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氫能及燃料電池系列

有人將2018年定義為中國氫能發(fā)展的元年，在這一年，氫能一天比一天火熱，從行業(yè)圈內(nèi)默默的發(fā)展，漸漸走近大眾的視野，被譽(yù)為21世紀(jì)最有前景的替代能源，各大企業(yè)也都扎堆進(jìn)入氫能行業(yè)，氫能項(xiàng)目也火熱得千金難求。如果不了解點(diǎn)氫能以及相關(guān)技術(shù)的知識(shí)，可能已經(jīng)跟不上整個(gè)能源行業(yè)的發(fā)展，交能網(wǎng)借鑒各類文獻(xiàn)，結(jié)合自身在德國亞琛工大的專業(yè)研究，希望從各個(gè)環(huán)節(jié)分別介紹氫能及其相關(guān)技術(shù)、應(yīng)用及其發(fā)展現(xiàn)狀，希望讀者對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)有個(gè)初步的了解。

燃料電池雖然名稱中有電池兩字，但是其實(shí)它更像一個(gè)能源轉(zhuǎn)換器，可以將一次能源直接轉(zhuǎn)化為電能和熱能，且設(shè)備的功率可以在一個(gè)很大的范圍內(nèi)波動(dòng)。這種特性讓其能夠輕易地實(shí)現(xiàn)家用化，且綜合能效要高于集中式地能源供應(yīng)方案。

假設(shè)同樣以天然氣作為一次能源，通過傳統(tǒng)的熱電廠集中式和燃料電池分布式發(fā)電與供熱的綜合效率差距非常大。即使現(xiàn)代的發(fā)電廠的發(fā)電效率已經(jīng)可以超過60%，且通過熱電聯(lián)產(chǎn)的綜合熱效率也能超過85%，但是熱力的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸導(dǎo)致用戶端的一次能源熱效率將低于70%。

反觀家用熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，一次能源直接在用戶端進(jìn)行能源生產(chǎn)，燃料電池解決了燃機(jī)小型化程度有限的問題而能夠完美地作為家用能源站的核心設(shè)備。該系統(tǒng)的整體熱效率高于85%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于集中式生產(chǎn)的50%終端熱效率。

這一方案構(gòu)想其實(shí)已經(jīng)在日本得到了實(shí)現(xiàn)。2009年，由日本東京燃?xì)夤九c松下集團(tuán)共同研發(fā)的ENE-FARM項(xiàng)目正式投入大范圍商業(yè)實(shí)施，目前可以說是世界上最為成功的燃料電池商業(yè)化項(xiàng)目。截止2015年，該項(xiàng)目已經(jīng)累計(jì)部署了超過120000套家用燃料電池設(shè)備，證明了長(zhǎng)期的公私合作關(guān)系可以促進(jìn)新技術(shù)的商業(yè)化。這些燃料電池被安裝在公寓以及普通住宅內(nèi)，由公寓開發(fā)商選擇安裝與否，并且有其他附件應(yīng)用用途可供選擇。新型的燃料電池可以不依賴電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，這對(duì)多災(zāi)多難的日本極為重要。

ENE-FARM項(xiàng)目的成功依賴于企業(yè)、政府和工業(yè)界的通力配合。在1999年開啟基礎(chǔ)研究后，政府看中了這個(gè)模式對(duì)于能源資源匱乏的日本的巨大作用，能效的提升不僅降低了一次能源消耗，獨(dú)立的能源系統(tǒng)也能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。為了促進(jìn)這一模式的落地，日本政府首先投入大量的資金來支持關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)，在產(chǎn)品出現(xiàn)后，首相官邸還率先安轉(zhuǎn)這一設(shè)備，為這個(gè)模式站臺(tái).

在2009年產(chǎn)品推廣前夕，日本政府同意每套燃料電池補(bǔ)貼140萬日元或者制造成本的一半，并做出補(bǔ)貼多年的承諾。雖然每套設(shè)備的補(bǔ)貼力度下降，但是總的補(bǔ)貼預(yù)算不斷升高。在2009年大約安裝了2300套燃料電池設(shè)備，現(xiàn)在這個(gè)數(shù)字已經(jīng)慢慢增長(zhǎng)至超過12000套，而每套設(shè)備的補(bǔ)貼則降至了500000至600000日元。而從2012年開始銷售量差不多翻倍。2015年ENE-FARM的補(bǔ)貼金額達(dá)到了222億日元，這一輪補(bǔ)貼到2016年年底已經(jīng)結(jié)束。

政策補(bǔ)貼不僅幫助這一模式的快速推廣，還成功地資助了制造企業(yè)的科研和擴(kuò)大生產(chǎn)。在這些因素的促進(jìn)下，ENE-FARM價(jià)格的逐步下跌，這讓ENE-FARM成功渡過了補(bǔ)貼退場(chǎng)下的艱難時(shí)期。即使在補(bǔ)貼停止后，2016年4月-2017年3月（2016年度），日本還新增4.2萬臺(tái)ENE-FARM，新增數(shù)量約與2015年度持平，累計(jì)安裝臺(tái)數(shù)則達(dá)19.6萬臺(tái)，其中又以價(jià)格較低、重新啟動(dòng)時(shí)間較短的PEFC（固體高分子型燃料電池）機(jī)種所占比重較高。

那么這個(gè)最成功的燃料電池商業(yè)化項(xiàng)目的設(shè)備究竟是怎么樣的呢？其本質(zhì)是一個(gè)家用小型熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備。該設(shè)備利用天然氣作為燃料來源，注入燃料電池中發(fā)電，再用發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的熱能來供應(yīng)暖氣和熱水，整體能源效率能超過90%。系統(tǒng)運(yùn)行過程如下圖：
這其中的關(guān)鍵設(shè)備自然是燃料電池，目前這個(gè)項(xiàng)目用的燃料電池主要有這三種：
2015年，松下還推出了新款的燃料電池，其續(xù)航能力大幅提升，即便在電力供應(yīng)中斷后，仍能持續(xù)發(fā)電約8天（約合192小時(shí)），相比09年4月份推向市場(chǎng)的“ENE-FARM”，續(xù)航提升了約96小時(shí)。松下官方稱使用這款設(shè)備能夠減少37%的能量消耗和減少49%的二氧化碳排放。同時(shí)使用壽命還大幅提升，它的工作壽命為60000小時(shí)，比它的前輩長(zhǎng)20％。在性能增強(qiáng)的同時(shí)，其售價(jià)反而從280萬日元降低到了200萬日元。

日本的成功實(shí)踐說明，在未來的氫能社會(huì)中，燃料電池分布式能源站能夠承擔(dān)終端用戶的能源需求。如果我們把這個(gè)模式和電解氫結(jié)合起來，一個(gè)從能源生產(chǎn)到消費(fèi)的完整鏈條就出現(xiàn)了。想象在未來的某一天，由遠(yuǎn)處風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的電力直接當(dāng)?shù)仉娊廪D(zhuǎn)化為氫氣，氫氣通過管道輸送到一個(gè)沒有任何外接電網(wǎng)的家庭。氫氣再通過小型化的分布式燃料電池能源站為這個(gè)家庭提供電力和熱力。在公寓式高層建筑集中的城市里，屋頂資源十分珍貴，可再生能源難以承擔(dān)能源供應(yīng)的重任，這種小型的能源站則是更好的解決方案。

我國當(dāng)前燃料電池分布式能源站系統(tǒng)還未普及，在大家爭(zhēng)搶上游產(chǎn)業(yè)和交通領(lǐng)域而不可開交時(shí)，何不關(guān)注下這個(gè)潛力巨大的藍(lán)海呢？

原標(biāo)題：氫能及燃料電池技術(shù)在建筑中的應(yīng)用