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微型燃料电池热电联供装置在日本和欧洲的应用

导读: 微型燃料电池热电联供(Fuel cell micro-CHP,FC mCHP)装置是燃料电池固定式应用的重要分支,也是一种极具潜力的新型分布式能源技术。

微型燃料电池热电联供(Fuel cell micro-CHP,FC mCHP)装置是燃料电池固定式应用的重要分支,也是一种极具潜力的新型分布式能源技术。将燃料电池发出的电力和工作产生的热量结合利用,即使是在较小输出功率的情况下,系统的综合能源利用效率也可以超过90%,这一数字在讲究能源效益的当今时代相当吸睛,而氢能自带的绿色标签又为这个应用加成了环保效益。

燃料电池的能源效率

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FC mCHP一般输出功率≤5kW,应用场景可以是独立住宅、排屋、小型集中住宅、便利店、独立商户等。 虽然与效率较高的供热锅炉相比,整体能源利用率相差不多,但是FC mCHP在满足房屋热水及空间供暖的需求的同时,可以承担部分或主要电力供应,同时可以与屋顶光伏系统互补,在晨间和夜间用电高峰时段补足电力,又能在日间用电低谷时段售电上网盈利。因此,产生的电力无论自用或销售,都可以抵消部分购置费用。城市大规模铺设mCHP可以增加电网弹性,提高能源利用效率,应对紧急情况下的电力供应问题。另一方面,该系统依托于现有城市燃气网络布置,在氢能基础设施缺乏的初期,是一个比较能够切入和快速展开的燃料电池应用场景。而依靠燃料电池技术,使得该系统即使在使用城市燃气时也能有效的减少有毒及温室气体的排放,进一步使用生物质气或者绿色氢气之后就能成为一种完全的无污染、可再生的能源应用方式了。

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FC mCHP最有名的项目当数日本政府大力推行的能源农场(Ene-farm)计划了,这也是一直以来世界上规模最大的燃料电池项目。根据日本家庭的生活习惯对热水的需求,Ene-farm装置设计了700w的额定输出功率,此套系统可为日本一户家庭每年节省2600元人民币左右的电费燃气费用。

能源农场的基本原理

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图 1 Ene-farm系统结构

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图 2集中住房的Ene-farm安装示意图

从2005年至今,该项目已经坚持了8年,在2017年5月份,项目安装的装置总量达到了20万套。项目的初期目标是到了2020年安装140万套,到了2030年安装530万套(全日本家庭的一成),然而目前的销售情况与预期差距较大,想要完成目标只能寄希望于未来的爆发式增长。

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图 3 Ene-farm的进程

该项目已经显著降低了FC mCHP装置的成本,从导入补贴时超过17万人民币的单价,到目前每套系统补助降低至约1.7万人民币,用户只需再承担约7万人民币。当然,基于传统热水器的价格,Ene-farm系统价格降低至3-4万人民币才有可能具备自主普及的能力。因此就目前情况而言,与起初项目计划的在2016年左右完成补贴退出,开始市场化竞争的预期目标也是差距较大。

Ene-farm有PEMFC和SOFC两种技术路线,前者发电效率较低(小于40%)但是排热回收效率较高(储水罐容积大约150-200L),且可以随时启停,输出功率可调;后者由于不需要将燃气重整为氢气,结构相对简单,发电效率较高(大约45%),因此排热回收效率较低(储水罐容积不足100L),而且高温运行使其需要连续工作,输出调节能力差,可能需要额外的热水锅炉来应对住宅热量需求的季节性变化;价格方面目前也要较前者贵三分之一。

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