全面了解全球領(lǐng)先的日本“能源農(nóng)場”（二）

　　全面了解全球領(lǐng)先的日本“能源農(nóng)場”（一）

　　日本能源農(nóng)場制造廠商堅(jiān)持不懈的技術(shù)開發(fā)和技術(shù)改進(jìn)。

　　從燃料電池的技術(shù)類型來看，日本的家庭用能源農(nóng)場主要有三種，首先是，以城市燃?xì)鉃槿剂?，配有天然改質(zhì)氫設(shè)備的固體高分子燃料電池（PEFC）,代表企業(yè)：松下。其次是，以城市燃?xì)鉃槿剂?，配有天然改質(zhì)氫設(shè)備的固體氧化燃料電池（SOFC）,代表企業(yè)：愛信精機(jī)、京瓷（2019年10月30日正式發(fā)售）。還有，以純氫為燃料的固體氧化燃料電池（PEFC）,代表企業(yè)：東芝。其中，東芝的家庭能源農(nóng)場在北九州市氫能小鎮(zhèn)等政府示范項(xiàng)目中有所示范性應(yīng)用，但因?yàn)榧儦錃獾膬r格昂貴以及缺乏純氫氣運(yùn)送管道等基礎(chǔ)設(shè)施的匹配，未能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣，所以2017年7月東芝正式退出了家庭用小型能源農(nóng)場的市場。因此，目前在日本銷售的能源農(nóng)場主要來自于松下和愛信精機(jī)兩大制造廠商。

　　松下與愛信精機(jī)這兩大制造廠商的能源農(nóng)場的主體結(jié)構(gòu)如下所示，松下采用的是固體高分子燃料電池（PEFC）技術(shù)，PEFC的工作溫度在80-120℃；愛信精機(jī)采用的固體氧化燃料電池（SOFC）, SOFC的工作溫度在600-1000℃（SOFC采用陶瓷電解質(zhì)），兩者的固定發(fā)電額定功率均為700W。兩種不同類型燃料電池的能源農(nóng)場相比較下，松下的PEFC的發(fā)電效率(LHV)雖然較低，但是以熱電聯(lián)供的綜合能效來看更有優(yōu)勢。而愛信的SOFC的發(fā)電效率較高，作為分散型電源被高度期待，適合相比熱量（溫水）更加重視電力需要的消費(fèi)者。

（圖片來源：日本燃?xì)鈪f(xié)會）

　　這兩種能源農(nóng)場產(chǎn)品除了在燃料電池技術(shù)類型上具有根本區(qū)別外，在供熱方面所配置的加熱設(shè)備也略有不同。

松下能源農(nóng)場主體結(jié)構(gòu)（圖片來源：松下）

愛信精機(jī)能源農(nóng)場主體結(jié)構(gòu)（圖片來源：愛信精機(jī)）

　　日本能源農(nóng)場從研發(fā)到走向市場的歷程

　　-松下：松下將能源農(nóng)場（PEFC型燃料電池）作為實(shí)現(xiàn)“與地球環(huán)境的共存”的重點(diǎn)產(chǎn)品之一。因此，松下1999年設(shè)立了專門隊(duì)伍開始基礎(chǔ)技術(shù)開發(fā)，2001年開始了實(shí)用化技術(shù)開發(fā)，2003年開始了大規(guī)模實(shí)證機(jī)器的商品化開發(fā)，2005年針對大規(guī)模實(shí)證的樣板機(jī)舉行出貨儀式，同年1號機(jī)裝入首相官邸，標(biāo)志著開始了作為大規(guī)模實(shí)證的市場引進(jìn)。

　　通過幾年的大規(guī)模實(shí)證實(shí)驗(yàn)，直到2008年松下在滋賀縣設(shè)立了產(chǎn)生燃料電池的新工廠-草津工廠，正式發(fā)布高發(fā)電效率以及長耐久性的量產(chǎn)機(jī)型（2009年度機(jī)型）。同年，日本決定將家庭使用的燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)，統(tǒng)一稱呼為“能源農(nóng)場”。并由日本國家政府牽頭設(shè)立了“燃料電池普及促進(jìn)協(xié)會(FCA)”,旨在為能源農(nóng)場的社會普及提供國家政府資金的補(bǔ)助。

　　2009年松下開始了通過城市燃?xì)夤镜恼缴鲜袖N售。之后分別在2011年與2013年與東京燃?xì)庵晔綍绨l(fā)布了共同研發(fā)的新機(jī)型，期間也通過菲斯曼集團(tuán)針對歐洲市場發(fā)售了能源農(nóng)場。之后松下通過進(jìn)一步產(chǎn)品研發(fā)推出了針對公寓家庭、適用LP燃?xì)?、寒冷地帶家庭等新產(chǎn)品。2018年松下能源農(nóng)場的生產(chǎn)累計(jì)達(dá)到15萬臺。

　　2019年新發(fā)售的機(jī)型，通過改善制取氫氣的燃料改質(zhì)裝置的運(yùn)行條件提升了發(fā)電效率，同時通過設(shè)備的緊湊化削減了放熱損失，使發(fā)電效率以及熱回收效率各提高了1%，以至于一次能源利用綜合效率提高到了業(yè)界第一的97%（發(fā)電效率：40%＋熱利用：57%。利用困難的排熱僅為3%）。另外，在原有熱電聯(lián)供的基礎(chǔ)上，還可以配置蓄電池系統(tǒng)（需要另行購買），實(shí)現(xiàn)在電網(wǎng)停電時通過自有的混合電力控制系統(tǒng)向家庭進(jìn)行供電。冰箱等大型高功率家電可通過蓄電池啟動，穩(wěn)定運(yùn)行后接入能源農(nóng)場的供電。

（圖片來源：日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)研究所）

　　-愛信：不同于松下完全獨(dú)立完成能源農(nóng)場（PEFC型燃料電池）的基礎(chǔ)研發(fā)，愛信的能源農(nóng)場（SOFC型燃料電池）則是由大阪瓦斯、愛信、京瓷、長府制作所、豐田汽車等5家企業(yè)共同研發(fā)完成。其中，大阪瓦斯主要擔(dān)任熱電聯(lián)供系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工以及維護(hù)技術(shù)、京瓷擔(dān)任燃料電池堆的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、愛信與豐田汽車擔(dān)任發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、長府制作所擔(dān)任排熱利用熱水供應(yīng)機(jī)組的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，最終產(chǎn)品由愛信負(fù)責(zé)生產(chǎn)。

　　說起愛信的能源農(nóng)場（SOFC型燃料電池）的誕生，其實(shí)整個項(xiàng)目的起源其實(shí)是由大阪瓦斯引發(fā)的。受到歐美燃料電池研發(fā)的影響，1978年當(dāng)時的通商產(chǎn)業(yè)省工業(yè)技術(shù)院（現(xiàn) 獨(dú)立行政法人產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所-NEDO）發(fā)起了推動節(jié)能技術(shù)研究的「月光計(jì)劃」，大阪瓦斯參與了1000kW大規(guī)模商用「磷酸燃料電池」的研發(fā)，此后燃料電池的研發(fā)也不停地在持續(xù)。

　　1997年在京都召開的《第三屆氣候變動大會（COP3）》中指出家庭的CO2排放量與工業(yè)領(lǐng)域相比有連年增加的趨勢。以此為契機(jī)，針對家庭的節(jié)能化，大阪瓦斯1999年在公司內(nèi)部設(shè)立了家庭熱電聯(lián)供項(xiàng)目部。大阪瓦斯分別對燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)型的家庭熱電聯(lián)供系統(tǒng)以及PEFC型家庭燃料電池進(jìn)行了研發(fā)。同時，大阪瓦斯與美國西屋電力、東京瓦斯共同開發(fā)了25kW的商業(yè)用SOFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)。但因?yàn)槌杀窘?jīng)濟(jì)性問題，西屋電力退出了該項(xiàng)目。

大阪瓦斯SOFC開發(fā)歷程（圖片來源：NEDO）

　　之后大阪瓦斯了解到京瓷在小型SOFC的研發(fā)上取得了理想的成果，兩家公司2004年開始了SOFC熱電聯(lián)產(chǎn)的聯(lián)合研發(fā)。2005年兩家公司宣布了額定發(fā)電效率超過45%的1kW小型SOFC的開發(fā)目標(biāo)。其結(jié)果，引發(fā)了業(yè)界全體的SOFC研究方向從中大型商業(yè)用燃料電池轉(zhuǎn)向了小型家庭用。

京瓷的SOFC電極以及電堆（圖片來源：NEDO）

　　選擇小型SOFC進(jìn)行研發(fā)的理由是，大型燃料電池從開發(fā)、實(shí)驗(yàn)到改良的一個研發(fā)周期需要1年時間，而小型的1-0.7kW級別的小型燃料電池只需要半年時間；相關(guān)材料技術(shù)得以發(fā)展，工作溫度從1000度下降了到700度；作為SOFC電極材料的陶瓷，電極的尺寸越小越不易損壞，能承受溫度快速上升與下降。另外，從能源農(nóng)場整體系統(tǒng)來看，天然氣制取氫氣的燃料改質(zhì)器需要700度的高溫加熱，PEFC工作溫度約為80度，需要額外添加天然氣用于燃燒，而SOFC工作溫度約為700度，所以可以將排熱用于天然氣向氫氣的改質(zhì)。

　　因?yàn)镾OFC存在發(fā)電率高、不需要高價白金催化劑、日本具備高度的陶瓷技術(shù)等特點(diǎn)，2007年-2010年兩公司的研發(fā)得到NEDO「固體氧化物形燃料電池實(shí)證研究項(xiàng)目」的資助，實(shí)施了大規(guī)模實(shí)證研究。其中，因?yàn)閱慰績杉夜緹o法完成整體的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，因此2009年大阪瓦斯與京瓷又邀請了對于汽車燃料電池研究有豐富經(jīng)驗(yàn)的豐田汽車以及汽車零部件制造商愛信共同參與這項(xiàng)實(shí)證研究。此時愛信已經(jīng)參與了豐田汽車的甲醇改質(zhì)裝置以及PEFC燃料電池系統(tǒng)的制造，雖然愛信對于相比PEFC發(fā)電效率更高，更加能夠?qū)崿F(xiàn)小型化的SOFC非常關(guān)注，卻完全沒有SOFC的研究開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。但靠著PEFC研發(fā)中培育的技術(shù)與知識，加上與豐田汽車、大阪瓦斯、京瓷形成的精英組合，結(jié)果，基于4年的合作以及通過實(shí)證研究獲得大量實(shí)際數(shù)據(jù)的積累，開發(fā)了家庭用的SOFC熱電聯(lián)產(chǎn)“S型 能源農(nóng)場”,并于2012年4月27日開始正式銷售。

在大阪瓦斯實(shí)驗(yàn)室中實(shí)施的耐久性測試（圖片來源：NEDO）