由易到难，看日本如何发展燃料电池
特约作者：Tom，高级新能源分析师
导读
发展氢能是国家战略。如何从顶层设计入手合理规划补贴政策，用最小社会成本达到构建氢能社会目标却是一个技术活。日本和德国均是以技术含量较低的家用燃料电池入手，我国则是以技术难度更高的汽车燃料电池开绐。以史为鉴，本文的启示在于：燃料电池从技术难度较低的领域推广，如无人机电池，叉车电池，应急电源，逐步过渡到技术难度更高的车用电池（发电站电池）是更切合实际的一种做法。
点评：风氢扬
中国政府对电动车补贴将政策逐步退出，而对燃料电池汽车补贴力度仍然不减。业内人士纷纷把目光投向了燃料电池汽车，而其他领域的应用鲜有人关注。国外经验表明，在氢能大规模推广阶段，家用氢燃料电池，即一种小型分布式热电联用能源站（CHP）的市场空间广阔。本文以ENE FARM为例，分析下日本如何推进家用氢燃料电池的发展。
首先ENE FARM是什么，如何工作的。ENE FARM实质是一套小型分布式热电联用能源站（CHP），既能高效的产生电能，又能回收利用余热。这个装置的热利用效率可高达95%，是常规发电设备难以企及的。其工作原理如下所示，天然气在经过重整装置分解成氢气和一氧化碳/二氧化碳，并经过氢气净化装置将一氧化碳/二氧化碳等杂质气体去除，得到纯净的氢气。氢气经过PEMFC燃料电池发电系统与氧气反应产生电力和热量，同时生成水，电力可以供家庭电器使用，余热可以为家庭提供热水。（说明：PEMFC类型热电联用系统工作原理与SOFC类型热电联用系统略有差异）
图1 ENE FARM工作原理
资料来源：FCA
推广ENE FARM意义何在？具体来看，目前PEMFC类型的ENE FARM综合热利用效率高达95%，SOFC类型ENE FARM综合热利用效率也高达85%，二者热综合利用效率是传统燃气发电产2倍。通过在家庭当中推广ENE FARM，可以极大的降低燃气消耗，削减二氧化碳排放。另外，从技术层面来看，ENE FARM的燃料电池技术难度大幅度低于车用氢燃料电池难度，优先在家用领域推广更切实际，更容易获得成功，同时在节能减排方面也具有非常显著的效果。ENEFARM是日本氢能社会发展的第一步，已经初步取得一定成绩。
图2 燃气发电站与ENE FARM能源效率对比
资料来源：FCA
日本生产ENE FARM的厂家主要有三家:松下、爱信精机、东芝。2017年东芝决定退出ENE FARM市场（前期安装的产品仍然提供维护服务），目前仅有松下和爱信精机两家生产ENE FARM，其中松下技术路线是PEMFC路线，而爱信精机采用SOFC路线。他们采取了不同的技术路线，产品各有特色，应用略有偏重。松下PEMFC运行温度低，灵活性高；爱信精机的SOFC体积小，发电效率高。二者产品特性方面有一定差异，产品的应用场景也存在一定差异。松下产品产生的电力和热能相当，在家庭中使用可能更为合适。爱信精机产品电力产出更高，在对电力需求更多的场合可能更为合适，如在小型工商业企业。ENE FARM产品的主要参数如下表。
表1 日本主要ENE FARM制造厂商
资料来源：各公司产品公告
那么日本是如何推广ENE FARM，现在推广情况如何呢？
1999年东京燃气与松下正式联合，开展燃料电池商用化开发的基础研究。到2004年，在NEF基金支持下，双方共同努力实现了商业化示范运营。随着商业化示范运营初具成效，燃料电池技术进一步成熟，在2009年开始普通家庭推广ENE FARM，随后ENE FARM发展进入了快车道。从提出商业化思路到商业化普及推广经历了10年，期间得到了政府相关基金大力支持，企业间的深入合作、相关协会（FCCJ、FCA）协调配合也起到了非常重要作用。
图3 日本ENE FARM发展历史
资料来源：根据日本政府及企业公告整理
ENE FARM技术壁垒极高，在基础研究的早期，日本大企业就开展深入合作，推动技术进步。1999年东京燃气就和松下开展合作，推动燃料电池技术及燃气重整制氢技术进步，二者经历了近10年深入合作，最终在2009年成功推出ENE FARM商用产品。在这次合作中，松下主要攻关PEMFC氢燃料电池系统，而东京燃气则主要专注于燃气重整和净化技术攻关。
日本的相关立法和政策也极大促进了ENE FARM发展。早在1998年和2005年日本就在减排的立法和目标制定方面开展相关研究。2008年重磅发布《环境能源技术革新计划》和《低碳社会行动》，目标是2050年二氧化碳减排60-80%。在随后的十年间，日本政府又对《节能法》等相关法案进行了修订，在节能减排方面进行了更严格规定。日本节能减排及环保方面法规与战略越来越明确，同时对节能减排的新技术发展方面也给与极大的资金支持，2009年ENE FARM计划发布之后，对氢燃料电池产品的补贴一度高达50%，一套接近300万日元的ENE FARM，补贴金额高达140万日元。
政府的补贴在产业起步阶段起到非常好的推动作用，早期补贴高达140万日元，使得终端用户能够以较低的价格获得ENE FARM。随着燃料电池市场不断发展，制造成本大幅降低，ENE FARM价格也不断调整，补贴额度也随之每年调整。到目前为止，补贴额度已经下降到3-12万日元。早期ENE FARM推广主要集中在家庭领域，随着市场推广不断深入，2017年，政府开始在商业领域推广ENE FARM，进一步扩大了补贴范围。在对待不同种类的ENE FARM，日本也采取了差异化对待策略，PEMFC类型ENE FARM获得的补贴额度为3-6万日元，而SOFC类型的ENE FARM补贴额度为6-12万日元。政府对ENE FARM补贴制度的灵活性、个性化方案是值得借鉴的。
随着ENE FARM市场规模不断扩大，其价格也出现较大福下降，目前PEMFC类型ENE FARM价格已经下降至100万日元以下，已经快进入市场价格的的临界区域。预计随着技术进一步成熟，规模效应进一步增强，价格有望降低至50-70万日元区间，ENE FARM极有可能进入下一个黄金发展阶段。截止目前日本安装的ENE FARM数量已经接近25万套，在节能减排方面已经做出不小贡献。
图4 日本ENE FARM销售价格及累计安装量
资料来源：FCA
虽然近期丰田的MIRAI燃料电池汽车获得了全世界的瞩目，但ENE FARM的成功已经走在前面。我国处在氢能推广阶段，日本发展ENE FARM的经历，对我们当下发展氢燃料电池具有如下重要借鉴意义：
1、范围经济。产业早期，乘用车市场未启动，应该鼓励电堆厂除了电池以外，可以从技术难度较低、场景固定的应用领域切入，更容易实现产业化。
2、顶层设计。政府在制定战略时要科学论证，目光长远，目标明确；
3、合理补贴。在制定产业补贴政策时，政府需要审时度势，根据不同阶段，不同产品，不同生态，适时调整；
4、培育生态。在产业发展早期，打通技术链条，培育产业生态，促进全产业链协同发展。
玖牛研究院 汽车团队