)和完善有關(guān)認證制度、國內標準，并積極開(kāi)展市場(chǎng)環(huán)境法制工作。
示范工程帶動(dòng)作用，市場(chǎng)宣傳到位。在大力推動(dòng)家用燃料電池CHP系統進(jìn)入市場(chǎng)的同時(shí)，建立示范項目進(jìn)行市場(chǎng)宣傳也十分重要。2014年，日本提出建立基于自給自足和互相共生的能源小鎮，命名為“藤澤”，藤澤可持續智慧小鎮的概念是每家每戶(hù)都安裝太陽(yáng)能電池、蓄電池和“ENE-FARM”燃料電池系統以實(shí)現能源的自產(chǎn)自銷(xiāo)。它將能源的產(chǎn)消單位由單個(gè)家庭住宅擴展到多個(gè)家庭組成的建筑群和社區，目標是二氧化碳排放相較于1990年減少70%，用水量相較2006年減少30%，可再生能源使用比重達到30%，在外部電力供應切斷的情況下，必要設備可維持三天正常運行。藤澤智慧小鎮理念的提出不僅增強了民眾對于環(huán)境保護的意識，而且以“ENE-FARM”燃料電池發(fā)電系統為主要發(fā)電單元的能源結構，也極大地推動(dòng)了家用燃料電池CHP系統的市場(chǎng)化發(fā)展。
（三）對我國的借鑒意義
日本是分布式燃料電池CHP系統產(chǎn)業(yè)化發(fā)展和商業(yè)化運行最好的國家，為全球提供了成功案例。同時(shí)期歐洲部分國家通常采用1～2kW分布式燃料電池CHP系統，也開(kāi)展了很好的示范運行。所有這些都為中國分布式燃料電池CHP系統發(fā)展提供了寶貴經(jīng)驗。中國需要盡快出臺引導政策，加大支持和投入，加快燃料電池CHP系統從技術(shù)研發(fā)到產(chǎn)品制造的進(jìn)程。其次，要積極開(kāi)展示范工程建設，形成中央引導、地方扶持、產(chǎn)業(yè)園落地、用戶(hù)參與的試點(diǎn)機制。借鑒國外成功經(jīng)驗，我國可以選定某地區（如江蘇，四川等）開(kāi)展示范工程建設，由中央某部委（如國家能源局、國家發(fā)改委、工信部等）出臺引導政策，當地政府投入部分建設資金，在一些小區或產(chǎn)業(yè)園建設燃料電池CHP系統，形成具有一定影響力的示范項目。除此之外，面對迅速擴大的市場(chǎng)需求，現階段還應當盡快制定和完善相關(guān)行業(yè)標準，使燃料電池行業(yè)盡快走上規范化發(fā)展的道路。
二 燃料電池汽車(chē)
在燃料電池汽車(chē)領(lǐng)域，日本也一直走在國際前列。2014年12月，豐田在全球首推4人乘坐的燃料電池車(chē)“Mirai（未來(lái)）”，續航距離500千米，補充燃料僅需3分鐘。2016年，本田公司推出5人乘坐的氫燃料電池車(chē)“Clarity Fuel Cell”，計劃在2018年投入市場(chǎng)，續航里程達750千米，可在3分鐘內充滿(mǎn)燃料，達到了與常規動(dòng)力車(chē)型相同的標準。此外，豐田公司計劃在2050年全面停止生產(chǎn)燃油汽車(chē)，轉向燃料電池和純電動(dòng)汽車(chē)。日本準備在2020年?yáng)|京奧運會(huì )召開(kāi)之際，向世界展示氫能汽車(chē)已成為一種安全、有價(jià)格競爭力的交通工具。
截至2018年1月，日本國內已建成101座加氫站，計劃于2020年建成160座。目前氫氣零售價(jià)約100日元/Nm3，加氫站主要分布在東京、名古屋等幾個(gè)城市，建設費用昂貴，數量仍然偏少。日本燃料電池乘用車(chē)保有量目前約2000臺，每臺優(yōu)惠后的價(jià)格500萬(wàn)日元，售價(jià)對消費者仍偏高。從目前的燃料電池汽車(chē)價(jià)格、保有量和加氫站數量來(lái)看，日本尚處于燃料電池汽車(chē)社會(huì )的搖籃期，預計2050年將是日本燃油汽車(chē)全面向燃料電池汽車(chē)過(guò)渡之年[!--empirenews.page--][1]。
現階段氫燃料電池汽車(chē)的推廣受到加氫站等基礎設施建設的限制，日產(chǎn)公司在2016年對外公布了其搭載5kW SOFC動(dòng)力系統的燃料電池汽車(chē)“e-NV200”，在巴西完成了第一階段的路面測試。該套系統使用乙醇作為燃料，續航里程達到600公里，幾乎可與汽油車(chē)媲美，日產(chǎn)計劃在2020年左右實(shí)現該車(chē)的量產(chǎn)。圖2中展示了世界上三款代表性新能源汽車(chē)車(chē)型的具體參數比較。相比于PEFC，SOFC的優(yōu)點(diǎn)之一就是燃料適應性廣，除了氫氣之外，SOFC可以直接使用天然氣、煤氣等碳基氣體燃料，以及甲醇、乙醇等液體燃料。將SOFC技術(shù)應用于新能源汽車(chē)領(lǐng)域，能夠克服氫燃料電池汽車(chē)對于加氫站建設和鋰離子電池電動(dòng)車(chē)對充電樁建設的硬性需求，實(shí)現燃料電池與蓄電池的優(yōu)勢互補，將是未來(lái)新能源汽車(chē)的重要發(fā)展方向（見(jiàn)圖2）。
（一）SOFC能夠克服氫燃料電池汽車(chē)對于加氫站建設的硬性需求
和質(zhì)子交換膜燃料電池相比，固體氧化物燃料電池工作溫度高，不使用鉑等貴金屬催化劑，因此不存在一氧化碳毒化的問(wèn)題，可以直接使用天然氣、煤氣等含碳燃料。對于柴油、汽油、乙醇等液體碳氫燃料，只需在電池堆前添加重整器，將液體燃料重整后即可供給SOFC使用。同時(shí)，SOFC電堆發(fā)電副產(chǎn)的熱量可以用于重整器，無(wú)須外部熱源，能夠實(shí)現發(fā)電系統的高效自維持運行（見(jiàn)圖3）。
發(fā)展使用液體碳氫燃料的SOFC汽車(chē)是新能源汽車(chē)的重大突破口，有助于我國實(shí)現在燃料電池汽車(chē)領(lǐng)域對國際頂尖水平的彎道超越。2016年6月，日產(chǎn)公司發(fā)布了“e-Bio Fuel-Cell”原型車(chē)（e-NV200），該車(chē)是世界上首款采用SOFC技術(shù)的車(chē)型，配備了輸出功率為5kW的SOFC系統和容量為24kWh的鋰電池組，使用生物乙醇作為燃料，30升油箱，續航里程達600公里以上。2017年6月，該車(chē)在巴西完成了第一階段的路面測試，“表明該技術(shù)完美適應日常使用”，采用乙醇燃料是因為“巴西現在就有全面的供應乙醇的基礎設施”。從技術(shù)角度而言，采用汽油、柴油等液體燃料都是可行的。圖3中展示了該款車(chē)型的外觀(guān)及內部基本原理。
與氫燃料電池汽車(chē)相比，SOFC汽車(chē)沒(méi)有對加氫站的硬性需求，能夠從核心上解決燃料電池汽車(chē)推廣成本高的問(wèn)題。2018年4月美國洛克希德馬丁公司推出最新型號的無(wú)人機（Stalker XE“潛行者”），采用丙烷燃料（1.1kg），配備245W的SOFC發(fā)電系統，空中飛行時(shí)間過(guò)8小時(shí)。這些都充分說(shuō)明了采用SOFC作為動(dòng)力系統的可行性和優(yōu)勢。
（二）SOFC增程式電動(dòng)汽車(chē)可以實(shí)現燃料電池與蓄電池的優(yōu)勢互補
固體氧化物燃料電池增程式電動(dòng)汽車(chē)是指在純電動(dòng)汽車(chē)的基礎上增加一套SOFC發(fā)電系統，可以實(shí)現燃料電池與蓄電池的優(yōu)勢互補。動(dòng)力電池的突出優(yōu)勢是能夠快速響應負荷變化，但是能量密度和功率密度較小。而SOFC的突出優(yōu)勢則是高效、穩定、大功率密度的輸出特性，但是頻繁啟停和冷熱循環(huán)是其最大的技術(shù)壁壘之一。當蓄電池電量充足時(shí)，SOFC發(fā)電系統處于待機或關(guān)閉狀態(tài)；當蓄電池電量不足或輸出功率不能滿(mǎn)足需求時(shí)，SOFC發(fā)電系統開(kāi)始工作，為蓄電池充電或直接驅動(dòng)車(chē)輛。SOFC增程式電動(dòng)汽車(chē)能夠有效解決純電動(dòng)汽車(chē)行駛路程短、續航能力不足的問(wèn)題，將是未來(lái)新能源汽車(chē)的發(fā)展方向。
日產(chǎn)公司首推的“e-Bio Fuel-Cell”原型車(chē)采用的就是英國Ceres Power公司的SOFC系統。2018年5月，我國濰柴動(dòng)力與英國Ceres Power公司簽署戰略合作協(xié)議，將在SOFC動(dòng)力系統領(lǐng)域展開(kāi)全面合作。根據協(xié)議內容，Ceres Power將在中國市場(chǎng)獨家授權濰柴動(dòng)力產(chǎn)銷(xiāo)其SOFC發(fā)電系統、電堆和單電池，應用范圍包括客車(chē)、卡車(chē)和分布式發(fā)電市場(chǎng)。此外，濰柴動(dòng)力將與Ceres Power聯(lián)合開(kāi)發(fā)以壓縮天然氣為燃料的30kW SOFC發(fā)電系統，計劃用于電動(dòng)客車(chē)的增程系統，預計2019年上半年完成驗證。這無(wú)疑將會(huì )帶來(lái)國際SOFC市場(chǎng)的重大變化，標志著(zhù)SOFC增程式電動(dòng)汽車(chē)走向實(shí)際應用的又一開(kāi)端。
（三）關(guān)于開(kāi)展我國燃料電池汽車(chē)自主研發(fā)工作的思考
目前我國在新能源汽車(chē)研發(fā)領(lǐng)域，已經(jīng)基本確立了以純電驅動(dòng)技術(shù)為主、帶動(dòng)插電式混合動(dòng)力汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)的發(fā)展策略。當前插電式混合動(dòng)力汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)、燃料電池汽車(chē)等各種車(chē)型爭奇斗艷，卻都存在著(zhù)各自的技術(shù)難題。純電動(dòng)汽車(chē)續航里程較短，需要大量建設充電樁，動(dòng)力電池的回收問(wèn)題也亟待解決；而氫燃料電池汽車(chē)的推廣則嚴重依賴(lài)于加氫站的建設，又涉及氫氣制[!--empirenews.page--]
備、儲存運輸、安全管理等整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展和基礎設施建設的問(wèn)題，高壓氫氣在車(chē)中的安全存儲也是需要解決的突出矛盾。
SOFC增程式電動(dòng)汽車(chē)結合了SOFC與鋰電池技術(shù)，其突出優(yōu)勢在于可以直接使用液體燃料（包括LNG、丙烷、乙醇、汽油、柴油等），擺脫了新能源汽車(chē)對于充電樁和加氫站的硬性需求，可以很好地與現有的能源供應設施兼容。從全球范圍來(lái)看，SOFC與鋰電池已經(jīng)分別在分布式發(fā)電、電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域有了比較成熟的應用，因此SOFC增程式電動(dòng)汽車(chē)提供了現階段新能源汽車(chē)優(yōu)勢互補的解決方案，進(jìn)行自主技術(shù)研發(fā)有助于我國搶占國際技術(shù)制高點(diǎn)，實(shí)現在新能源汽車(chē)領(lǐng)域的彎道超車(chē)。
三 分布式燃料電池發(fā)電系統
根據日本政府2017年發(fā)布的“氫能源基本戰略”，日本要在2030年實(shí)現氫燃料發(fā)電商業(yè)化，發(fā)電成本每千瓦時(shí)低于17日元，形成每年30萬(wàn)噸氫燃料供給能力；2050年氫燃料發(fā)電的成本將降低到與液化天然氣同等水平，具備較強的市場(chǎng)競爭力。預計屆時(shí)日本年氫能供給量將達到500萬(wàn)～1000萬(wàn)噸，氫能發(fā)電裝機容量將增至15～30GW，可大幅替代火力發(fā)電。
（一）SOFC分布式電站
相比于PEFC，由于SOFC在高溫下工作，具有更高的發(fā)電效率和燃料適應性，因此分布式燃料電池電站一般選用SOFC。由于分布式發(fā)電系統建立在用戶(hù)附近，因此與傳統的集中發(fā)電、電網(wǎng)輸電模式相比，減少了輸電過(guò)程帶來(lái)的復雜性和不穩定性，同時(shí)能夠降低電力損耗，節約成本，有利于系統效率的提高。SOFC可以直接采用天然氣、氣化煤氣、焦爐煤氣和煤層氣等燃料進(jìn)行發(fā)電，而且不需要進(jìn)行燃燒，產(chǎn)物潔凈無(wú)污染、噪音小。此外，系統尾氣中的二氧化碳便于回收、儲存和利用，能夠實(shí)現二氧化碳的零排放。
世界主要發(fā)達國家都在大力發(fā)展和推廣SOFC分布式發(fā)電技術(shù)。目前，全球五百強公司中有1/3的公司都在近幾年陸續使用SOFC分布式發(fā)電系統，作為其總部或下屬核心機構的供電設施，諸如蘋(píng)果總部基地、谷歌全球總部基地、微軟總部基地等。以2017年5月完工的蘋(píng)果公司總部大樓Apple Park為例，其總體建筑面積97萬(wàn)平方米，配備了獨立的微電網(wǎng)系統，由17MW太陽(yáng)能和4MW SOFC發(fā)電系統組成（蘋(píng)果公司在美國已經(jīng)裝配了10MW SOFC發(fā)電系統）。這個(gè)標志性建筑又一次向全人類(lèi)展示了新一輪能源技術(shù)革命的產(chǎn)物——在用戶(hù)側配備的高效、潔凈、無(wú)噪音的分布式SOFC發(fā)電系統。
日本也有多家企業(yè)從事SOFC分布式發(fā)電系統的研制。京瓷在第二代“ENE-FARM Type S”的基礎上開(kāi)發(fā)出更加高效和緊湊的電堆，研制了新一代3kW系統，該系統集成了4個(gè)新型700W電堆，使用管道天然氣作為燃料，發(fā)電效率達到了52%，系統效率90%（LHV），已于2017年1月面向市場(chǎng)。三浦技研于2017年8月完成了5kW級系統的開(kāi)發(fā)并投入市場(chǎng)，其電效率達到48%，總效率可達90%（LHV）。日立造船株式會(huì )社在2016年初步研制出20kW級SOFC系統，正在致力于數十千瓦級系統的改進(jìn)。富士電機正在開(kāi)發(fā)的50kW級SOFC發(fā)電系統預計發(fā)電效率達55%，采用余熱回收后系統效率可達80%（LHV），該原型機將進(jìn)一步用于控制系統的調試。
（二）SOFC聯(lián)合循環(huán)系統
將傳統的發(fā)電技術(shù)與SOFC發(fā)電技術(shù)有機結合，能夠實(shí)現更高的發(fā)電效率，例如可以將燃氣/蒸汽透平（GT/ST）與SOFC發(fā)電系統進(jìn)行結合，發(fā)電效率可在60%以上。在這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軍工設備生產(chǎn)企業(yè)，建立于1914年。三菱重工從90年代開(kāi)始進(jìn)行高溫SOFC系統研發(fā)，于1993年成功研制出1kW電堆，并且穩定運行3000小時(shí)；1998年，MHI與日本電源開(kāi)發(fā)株式會(huì )社合作生產(chǎn)出一臺管式加壓SOFC發(fā)電系統，最大輸出功率21kW，運轉超過(guò)7000小時(shí)，發(fā)電效率達到41.5%（HHV）；2004年，MHI在長(cháng)崎成功開(kāi)發(fā)出75kW的SOFC-MGT聯(lián)合發(fā)電系統，并從2007年起逐步將該系統規模擴大到200kW；2012年底，MHI與東京燃氣公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的200kW SOFC-MGT聯(lián)合發(fā)電系統在東京郊區連續運轉4000多小時(shí)，發(fā)電效率50.2%（LHV）。目前，MHI已經(jīng)開(kāi)發(fā)出250kW的SOFC-MT三聯(lián)循環(huán)系統（見(jiàn)圖4），將SOFC發(fā)電系統與微型燃氣/蒸汽透平耦合，發(fā)電效率達到55%（LHV），該系統正在日本九州大學(xué)示范運行，累計運行超過(guò)10000小時(shí)。
為了推進(jìn)250kW級聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統的市場(chǎng)化，除了位于九州大學(xué)的示范機組外，“NEDO計劃”從2017年起在日本建立了四個(gè)聯(lián)合發(fā)電系統原型機，分別承擔不同的示范運行和參數評價(jià)研究任務(wù)。位于豐田汽車(chē)公司（Toyota Motor Corporation）的系統，將進(jìn)行約每月一次的起停測試，以驗證其運行穩定性及壽命受電力需求波動(dòng)的影響。位于NGK火花塞公司（NGK Spark Plug Co.，Ltd.）的系統，將開(kāi)展由其自主生產(chǎn)的電池堆和MHI生產(chǎn)的電池堆共同組成SOFC系統實(shí)驗，以驗證兩種電池堆均能夠實(shí)現長(cháng)時(shí)間的穩定運行。位于東京燃氣有限公司（Tokyo Gas Co.，Ltd.）的系統，將開(kāi)展不同時(shí)間段的重復起停實(shí)驗，如每日起停、每周起停等，以測試起停對系統耐久性的影響，同時(shí)還將進(jìn)行變載試驗與跟載試驗。位于大成建設公司（Taisei Corporation）的系統，將進(jìn)行系統自動(dòng)控制試驗，包括停電或變載荷時(shí)的自動(dòng)控制運行。“山雨欲來(lái)風(fēng)滿(mǎn)樓”，所有這些都彰顯了一個(gè)新型SOFC發(fā)電時(shí)代的到來(lái)，也是高技術(shù)領(lǐng)域領(lǐng)先全球的具體體現。[!--empirenews.page--]
（三）對于我國發(fā)展SOFC分布式電站的思考
我國以煤為主的資源稟賦決定了能源消費以煤為主的格局，也決定了以煤電為主的電力生產(chǎn)和消費結構。中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì )在2017年發(fā)布了《中國煤電清潔發(fā)展報告》，指出現階段常規大氣污染物已不是煤電發(fā)展的約束性因素，碳減排將成為煤電發(fā)展重要制約因素。國務(wù)院《“十三五”控制溫室氣體排放工作方案》提出大型發(fā)電集團CO2排放水平應控制在550g/kWh，而目前我國煤電CO2排放平均水平約為890g/kWh，因此發(fā)展低碳、清潔、高效的煤炭發(fā)電技術(shù)已成為一項至關(guān)緊要的任務(wù)。
基于煤炭資源的煤氣化燃料電池（Integrated Gasification Fuel Cell，IGFC）系統結合了先進(jìn)的SOFC發(fā)電技術(shù)，可實(shí)現煤基發(fā)電由單純熱力循環(huán)發(fā)電向電化學(xué)和熱力循環(huán)復合發(fā)電的技術(shù)跨越，能大幅提高煤電效率，是煤電技術(shù)的根本性變革。IGFC系統受SOFC發(fā)電系統規模限制，主要定位于中小型分布式發(fā)電站（數十MW），系統發(fā)電效率可在60%以上，顯著(zhù)高于現有的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（Integrated Gasification Combined Cycle，IGCC）發(fā)電系統。由于SOFC系統對燃料清潔度要求相對較高，使得系統整體污染物排放水平較低。此外，燃料電池能夠分離空氣中的氧氣和氮氣，顯著(zhù)降低了尾氣中二氧化碳的捕集難度和成本，有望實(shí)現近零排放。
技術(shù)分析和經(jīng)濟性分析結果也表明，與現有的各種煤炭發(fā)電技術(shù)相比，先進(jìn)的IGFC發(fā)電技術(shù)具有很強的競爭力，發(fā)展IGFC技術(shù)符合我國現階段國情。目前《中國戰略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告》、《能源技術(shù)革命創(chuàng )新行動(dòng)計劃（2016～2030年）》和《“十三五”電力發(fā)展規劃》均將IGFC列為戰略性能源新技術(shù)，計劃進(jìn)行開(kāi)發(fā)與示范。但是也應當考慮到，IGFC技術(shù)實(shí)際上是對煤炭催化氣化、高溫合成氣凈化、大容量高性能SOFC電堆等一系列高難度技術(shù)的整合，并且系統配置方式復雜，需要考慮的因素眾多，因此IGFC技術(shù)的實(shí)現還有賴(lài)于眾多關(guān)鍵技術(shù)的突破。
四 日本氫能與燃料電池發(fā)展的啟示與借鑒
（一）我國氫能與燃料電池技術(shù)發(fā)展現狀
目前，日本、美國及歐盟等發(fā)達國家經(jīng)過(guò)幾十年的技術(shù)研發(fā)和攻關(guān)，在政府多年來(lái)持續推進(jìn)的經(jīng)費支持和補貼政策激勵下，發(fā)展和建立起多家具有自主核心技術(shù)的企業(yè)或研發(fā)機構，已經(jīng)基本實(shí)現了氫能和燃料電池技術(shù)的商業(yè)化運行，正在開(kāi)展更大規模的示范試驗和樣品研發(fā)。其中，日本更是將氫能產(chǎn)業(yè)確定為國家未來(lái)重要的戰略性產(chǎn)業(yè)。正因如此，日本在大規模高效制氫、家用燃料電池發(fā)電等領(lǐng)域走在了世界前列。
在全球燃料電池發(fā)展大跨步的背景下，我國也接連頒布了《中國制造2025》、《能源技術(shù)革命創(chuàng )新行動(dòng)計劃（2016～2030）》等一系列指導政策。能源技術(shù)革命創(chuàng )新行動(dòng)計劃規劃了能源技術(shù)革命重點(diǎn)創(chuàng )新行動(dòng)路線(xiàn)圖，部署了15項具體任務(wù)，“氫能與燃料電池技術(shù)創(chuàng )新”位列其中（第九項），已經(jīng)納入我國能源戰略。在《中國制造2025—能源裝備實(shí)施方案》中，也提出要加快氫能基礎設施，促進(jìn)構建制“氫技術(shù)及裝備—儲輸氫技術(shù)及裝備—燃料電池系統—燃料電池車(chē)輛及其他氫能利用技術(shù)及裝備”完整的產(chǎn)業(yè)鏈的要求。
盡管我國已經(jīng)初步掌握整車(chē)集成及部分關(guān)鍵零部件的生產(chǎn)技術(shù)，但是我們應當清楚地認識到，和世界發(fā)達國家相比，我國在氫能及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域起步較晚、研究基礎薄弱，在核心技術(shù)方面與發(fā)達國家還存在一定差距。近30年來(lái)，美、日、德等發(fā)達國家在政府的大力支持下，針對氫能及燃料電池相關(guān)技術(shù)，成體系地開(kāi)展了
相當規模的研究工作，已經(jīng)突破了諸多技術(shù)難點(diǎn)，正在推動(dòng)該技術(shù)從工程示范走向更加廣泛的商業(yè)應用。而我國在該項技術(shù)體系方面的工作相對不足，主要集中在研究機構，企業(yè)參與較少，關(guān)鍵材料和部件大量依賴(lài)進(jìn)口，與發(fā)達國家還存在較大差距。
（二）我國發(fā)展氫能和燃料電池技術(shù)面臨的主要挑戰
一是國內起步晚，核心技術(shù)積累有限。美、日、德等發(fā)達國家一直把氫能及燃料電池技術(shù)作為國家級戰略高技術(shù)，30年來(lái)投入巨資持續支持研發(fā)和示范應用，核心技術(shù)和產(chǎn)品都對我國保密。我國從2000年左右開(kāi)始進(jìn)行相關(guān)工作。在基礎研究方面，缺乏統一組織，致使相關(guān)基礎研究較為分散，未能形成良好的理論體系和深刻認知。在技術(shù)研發(fā)方面，投入比較有限，我國沒(méi)有充分意識到該項技術(shù)研發(fā)的難度，致使技術(shù)研究進(jìn)展緩慢，目前在核心技術(shù)上與發(fā)達國家還存在一定差距，沒(méi)有形成較好的產(chǎn)業(yè)化積累。[!--empirenews.page--]
二是我國尚未設立氫能及燃料電池技術(shù)專(zhuān)項，缺乏統一組織的聯(lián)合攻關(guān)。燃料電池技術(shù)屬于顛覆性技術(shù)，是典型的多學(xué)科交叉領(lǐng)域，從材料組分設計、結構性能優(yōu)化，到復雜結構單元器件設計制備、電化學(xué)反應過(guò)程控制、燃氣管理、發(fā)電系統集成等，顯然不是一個(gè)或幾個(gè)科學(xué)家團隊能夠完成的。日本和美國政府充分認識到該技術(shù)的高難度系數，均成立了專(zhuān)門(mén)機構，組織全國優(yōu)勢的產(chǎn)、學(xué)、研機構進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)。1989年日本NEDO牽頭成立先進(jìn)固態(tài)能源轉換聯(lián)盟（ASEC），組織全國的企業(yè)和大學(xué)聯(lián)合攻關(guān)，持續30年支持技術(shù)研發(fā)，推動(dòng)并支持了“ENE-FARM”家用分布式燃料電池CHP系統商業(yè)化項目。美國能源部于2000年牽頭成立SECA聯(lián)盟（Solid State Energy Conversion Alliance），在2000～2018年持續累計投入近10億美元推動(dòng)SOFC產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展，而同期美國B(niǎo)loom Energy公司一家企業(yè)投入的資金就超過(guò)25億美元（社會(huì )資金），并于2009年開(kāi)始為美國多家大型數據中心進(jìn)行供電。我國在“十五”到“十二五”期間，曾由科技部組織過(guò)“863”和“973”項目攻關(guān)，但是我國一直沒(méi)有設立專(zhuān)門(mén)的組織機構和研究專(zhuān)項，尤其是當前，“十三五”規劃已經(jīng)過(guò)半，氫能及燃料電池技術(shù)相關(guān)項目依然沒(méi)有啟動(dòng)。
三是氫能及燃料電池技術(shù)在國內尚未全面進(jìn)入實(shí)際應用階段，建立示范項目的數量也比較少。截至2017年10月，我國僅建成7座加氫站（大部分只是特殊時(shí)期的示范運行），數量遠少于美、日、德等國。美國、日本等發(fā)達國家已經(jīng)相繼實(shí)現了千瓦級、數百千瓦級到兆瓦級分布式發(fā)電系統或熱電聯(lián)供系統的商業(yè)化應用或示范運行。我國的燃料電池技術(shù)研發(fā)目前仍以大專(zhuān)院校、科研院所為主，雖然已經(jīng)初步掌握關(guān)鍵部件、動(dòng)力系統、整車(chē)集成等核心技術(shù)，但是這僅僅解決了從無(wú)到有的問(wèn)題，自主生產(chǎn)的產(chǎn)品性能與國際先進(jìn)水平也還有一定距離。我國急需進(jìn)一步完善和發(fā)展燃料電池電堆產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)核心技術(shù)。
（三）大力推進(jìn)我國氫能及燃料電池技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化的建議
我國在氫能及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域與發(fā)達國家還存在較大差距，目前這類(lèi)高新、核心技術(shù)和產(chǎn)品一直對中國封鎖。鑒于該技術(shù)對于助推我國供給側能源改革的重大需求，以及對未來(lái)優(yōu)化我國能源結構、在新能源汽車(chē)等領(lǐng)域實(shí)現彎道超車(chē)的重要作用，特提出如下建議。
一是成立專(zhuān)門(mén)項目及機構，組織實(shí)施國家級重大研發(fā)計劃，支持氫能及燃料電池相關(guān)基礎、技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。燃料電池技術(shù)是一項全新的、顛覆性的、高難度的先進(jìn)發(fā)電技術(shù)，又是多學(xué)科交叉的領(lǐng)域，只有在研究過(guò)程中才能不斷發(fā)現、認識和解決其中科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題。前期工作中，我國基本涉及了燃料電池技術(shù)的各個(gè)方面，也有了一定的技術(shù)基礎，對整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈有了初步的認識。借鑒國外成功發(fā)展經(jīng)驗，現在迫切需要成立專(zhuān)門(mén)的項目及管理機構，組織實(shí)施國家級重大研發(fā)計劃，成立國家氫能及燃料電池研究中心，集中全國優(yōu)勢力量，分工協(xié)作，聯(lián)合攻關(guān)，共同推動(dòng)氫能及燃料電池基礎研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
二是加快氫能及燃料電池技術(shù)和產(chǎn)品標準體系研究和建設，發(fā)展測試技術(shù)，推動(dòng)成立產(chǎn)品標準檢測中心。目前國內在氫能及燃料電池領(lǐng)域的技術(shù)和產(chǎn)品標準工作尚存不足，針對行業(yè)快速發(fā)展和市場(chǎng)需求的擴大，需要盡快開(kāi)展行業(yè)標準建設工作。在燃料電池方面，我國應以確立單電池、電堆性能測試技術(shù)和試驗標準為突破口，推進(jìn)高性能燃料電池及
電堆關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展。同時(shí)，應當盡快開(kāi)始氫能及燃料電池相關(guān)數據庫建設，基礎數據是基礎研究創(chuàng )新能力的基礎，在上述標準研究過(guò)程中不斷積累大數據，以促進(jìn)試驗方法和試驗內容的標準化和合理化。
三是加快推動(dòng)相關(guān)示范工程建設，發(fā)展燃料電池分布式供能和車(chē)用動(dòng)力系統示范，推進(jìn)供給側能源改革。針對國內氫能和燃料電池產(chǎn)業(yè)現存的技術(shù)開(kāi)發(fā)不充分、產(chǎn)品性能不夠完善、缺乏批量生產(chǎn)能力等問(wèn)題，我國迫切需要整合各方優(yōu)勢，打通氫氣化工、燃料電池系統、燃料電池汽車(chē)全產(chǎn)業(yè)鏈，將氫氣的制備、儲運、利用等多個(gè)環(huán)節有機整合。此外，現階段國家大力推行煤改氣/電、分布式發(fā)電、微電網(wǎng)等，希望通過(guò)發(fā)展新型能源技術(shù)助力國家供給側能源結構改革。固體氧化物燃料電池發(fā)電系統具有發(fā)電效率高、燃料適應性強等獨特的優(yōu)勢，尤其適合于分布式供能應用，正好可以滿(mǎn)足這一重大需求?，F階段應當以《能源技術(shù)革命創(chuàng )新行動(dòng)計劃（2016～2030年）》《中國制造2025—能源裝備實(shí)施方案》等國家規劃和部署為契機，廣泛開(kāi)展燃料電池分布式供能和車(chē)用動(dòng)力系統示范項目，在示范運行過(guò)程中不斷推動(dòng)氫能及燃料電池技術(shù)研究和自主研發(fā)，為氫能及燃料電池技術(shù)的全面產(chǎn)業(yè)化奠定基礎。[!--empirenews.page--]