全面了解全球领先的日本“能源农场”(二)

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发表时间:2021-04-27 15:00
  • 日本能源农场制造厂商坚持不懈的技术开发和技术改进。
从燃料电池的技术类型来看,日本的家庭用能源农场主要有三种,首先是,以城市燃气为燃料,配有天然改质氢设备的固体高分子燃料电池(PEFC),代表企业:松下。其次是,以城市燃气为燃料,配有天然改质氢设备的固体氧化燃料电池(SOFC),代表企业:爱信精机、京瓷(2019年10月30日正式发售)。还有,以纯氢为燃料的固体氧化燃料电池(PEFC),代表企业:东芝。其中,东芝的家庭能源农场在北九州市氢能小镇等政府示范项目中有所示范性应用,但因为纯氢气的价格昂贵以及缺乏纯氢气运送管道等基础设施的匹配,未能实现大规模推广,所以2017年7月东芝正式退出了家庭用小型能源农场的市场。因此,目前在日本销售的能源农场主要来自于松下和爱信精机两大制造厂商。

松下与爱信精机这两大制造厂商的能源农场的主体结构如下所示,松下采用的是固体高分子燃料电池(PEFC)技术,PEFC的工作温度在80-120℃;爱信精机采用的固体氧化燃料电池(SOFC), SOFC的工作温度在600-1000℃(SOFC采用陶瓷电解质),两者的固定发电额定功率均为700W。两种不同类型燃料电池的能源农场相比较下,松下的PEFC的发电效率(LHV)虽然较低,但是以热电联供的综合能效来看更有优势。而爱信的SOFC的发电效率较高,作为分散型电源被高度期待,适合相比热量(温水)更加重视电力需要的消费者。



(图片来源:日本燃气协会

这两种能源农场产品除了在燃料电池技术类型上具有根本区别外,在供热方面所配置的加热设备也略有不同。



松下能源农场主体结构
(图片来源:松下)



爱信精机能源农场主体结构

(图片来源:爱信精机



  • 日本能源农场从研发到走向市场的历程
-松下:松下将能源农场(PEFC型燃料电池)作为实现“与地球环境的共存”的重点产品之一。因此,松下1999年设立了专门队伍开始基础技术开发,2001年开始了实用化技术开发,2003年开始了大规模实证机器的商品化开发,2005年针对大规模实证的样板机举行出货仪式,同年1号机装入首相官邸,标志着开始了作为大规模实证的市场引进。

通过几年的大规模实证实验,直到2008年松下在滋贺县设立了产生燃料电池的新工厂-草津工厂,正式发布高发电效率以及长耐久性的量产机型(2009年度机型)。同年,日本决定将家庭使用的燃料电池热电联供系统,统一称呼为“能源农场”。并由日本国家政府牵头设立了“燃料电池普及促进协会(FCA)”,旨在为能源农场的社会普及提供国家政府资金的补助。

2009年松下开始了通过城市燃气公司的正式上市销售。之后分别在2011年与2013年与东京燃气株式会社发布了共同研发的新机型,期间也通过菲斯曼集团针对欧洲市场发售了能源农场。之后松下通过进一步产品研发推出了针对公寓家庭、适用LP燃气、寒冷地带家庭等新产品。2018年松下能源农场的生产累计达到15万台。

2019年新发售的机型,通过改善制取氢气的燃料改质装置的运行条件提升了发电效率,同时通过设备的紧凑化削减了放热损失,使发电效率以及热回收效率各提高了1%,以至于一次能源利用综合效率提高到了业界第一的97%(发电效率:40%+热利用:57%。利用困难的排热仅为3%)。另外,在原有热电联供的基础上,还可以配置蓄电池系统(需要另行购买),实现在电网停电时通过自有的混合电力控制系统向家庭进行供电。冰箱等大型高功率家电可通过蓄电池启动,稳定运行后接入能源农场的供电。



图片来源:日本经济产业研究所
-爱信:不同于松下完全独立完成能源农场(PEFC型燃料电池)的基础研发,爱信的能源农场(SOFC型燃料电池)则是由大阪瓦斯、爱信、京瓷、长府制作所、丰田汽车等5家企业共同研发完成。其中,大阪瓦斯主要担任热电联供系统的设计与施工以及维护技术、京瓷担任燃料电池堆的设计与制造技术、爱信与丰田汽车担任发电机组的设计与制造技术、长府制作所担任排热利用热水供应机组的设计与制造技术,最终产品由爱信负责生产。




说起爱信的能源农场(SOFC型燃料电池)的诞生,其实整个项目的起源其实是由大阪瓦斯引发的。受到欧美燃料电池研发的影响,1978年当时的通商产业省工业技术院(现 独立行政法人产业技术综合研究所-NEDO)发起了推动节能技术研究的「月光计划」,大阪瓦斯参与了1000kW大规模商用「磷酸燃料电池」的研发,此后燃料电池的研发也不停地在持续。

1997年在京都召开的《第三届气候变动大会(COP3)》中指出家庭的CO2排放量与工业领域相比有连年增加的趋势。以此为契机,针对家庭的节能化,大阪瓦斯1999年在公司内部设立了家庭热电联供项目部。大阪瓦斯分别对燃气内燃机型的家庭热电联供系统以及PEFC型家庭燃料电池进行了研发。同时,大阪瓦斯与美国西屋电力、东京瓦斯共同开发了25kW的商业用SOFC热电联供系统。但因为成本经济性问题,西屋电力退出了该项目。



大阪瓦斯SOFC开发历程

图片来源:NEDO

之后大阪瓦斯了解到京瓷在小型SOFC的研发上取得了理想的成果,两家公司2004年开始了SOFC热电联产的联合研发。2005年两家公司宣布了额定发电效率超过45%的1kW小型SOFC的开发目标。其结果,引发了业界全体的SOFC研究方向从中大型商业用燃料电池转向了小型家庭用。



京瓷的SOFC电极以及电堆

(图片来源:NEDO)

选择小型SOFC进行研发的理由是,大型燃料电池从开发、实验到改良的一个研发周期需要1年时间,而小型的1-0.7kW级别的小型燃料电池只需要半年时间;相关材料技术得以发展,工作温度从1000度下降了到700度;作为SOFC电极材料的陶瓷,电极的尺寸越小越不易损坏,能承受温度快速上升与下降。另外,从能源农场整体系统来看,天然气制取氢气的燃料改质器需要700度的高温加热,PEFC工作温度约为80度,需要额外添加天然气用于燃烧,而SOFC工作温度约为700度,所以可以将排热用于天然气向氢气的改质。

因为SOFC存在发电率高、不需要高价白金催化剂、日本具备高度的陶瓷技术等特点,2007年-2010年两公司的研发得到NEDO「固体氧化物形燃料电池实证研究项目」的资助,实施了大规模实证研究。其中,因为单靠两家公司无法完成整体的热电联供系统,因此2009年大阪瓦斯与京瓷又邀请了对于汽车燃料电池研究有丰富经验的丰田汽车以及汽车零部件制造商爱信共同参与这项实证研究。此时爱信已经参与了丰田汽车的甲醇改质装置以及PEFC燃料电池系统的制造,虽然爱信对于相比PEFC发电效率更高,更加能够实现小型化的SOFC非常关注,却完全没有SOFC的研究开发经验。但靠着PEFC研发中培育的技术与知识,加上与丰田汽车、大阪瓦斯、京瓷形成的精英组合,结果,基于4年的合作以及通过实证研究获得大量实际数据的积累,开发了家庭用的SOFC热电联产“S型 能源农场”,并于2012年4月27日开始正式销售。


在大阪瓦斯实验室中实施的耐久性测试

图片来源:NEDO


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