1、SOFC介紹

 

1) 介紹與歷史沿革

SOFC（Solid Oxide Fuel Cell），是以固體氧化物為電解質(zhì)的高溫燃料電池，是第三代燃料電池。

SOFC采用全固態(tài)電池結(jié)構(gòu)，單電池由陽(yáng)極、陰極和固體氧化物電解質(zhì)組成，其中陽(yáng)極為燃料發(fā)生氧化的場(chǎng)所，陰極為氧化劑還原的場(chǎng)所，兩極都使用薄的陶瓷膜用作催化劑。由單個(gè)或多個(gè)模塊與燃?xì)庵卣?、熱交換器、渦輪機(jī)等構(gòu)成的整體被稱(chēng)作“SOFC系統(tǒng)”。

SOFC工作溫度約在600℃-1000℃之間，具有燃料種類(lèi)廣、無(wú)需貴金屬催化劑、功率密度高等優(yōu)勢(shì)，主要應(yīng)用于固定式發(fā)電站。搭配高質(zhì)余熱后還可實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，能量利用率高達(dá)80%，是一種清潔高效的能源系統(tǒng)。

1899年Nernst使用二氧化鋯（ZrO2）作為氧離子導(dǎo)體，開(kāi)發(fā)出SOFC雛形。1937年，Baur與Preis在Nernst的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出一個(gè)可以工作的SOFC。之后在二十世紀(jì)六七十年代，以Weistinghouse為首的企業(yè)正式開(kāi)啟了SOFC的商業(yè)化探索。目前，SOFC主要在美國(guó)、歐盟、日本和韓國(guó)等國(guó)家地區(qū)研發(fā)推廣，中國(guó)則起步較晚，尚處于初步探索階段。

2) 工作原理和技術(shù)

SOFC的工作原理如下：

• 在SOFC的陽(yáng)極（即燃料極）一側(cè)持續(xù)通入H2、CO、CH4等燃料氣體，具有催化作用的陽(yáng)極表面將吸附燃料氣體，并通過(guò)陽(yáng)極的多孔結(jié)構(gòu)擴(kuò)散到陽(yáng)極與電解質(zhì)的界面。

• 陰極一側(cè)（即空氣極）持續(xù)通入氧化劑（空氣），具有多孔結(jié)構(gòu)的陰極表面吸附氧，使O2得到電子變?yōu)镺2-，在化學(xué)勢(shì)的作用下，O2-進(jìn)入起電解質(zhì)作用的固體氧離子導(dǎo)體，由于濃度梯度引起擴(kuò)散，最終到達(dá)固體電解質(zhì)與陽(yáng)極的界面，與燃料氣體發(fā)生反應(yīng)，失去的電子通過(guò)外電路回到陰極，形成電流。

當(dāng)燃料為氫氣時(shí)的SOFC原理示意圖：

• 陽(yáng)極（燃料極）的反應(yīng)：H2 + O2-→H2O + 2e–

• 陰極（空氣極）的反應(yīng)：½O2 + 2e- →O2-

3) 技術(shù)類(lèi)別

SOFC根據(jù)其物理結(jié)構(gòu)不同，可大致分為管式和平板式兩種。Westinghouse公司于1980年代后半期成功研制出具備高耐久性的管型SOFC。管式SOFC技術(shù)先進(jìn)，耐久性高，不存在高溫密封的問(wèn)題，但輸出功率較低且成本高，因此沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。板式SOFC則成本相對(duì)低廉，且輸出功率密度和性能較好，成為當(dāng)前主流的商用化SOFC類(lèi)型。

4) 優(yōu)缺點(diǎn)

從原理上講, 燃料電池不受卡諾循環(huán)限制, 與傳統(tǒng)熱機(jī)相比, 能量轉(zhuǎn)化效率高(可達(dá) 50%～60% ) ，環(huán)保(NO x、SO 2 和噪音排放低) 等優(yōu)點(diǎn)。與其他類(lèi)型燃料電池相比，SOFC還具備以下優(yōu)點(diǎn)：

• 燃料種類(lèi)選擇范圍寬：在高溫運(yùn)行下，甲醇、丙烷、丁烷等輕碳?xì)浠衔锟梢栽陔姵貎?nèi)實(shí)現(xiàn)重整，其他重型碳?xì)浠衔飫t可在電池外部進(jìn)行重整。對(duì)氨氣和氯化物等雜質(zhì)的容忍度也較高。

• 環(huán)境污染程度低：不存在電解質(zhì)流失問(wèn)題，發(fā)電過(guò)程只產(chǎn)生水和二氧化碳。氮氧化物、硫化物及顆粒物排放幾乎為零；

• 能量轉(zhuǎn)化效率高。發(fā)電效率可達(dá)45%~60%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)熱機(jī)發(fā)電技術(shù)；若高濕尾氣與燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)等進(jìn)行聯(lián)合發(fā)電，則發(fā)電效率可達(dá)80%以上。

• 成本相對(duì)較低：主要因?yàn)楦邷刂卣恍枰F金屬催化劑。

• 模塊化結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)安裝靈活，滿(mǎn)足多種需求。

缺點(diǎn)主要包括高溫影響電池材料選擇范圍和損害壽命，以及啟動(dòng)速度太慢（常用的平板式SOFC需要1小時(shí)起）等，目前各國(guó)正在研發(fā)攻克中。

5) 用途類(lèi)別

SOFC常見(jiàn)的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楣潭ㄊ桨l(fā)電，主要為MW級(jí)以下的中小型SOFC產(chǎn)品，覆蓋場(chǎng)景包括家庭熱電聯(lián)供系統(tǒng)（CHP），數(shù)據(jù)中心備用電站，以及工業(yè)用固定式發(fā)電站等。中大型分布式發(fā)電、大規(guī)模供電及煤炭氣化結(jié)合燃料電池發(fā)電系統(tǒng)（Integrated gasification fuel cell cycle, “IGFC”）為未來(lái)主要研究方向。

另外，SOFC作為車(chē)輛輔助動(dòng)力電源也有少量應(yīng)用。2000年寶馬，Delphi，雷諾三家曾發(fā)起在該領(lǐng)域的合作。日產(chǎn)在該領(lǐng)域布局較為積極。2016年日產(chǎn)發(fā)布了世界上以SOFC動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的燃料電池原型車(chē)。該車(chē)基于日產(chǎn)e-NV200研發(fā)打造，采用了酶生物燃料電池（e-BioFuel-Cell）技術(shù)，利用SOFC動(dòng)力系統(tǒng)將貯存的生物乙醇轉(zhuǎn)化為電能給汽車(chē)提供動(dòng)力，續(xù)航里程超過(guò)600公里。目前，該原型車(chē)正在巴西公路上進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)地測(cè)試，日產(chǎn)也計(jì)劃在2020年將乙醇SOFC電動(dòng)車(chē)商業(yè)化。

然而， 與PEMFC相比，SOFC并不適合直接用作車(chē)端的主要?jiǎng)恿υ?，主要受限于以下幾點(diǎn)：

• 啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，且SOFC的高效率基于長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)，不允許反復(fù)開(kāi)關(guān)；

• 超高溫工作對(duì)材料耐性要求高且造成震動(dòng)；

• 電堆體積大，壓縮車(chē)內(nèi)空間；

• 電堆強(qiáng)度，高溫驅(qū)動(dòng)帶來(lái)震動(dòng)，對(duì)材料的耐性要求高

6) SOFC結(jié)構(gòu)拆分

陽(yáng)極材料（空氣極）

主要有氧化鎳和陶瓷（基本類(lèi)似于電解質(zhì)材料）的多孔結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，例如，NiO-YSZ、NiO-ScSZ等。

陰極材料（空氣極）

為具有抗氧化能力的多孔結(jié)構(gòu)，可以使氧氣順利通過(guò)進(jìn)入電解質(zhì)；包括：LSM/La0.6Sr0.4MnO、LSC/La0.6Sr0.4CoO3 、SSC/Sm0.5Sr0.5CoO3（SSC）、LSCF /(La,Sr)(Co,Fe)O3等混合導(dǎo)體（MIEC）。

電解質(zhì)材料

多為氧離子傳導(dǎo)性良好、不透氣的固體。主要有YSZ（氧化釔穩(wěn)定二氧化鋯）、ScSZ（摻雜Sc2O3的ZrO2）、鎵酸鑭（LaGaO3）等陶瓷材料。目前，鋯基電解質(zhì)薄膜是SOFC中應(yīng)用尤為廣泛、研究多的電解質(zhì)材料。鋯基電解質(zhì)能在高溫下、氧化和還原氣氛中保持良好的化學(xué)穩(wěn)定性，并且在很大氧分壓范圍內(nèi)具有純的氧離子導(dǎo)電特性，同時(shí)具有很好的機(jī)械強(qiáng)度，可制成致密的膜電解質(zhì)，因此滿(mǎn)足了SOFC的幾乎所有要求，成為制備SOFC電解質(zhì)材料的優(yōu)選。

 

2、SOFC主要市場(chǎng)

 

研究機(jī)構(gòu)MarketsandMarkets™預(yù)計(jì)2020年全球SOFC市場(chǎng)規(guī)模為7.72億美元，到2025年將達(dá)到28.81億美元，復(fù)合年均增長(zhǎng)率30.1%。該市場(chǎng)主要驅(qū)動(dòng)力為政府補(bǔ)貼及越來(lái)越多的FC項(xiàng)目研發(fā)投入，燃料多樣性和高能效發(fā)電需求及歐洲北美日趨嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。按類(lèi)型來(lái)看，平板式SOFC市場(chǎng)，在2017年時(shí)已達(dá)3.74億美元。

美國(guó)是世界大的SOFC市場(chǎng)，其次是日韓和歐洲。各個(gè)國(guó)家和地區(qū)的SOFC發(fā)展都離不開(kāi)政府的引導(dǎo)和大力支持，尤其在商業(yè)化尚未成型的前期導(dǎo)入階段，財(cái)政補(bǔ)貼尤為重要。大學(xué)、政府和企業(yè)集團(tuán)的產(chǎn)學(xué)研合作機(jī)制也是SOFC發(fā)展的重要推動(dòng)力。

1. 美國(guó)SOFC市場(chǎng)一家獨(dú)大

從全球市場(chǎng)來(lái)看，美國(guó)的SOFC累計(jì)裝機(jī)量處于地位，在200kW以上規(guī)格的固定式電站中，SOFC的投放量。美國(guó)SOFC的裝機(jī)量主要由Bloom Energy公司貢獻(xiàn)：截止2020年，該公司已累計(jì)投放350MW的SOFC產(chǎn)品，其中將近半數(shù)投放于加利福尼亞州。

1.1美國(guó)SOFC探索沿革：從管式到平板式

美國(guó)從1977年起便開(kāi)始針對(duì)SOFC進(jìn)行研發(fā)。截止2005年，美國(guó)政府共撥款2.5億美元用于管式SOFC的研發(fā)。

管式SOFC最早由美國(guó)Westinghouse Electric Corporation公司于上個(gè)世紀(jì)70年代推出。1998年，西門(mén)子通過(guò)收購(gòu)Westinghouse公司獲得其管式SOFC技術(shù)，并成立Siemens Westinghouse Power Corporation。該公司于2000年初進(jìn)行了250kW級(jí)的電池測(cè)試。由于管式SOFC并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的能量密度和成本目標(biāo)，因此西門(mén)子*退出SOFC業(yè)務(wù)。隨后，美國(guó)能源部便通過(guò)SECA主要對(duì)平板式SOFC的研發(fā)進(jìn)行支持。

1.2政府引導(dǎo)和補(bǔ)貼：從小型到大型

美國(guó)能源局（DOE）和國(guó)立能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（NETL）引導(dǎo)了美國(guó)SOFC市場(chǎng)的發(fā)展。1999年， 在DOE資助下，NETL主導(dǎo)成立SECA項(xiàng)目(Solid State Energy Conversion Alliance)，與聯(lián)邦政府、企業(yè)及高校和實(shí)驗(yàn)室一起致力于開(kāi)發(fā)低成本、模塊化、多燃料、應(yīng)用廣的SOFC技術(shù)。

起初SECA的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)3-5kW、用途廣泛的小功率SOFC電堆，以便盡早實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。然而，項(xiàng)目目標(biāo)隨后變?yōu)橹攸c(diǎn)開(kāi)發(fā)IGFC。SECA項(xiàng)目重要參與公司Fuel Cell Technology 于2013年下半年開(kāi)始開(kāi)發(fā)250kW和MW級(jí)，使用天然氣和生物氣體作為燃料，并于2018年測(cè)試了200kW的系統(tǒng)，未來(lái)將進(jìn)一步實(shí)證MW級(jí)系統(tǒng)，遠(yuǎn)期目標(biāo)是打造公用事業(yè)100MW級(jí)IGFC和NGFC系統(tǒng)。

美國(guó)聯(lián)邦政府向該項(xiàng)目提供大量支持。項(xiàng)目啟動(dòng)后經(jīng)費(fèi)逐年攀升，2002-2011年期間達(dá)3000~6000萬(wàn)美元，2012-2014年之間財(cái)政支持力度減半，之后一直維持在3000萬(wàn)美元左右。

2019年，美國(guó)能源部(DOE)化石能源辦公室(FE)發(fā)布了一項(xiàng)針對(duì)5-25kw小型固體氧化物燃料電池系統(tǒng)和混合能源系統(tǒng)的資助公告(Funding Opportunity Announcement,簡(jiǎn)稱(chēng)“FOA”)，將向相關(guān)研究和項(xiàng)目提供高達(dá)3000萬(wàn)美元的聯(lián)邦資助。FOA旨在開(kāi)發(fā)先進(jìn)技術(shù)，利用固體氧化物水電解技術(shù)(SOEC)改進(jìn)小型SOFC混合系統(tǒng)，使其達(dá)到氫生產(chǎn)和發(fā)電的商業(yè)化水平。之所以針對(duì)小型SOFC是因?yàn)镈OE預(yù)計(jì)短期內(nèi)會(huì)有大量來(lái)自數(shù)據(jù)中心的需求。

SECA項(xiàng)目由產(chǎn)業(yè)團(tuán)隊(duì)、技術(shù)團(tuán)隊(duì)和聯(lián)邦政府三方構(gòu)成，相互協(xié)調(diào)配合，共同推進(jìn)SOFC產(chǎn)品的研發(fā)與商業(yè)化進(jìn)程：

1）產(chǎn)業(yè)團(tuán)隊(duì)經(jīng)由公開(kāi)招標(biāo)程序征求參與者共同合作、資助計(jì)畫(huà)，充分利用產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)降低燃料電池的生產(chǎn)成本，同時(shí)利用政府資金進(jìn)行研發(fā)；產(chǎn)業(yè)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品使用上的需求及潛在推廣障礙時(shí)，可轉(zhuǎn)交核心技術(shù)團(tuán)隊(duì)作為研究主題集中攻克。

2）核心技術(shù)團(tuán)隊(duì)則包含境內(nèi)各大專(zhuān)院校、實(shí)驗(yàn)室與以研究為目的之組織，團(tuán)隊(duì)目標(biāo)為解決SOFC在材料、使用壽命以 及系統(tǒng)等各方面的技術(shù)問(wèn)題。

3）聯(lián)邦政府作為支持方，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)促進(jìn)前兩者之間的合作，確立技術(shù)研究的優(yōu)先性，提供必要資金支持。

SECA項(xiàng)目組通過(guò)能源部的化石能源辦公室向技術(shù)指標(biāo)達(dá)標(biāo)的產(chǎn)業(yè)團(tuán)隊(duì)提供資金支持，促使產(chǎn)業(yè)團(tuán)隊(duì)之間形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。同時(shí)SECA也通過(guò)核心技術(shù)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)可供所有產(chǎn)業(yè)小組使用的技術(shù)，避免重復(fù)作業(yè)

SECA對(duì)SOFC發(fā)展設(shè)定了階段性目標(biāo)：

• 2005年：向特定市場(chǎng)供給初代產(chǎn)品，早期切入的應(yīng)用場(chǎng)景包括卡車(chē)輔助動(dòng)力，休閑車(chē)等。

• 2010年: SOFC作為商業(yè)化產(chǎn)品逐漸向住宅、商業(yè)、工業(yè)的熱電聯(lián)供、交通領(lǐng)域的輔助動(dòng)力等方面推廣，實(shí)現(xiàn)400美元/kw的制造成本目標(biāo)。

• 2015年: 在大規(guī)模發(fā)電領(lǐng)域應(yīng)用，推出MW級(jí)燃料電池組，效率顯著提升（混合效率60-70%），實(shí)現(xiàn)400美元/kw的制造成本目標(biāo)。

• 2018-2021年：完成MW級(jí)燃料電池聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（IGFC）試驗(yàn)電廠。

   

長(zhǎng)期的技術(shù)和成本目標(biāo)包括：

• 在沒(méi)有碳捕捉和碳封存的情況下，效率達(dá)到60%

• 實(shí)證壽命達(dá)40,000小時(shí)或以上

• 衰退率小于每1000小時(shí)0.2%

• SOFC電堆成本降低到225美元/kW以下

• SOFC系統(tǒng)成本降低到900美元/kW以下

目前，美國(guó)在kW級(jí)模組開(kāi)發(fā)上已經(jīng)取得階段性成就，Bloom Energy的Energy Server產(chǎn)品目前據(jù)稱(chēng)可以達(dá)到60%的效率。但在MW級(jí)SOFC的開(kāi)發(fā)以及成本目標(biāo)上還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能達(dá)標(biāo)。尤其在中大型（100kW-1MW）SOFC系統(tǒng)成本方面遲遲未有進(jìn)展。雖然SECA在2018年便提出到2020年將系統(tǒng)成本降至900美元/kW的目標(biāo)，但截止2020年，系統(tǒng)成本仍然高居12000美元/kW，而先前的900美元/kW目標(biāo)也被推遲到2025/2030年。

1.3補(bǔ)貼與投放情況

除了聯(lián)邦政府對(duì)產(chǎn)業(yè)端的財(cái)政支持以外，以加利福尼亞和康涅狄格州為代表的地方州政府也對(duì)SOFC的投放給與一定補(bǔ)貼或稅收減免，推動(dòng)SOFC產(chǎn)品的投放。目前，美國(guó)全國(guó)累計(jì)投放的500MW大型固定式電站，其中約有一半位于加州（240MW）。

Bloom Energy曾透露，由于其產(chǎn)品可以享受聯(lián)邦和加州稅收減免政策以及公用事業(yè)地方納稅人補(bǔ)貼，最終系統(tǒng)購(gòu)置成本很多可以降低80%左右。

地方層面，加州的自發(fā)電激勵(lì)計(jì)劃項(xiàng)目（Self Generation Incentive Program，簡(jiǎn)稱(chēng)“SGIP”）補(bǔ)貼力度較大。自2001年起，加州共有450套固定式燃料電池系統(tǒng)獲得SGIP補(bǔ)助。值得注意的是，不同SOFC的燃料享受不同程度補(bǔ)貼，優(yōu)先支持生物質(zhì)燃料的推廣。

起初對(duì)使用生物質(zhì)為燃料的SOFC給與4,500 USD/kW補(bǔ)助，對(duì)使用天然氣的SOFC電池補(bǔ)貼減半，為2,750USD/kW。之后，補(bǔ)貼幅度減少，生物質(zhì)為燃料的電池給與1,200USD/kW補(bǔ)助，而使用天然氣燃料的電池僅享有600USD/kW的補(bǔ)貼。2020年起，只有使用100%生物質(zhì)燃料的固定式燃料電池才能收到補(bǔ)助。

1.4企業(yè)參與情況

在美國(guó)對(duì)SOFC進(jìn)行研發(fā)布局的企業(yè)較多，包括Acumentrics, Atrex, LG Fuel Cells System Inc.,GE, Bloom Energy, FuelCell Energy 和Ceramatec/OxEon等公司。除了Bloom Energy以外，F(xiàn)uelCell Energy從事大規(guī)模SOFC的開(kāi)發(fā)，已完成對(duì)200kW的SOFC系統(tǒng)測(cè)試，并計(jì)劃在未來(lái)十年將其提升至公用事業(yè)級(jí)別。另一方面，一些企業(yè)選擇退出SOFC的開(kāi)發(fā)：GE擁有先進(jìn)的平板式SOFC技術(shù)，但選擇減少SOFC業(yè)務(wù)，將工作重心轉(zhuǎn)移到陶瓷陽(yáng)極的金屬支撐結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域；由LG Corp收購(gòu)Rolls Royce Fuel Cell Systems 形成的LG Fuel Cell Systems (LGFCS) 公司于2018年關(guān)閉了其俄亥俄州Fuel Cell Prototyping Center，正式退出SOFC研發(fā)事業(yè)。行業(yè)參與者的不穩(wěn)定性也對(duì)美國(guó)SOFC的開(kāi)發(fā)研究工作造成一定阻礙。

1.5 Bloom Energy

美國(guó)布魯姆能源（Bloom Energy）是SOFC商用化的企業(yè)。公司主要產(chǎn)品為Bloom Energy Server，已更新至第五代，單機(jī)輸出功率從100kW提升至250kW，發(fā)電效率可高達(dá)65%，處于世界前列水平。

公司位于加州，貢獻(xiàn)了該州60%的固定式燃料電池系統(tǒng)。截止2020年已累計(jì)投放350MW的SOFC產(chǎn)品，幾乎全部投放美國(guó)市場(chǎng)?？蛻?hù)包括沃爾瑪、聯(lián)邦快遞、雅虎等。

Bloom Energy的業(yè)務(wù)模式為PPA能源采購(gòu)協(xié)議，而非直接銷(xiāo)售電池。其燃料電池系統(tǒng)可獲得稅收減免和州級(jí)補(bǔ)貼。2001-2015年期間，Bloom Energy的客戶(hù)在加州累計(jì)獲得2.3億美元的補(bǔ)貼。公司資料顯示，公司近年來(lái)產(chǎn)品成本呈下降趨勢(shì)，目前約為3300美元/kW左右。

1.6 總結(jié)

美國(guó)SOFC投放特點(diǎn)：

• 聯(lián)邦政府補(bǔ)貼+地方支持

• 法律法規(guī)：環(huán)保和可再生能源目標(biāo)

• 自然災(zāi)害頻繁，缺少可靠電網(wǎng)：備用電源應(yīng)用場(chǎng)景豐富

• 主要客戶(hù)：大型公共服務(wù)提供者

• 國(guó)內(nèi)自產(chǎn)自銷(xiāo)

2. 日本：家庭分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)Ene-Farm

日本主要圍繞家庭用熱電聯(lián)供系統(tǒng)Eme-Farm同時(shí)推廣PEFC（固體高分子型燃料電池）和SOFC兩種技術(shù)路線。企業(yè)方面，松下和東京燃?xì)庖黄痖_(kāi)發(fā)PEFC，愛(ài)信精機(jī)和大阪燃?xì)狻⒕┐珊拓S田汽車(chē)共同開(kāi)發(fā)SOFC。截止日前，日本ENE-FARM項(xiàng)目在日本已經(jīng)推廣超30萬(wàn)套SOFC家用系統(tǒng)，保有量位居高位，其中SOFC產(chǎn)品占比約為40%。、

日本的SOFC的發(fā)展歷程大致如下：

• 日本于2009年起PEFC的ENE-FARM，而SOFC僅作為大型工業(yè)領(lǐng)域發(fā)電方案被研究。

• 2005年，大阪燃?xì)夂途┐梢黄鸢l(fā)布1kW的小型SOFC，標(biāo)志著家庭用SOFC電池的起步。

• 2011年，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）于2011年開(kāi)發(fā)出商業(yè)化的SOFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)（ENE-FARM type S）。該系統(tǒng)由發(fā)電單元和利用廢熱的熱水供暖單元組成，輸出功率為700W，發(fā)電效率為46.5％，綜合能源利用效率高達(dá)90.0%，工作時(shí)的溫度為700～750℃，在用作家庭基礎(chǔ)電源的同時(shí)，還可以利用廢熱用作熱水器或供暖器。截止2020年12月，PEFC和SOFC的ENE-FARM累計(jì)銷(xiāo)量突破38萬(wàn)臺(tái)，SOFC占比接近一半。

• 2017年，工業(yè)用的SOFC燃料電池也開(kāi)始進(jìn)入商用化階段。

2.1 政府牽頭

日本的SOFC發(fā)展主要由NEDO負(fù)責(zé)推動(dòng)。主要項(xiàng)目為SOFC系統(tǒng)重點(diǎn)技術(shù)的開(kāi)發(fā)和SOFC實(shí)證研究。NEDO為SOFC的發(fā)展確立一系列目標(biāo)，其中包括到2024年，SOFC發(fā)電效率超過(guò)65%（低熱），壽命達(dá)130,000小時(shí)的技術(shù)等。

NEDO在其“面向燃料電池等應(yīng)用飛躍性擴(kuò)大的共同課題解決性產(chǎn)學(xué)官聯(lián)合研究開(kāi)發(fā)事業(yè)”中列舉了SOFC的相關(guān)研究：

NEDO對(duì)SOFC的未來(lái)規(guī)劃覆蓋家用型（kw級(jí)）、商用型（數(shù)十到百kw級(jí)）、工業(yè)型（MW級(jí)）以及電廠型（數(shù)十與數(shù)百M(fèi)W級(jí)）。2015年成本目標(biāo)為40萬(wàn)日元/kw，2020-2030年家用型機(jī)組為40萬(wàn)日元/kw、商用型機(jī)組20萬(wàn)日元/kw、工業(yè)型機(jī)組成本15萬(wàn)日元/kw。

2.2 PEFC與SOFC對(duì)比

• PEFC的熱回收效率高，啟停靈活，在水槽滿(mǎn)時(shí)會(huì)停止發(fā)電；SOFC則一般24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行，比PEFC發(fā)電效率高且裝置小，可根據(jù)實(shí)際需求來(lái)選擇。

• PEFC工作溫度70～90℃，除了作為家庭燃料電池還用于FCV上；SOFC一旦啟動(dòng)就24小時(shí)不停歇，工作溫度700-1000°C。

• 不同技術(shù)攻關(guān)課題：PEFC面臨如何減少鉑金使用的問(wèn)題，SOFC則面臨如何降低工作溫度的問(wèn)題。

2.3補(bǔ)貼與降本

日本從2005年開(kāi)始啟動(dòng)家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供（ENE-FARM）計(jì)劃，對(duì)ENE-FARM進(jìn)行示范運(yùn)行及政府補(bǔ)助。NEDO在2009-2020年期間推出“面向燃料電池應(yīng)用擴(kuò)大的ENE-FARM支持事業(yè)費(fèi)補(bǔ)助金”總額達(dá)76.5億日元。根據(jù)規(guī)劃，ENE-FARM計(jì)劃2020年、2030年分別實(shí)現(xiàn)家用燃料電池累計(jì)裝機(jī)量達(dá)140萬(wàn)套和630萬(wàn)套，對(duì)應(yīng)成本有望進(jìn)一步下降到50萬(wàn)日元/套（約3萬(wàn)元人民幣/臺(tái)套）左右。

2009年后，在日本政府持續(xù)補(bǔ)貼和松下、愛(ài)信精機(jī)等廠商的大力推廣下，家用燃料電池系統(tǒng)順利開(kāi)啟商業(yè)化應(yīng)用階段。隨著規(guī)模效應(yīng)顯現(xiàn)，2018-2019年ENE-FARM成本迅速降至120萬(wàn)－150萬(wàn)日元/套（約8萬(wàn)元人民幣/套），較2012年成本下降80%以上，逐步減少補(bǔ)貼依賴(lài)。在此期間日本政府從2010年開(kāi)始對(duì)于安裝燃料電池系統(tǒng)的家庭提供140萬(wàn)日元或制造成本一半的補(bǔ)貼，2015年開(kāi)始政府補(bǔ)貼額度也降低至50－60萬(wàn)日元。NEDO在2009-2020年期間對(duì)ENE-FARM的補(bǔ)貼總額達(dá)76.5億日元。

2019年3月11日，日本產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)省發(fā)布關(guān)于“支持ENE-FARM等燃料電池?cái)U(kuò)大利用運(yùn)營(yíng)費(fèi)補(bǔ)助金”財(cái)年預(yù)算提案，對(duì)ENE-FARM項(xiàng)目中的SOFC（固體氧化物燃料電池）和PEMFC（聚合物電解質(zhì)燃料電池）燃料電池設(shè)備和安裝費(fèi)用進(jìn)行補(bǔ)貼。NEDO為ENE-FARM的售價(jià)設(shè)定了目標(biāo)價(jià)和補(bǔ)貼上限價(jià)，并根據(jù)產(chǎn)品終端售價(jià)給與相應(yīng)補(bǔ)貼。PEFC和SOFC系統(tǒng)補(bǔ)助金額不同。補(bǔ)貼分基本定額補(bǔ)助和額外補(bǔ)助兩部分。另外，對(duì)可支持液化石油氣的設(shè)備、可應(yīng)用在寒冷地區(qū)、可用在公寓等環(huán)境中的PEFC和SOFC進(jìn)行額外補(bǔ)貼。

3. 韓國(guó)

韓國(guó)已成為燃料電池用于公用事業(yè)規(guī)模發(fā)電的前軍，總部署量達(dá)370.7MW。該國(guó)的貿(mào)易、工業(yè)和能源部（MOTIE）發(fā)布的第8次電力供應(yīng)需求計(jì)劃預(yù)計(jì)，到2022年韓國(guó)燃料電池部署量將進(jìn)一步擴(kuò)展到大約600兆瓦。

目前韓國(guó)SOFC也主要應(yīng)用于公用事業(yè)領(lǐng)域，市面上的主流技術(shù)來(lái)自國(guó)外的Ceres Power和Bloom Energy兩家公司，由斗山和SK E&C分別引進(jìn)推廣。

SK E&C

• Bloom Energy早在2017年就與SK E&C簽署了專(zhuān)門(mén)供貨協(xié)議。

• 2020年9月2日，美國(guó)Bloom Energy與韓國(guó)SK工程建設(shè)公司(SK E&C)宣布，雙方合作已在韓國(guó)西北部京畿道省完工兩個(gè)采用燃料電池技術(shù)的新型清潔能源設(shè)施。其中一個(gè)為19.8兆瓦級(jí)燃料電池裝置，該項(xiàng)目為Bloom能源公司迄今為止在韓國(guó)建設(shè)的規(guī)模的項(xiàng)目，此裝置一項(xiàng)就可以滿(mǎn)足該市約4.3萬(wàn)戶(hù)家庭的用電需求。位于坡州市的第二個(gè)發(fā)電站為8.1兆瓦級(jí)的燃料電池裝置，可滿(mǎn)足該區(qū)域內(nèi)約1.8萬(wàn)戶(hù)家庭的用電需求。截止2020年，Bloom Energy在韓國(guó)已部署120MW的SOFC產(chǎn)品。

斗山

• 2014年，斗山集團(tuán)收購(gòu)美國(guó)ClearEdge Power，從而掌握PAFC技術(shù)并開(kāi)始切入燃料電池分布式發(fā)電市場(chǎng)。

• 2020年7月，由斗山集團(tuán)投資建設(shè)的大山燃料電池發(fā)電廠正式投入運(yùn)營(yíng)。該發(fā)電廠裝配了114臺(tái)斗山M400型號(hào)PAFC燃料電池，產(chǎn)品功率為400kW。發(fā)電廠氫氣來(lái)源為工業(yè)副產(chǎn)氫，燃料電池總裝機(jī)量達(dá)到50MW，是為目前大燃料電池發(fā)電項(xiàng)目，發(fā)電量可達(dá)40萬(wàn)MWh，約可為附近16萬(wàn)戶(hù)家庭提供24小時(shí)電力。

• 2020年10月19日，已經(jīng)保有PAFC技術(shù)的斗山集團(tuán)與英國(guó)Ceres Power簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議，布局SOFC。該協(xié)議主要包含兩個(gè)部分內(nèi)容：（1）非排他性技術(shù)授權(quán)；（2）2023年底之前投資724億韓元（約合4.2億人民幣）建成產(chǎn)能50MW SOFC產(chǎn)線，2024年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

• 2021年3月，Doosan Fuel Cell與 Korea Offshore & Shipbuilding簽署諒解協(xié)議，共同開(kāi)發(fā)SOFC，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)電池和電堆的本土化生產(chǎn)，并從2024年起在韓國(guó)大規(guī)模生產(chǎn)SOFC系統(tǒng)。

在引進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，韓國(guó)政府也支持本土企業(yè)和機(jī)構(gòu)對(duì)SOFC的研發(fā)制造。

韓國(guó)政府曾扶持三星及POSCO Power進(jìn)行家用型SOFC系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，并提出2030年發(fā)電效率40%，熱能效率50%，持續(xù)時(shí)間9萬(wàn)小時(shí)，成本5000美元等目標(biāo)。在韓國(guó)，1000平米以上的樓層需要保證至少30%的能耗來(lái)自可再生能源。若住宅和商業(yè)用戶(hù)使用太陽(yáng)能發(fā)電、太陽(yáng)能供暖、燃料電池、地?zé)岷惋L(fēng)能的任意一種，韓國(guó)產(chǎn)業(yè)通商資源部（MOTIE）將為其提供補(bǔ)貼。其中，補(bǔ)貼燃料電池80%的安裝費(fèi)，最多不超過(guò)9900韓元/kW，住宅用燃料電池補(bǔ)貼不超過(guò)10000韓元/kW。韓國(guó)政府還為住宅、商業(yè)和公用事業(yè)燃料電池提供*天然氣，大約比正常價(jià)格低6.5%。

韓國(guó)也擁有一些本土SOFC上下游的專(zhuān)門(mén)企業(yè)：KCERACELL是SOFC部件原材料公司、提供正負(fù)極、電解質(zhì)和連接板材料。HNPOWER是一家氫能和氫燃料電池設(shè)備公司，具有SOFC電堆技術(shù)，號(hào)稱(chēng)功率密度0.8w/cm2。參與SOFC研發(fā)的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)則包括南韓科學(xué)技術(shù)院，韓國(guó)電力公社旗下研究機(jī)構(gòu)KEPRI, 韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院, 韓國(guó)能源研究機(jī)構(gòu), 浦項(xiàng)工科大學(xué), 工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所等。

 

4. 歐盟

與日本相似，歐盟SOFC市場(chǎng)主要應(yīng)用為微型熱電聯(lián)供系統(tǒng)Micro-CHP系統(tǒng)。

2012年起，F(xiàn)CH-JU在歐盟啟動(dòng)ene.field示范項(xiàng)目，歷時(shí)5年，共支持了1046套300W-5kW的PEM和SOFC的Micro-CHP系統(tǒng)。由于參與進(jìn)來(lái)的制造商有十?dāng)?shù)個(gè)，有些小企業(yè)在資金缺乏后不得不退出產(chǎn)品研發(fā)，使得項(xiàng)目的推進(jìn)及效果不如預(yù)期。FCH-JU隨后又啟動(dòng)了PACE項(xiàng)目，僅引入Soildpower、喜德瑞、菲斯曼以及博世四家有實(shí)力的大企業(yè)，并計(jì)劃在2018年在歐洲10個(gè)國(guó)家布置至少2500套裝置。

其中，德國(guó)市場(chǎng)發(fā)展迅速。德國(guó)聯(lián)邦政府于2016年發(fā)起了Micro-CHP市場(chǎng)激活計(jì)劃—KfW 433，根據(jù)輸出功率的大小為裝置安裝提供7050-28200歐元的補(bǔ)助金。該項(xiàng)目在2017年的計(jì)劃是支持1500套250W-1.5kW的裝置，長(zhǎng)期目標(biāo)是每年為7.5萬(wàn)套裝置提供補(bǔ)助。目前，德國(guó)已累計(jì)投放五萬(wàn)多套Micro-CHP，是歐洲Micro-CHP投放最多的國(guó)家。除德國(guó)以外，荷蘭、丹麥、瑞典、比利時(shí)等國(guó)在該領(lǐng)域也有布局。

歐盟/歐盟委員會(huì)從1984年起通過(guò)一系列“技術(shù)研發(fā)框架項(xiàng)目”（Framework Programmes for Research and Technological Development，簡(jiǎn)稱(chēng)Framework Program或FP）推動(dòng)技術(shù)發(fā)展，至今共有九個(gè)階段FP1-FP9，各階段重點(diǎn)研究方向不同，其中包含多個(gè)SOFC相關(guān)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。

在歐盟燃料電池和氫能聯(lián)合組織（FCH-JU）的統(tǒng)籌下，依托框架計(jì)劃支持的項(xiàng)目促進(jìn)了歐盟氫能和燃料電池的技術(shù)研發(fā)及研究成果轉(zhuǎn)化。

• 自FP5（1998-2002）即開(kāi)始輔助技術(shù)與研發(fā)商業(yè)化的相關(guān)研究，輔助項(xiàng)目包括材料研發(fā)、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、可靠度提升與成本降低等。

• 在FP6（2002-2006）階段則繼續(xù)改善材料以及降低劣化、發(fā)展小型熱電聯(lián)供系統(tǒng)、MW級(jí)系統(tǒng)以及量產(chǎn)技術(shù)。

• FP7（2007-2013）階段，有多個(gè)SOFC相關(guān)計(jì)劃已經(jīng)通過(guò)獲得輔助開(kāi)始進(jìn)行，包括材料與制造過(guò)程發(fā)展，組件與附屬系統(tǒng)的簡(jiǎn)化與化，以及模擬測(cè)試與特性研究等，長(zhǎng)期目標(biāo)為2020年達(dá)到商業(yè)化驗(yàn)證。

歐洲主要SOFC Micro-CHP的代表公司包括瑞士的Sulzer Hexis，英國(guó)Ceres Power，意大利的Solidpower，丹麥TopsoeFuelCell，德國(guó)Bosch Thermotechmology、Solid等。其中CeresPower技術(shù)較為先進(jìn)，且積極進(jìn)行布局：

• 2004年7月Ceres Power成立，其SteelCell®賺利技術(shù)源自英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院的Prof.Brian Steele。

• 2018年6月，濰柴動(dòng)力（000388.SZ）耗資4000萬(wàn)英鎊收購(gòu)英國(guó)Ceres Power（CWR.L）19.8%的股權(quán)，并共同于中國(guó)設(shè)立合資公司，Ceres Power授權(quán)該公司非排他性的SteelCell®賺利技術(shù)。

• 2018年8月，公司與博世宣布成立戰(zhàn)略伙伴關(guān)系共同開(kāi)發(fā)固態(tài)燃料電池。博世收購(gòu)Ceres Power 3.9%股權(quán)。

• 2019年，Ceres Power宣布成功開(kāi)發(fā)了專(zhuān)為氫燃料設(shè)計(jì)的*熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。

• 2021年3月17日，Ceres Power增發(fā)募資1.81億英鎊，其中，博世、斗山、濰柴合計(jì)認(rèn)購(gòu)9千萬(wàn)英鎊。

參考資料：

[1]KPMG，「???? ??? ??? ?? ?112?」

[2]小笠原慶，「海外のSOFC研究開(kāi)発狀況」

[3]経済産業(yè)省，「水素?燃料電池戦略ロードマップ」

[4]株式旭リサーチセンター，「家庭用燃料電池「エネファーム」 の現(xiàn)狀と展望」

[5]NEDO，「SOFCの現(xiàn)狀と課題 ～今後取り組むべき基盤(pán)技術(shù)開(kāi)発～」

[6]Hossein Ghezel-Ayagh，Progress in SOFC Technology Development at FuelCell Energy

[7]Weidner.E, Ortiz Cebolla.R, Davies,J, JRC Technical Report - Global Deployment of Large Capacity Stationary Fuel Cells

[8]COGEN Europe, European Cogeneration Review – Germany

[9]DOE, Report on the Status of the Solid Oxide Fuel Cell Program

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來(lái)源：DT新能源