世界上應用最多的燃料電池——分布式熱電聯供

內容摘要：提起氫能，大家的印象就是燃料電池，而提及燃料電池，大家的反應大概就是燃料電池汽車了。不過，目前世界上對氫氣應用最多的并不是燃料電池，而是工業用氫；迄今為止，燃料電池應用最多的也不是汽車，而是燃料電池分布式熱電聯供系統。

提起氫能，大家的印象就是燃料電池，而提及燃料電池，大家的反應大概就是燃料電池汽車了。不過，目前世界上對氫氣應用最多的并不是燃料電池，而是工業用氫；迄今為止，燃料電池應用最多的也不是汽車，而是燃料電池分布式熱電聯供系統。
 

燃料電池熱電聯供

燃料電池熱電聯供，是利用燃料電池發電技術同時向用戶供給電能和熱能的生產方式。用燃料電池運行過程中產生的余熱供熱，可提高能源的利用效率，而且減少二氧化碳和其他有害氣體的排放。

這一概念是根據燃料電池的工作原理來定義的。在我國，根據熱電聯供的應用場景將燃料電池熱電聯供稱為燃料電池分布式能源。

我們都知道，在交通運輸領域，燃料電池發電過程中有較大的能量損失就是熱量，電池的能量轉換率為40%，為了降低燃料電池運行過程中的溫度，還需要配上水冷或空冷系統。而熱電聯供則是將這一部分能量收集起來，使得氫氣能源轉換效率達到80%以上。與傳統的火力發電輸電相比，總效率提高2倍左右。

圖1 PEMFC 產品參數范圍

資料來源：于蓬等《氫燃料電池熱電聯供系統的關鍵問題研究》（2020年）。

圖2 SOFC 產品參數范圍

資料來源：于蓬等《氫燃料電池熱電聯供系統的關鍵問題研究》（2020年）。

熱電聯供的系統構成分為四個部分：（1）氫源發生器，根據不同的燃料電池技術路線有天然氣重整制氫、電解水制氫、直接接入純氫；（2）發電裝置，即燃料電池系統是將氫氣轉化為電的裝置；（3）電力電子，將燃料電池發電的直流電轉換為應用端的交流電；（4）余熱儲存系統，將氫氣發生器和燃料電池發電過程中產生的熱量收集起來，用于熱水供應。

圖3 分布式燃料電池系統

資料來源：鏵德氫能

其中，燃料電池有多種技術路線，如：質子交換膜燃料電池（PEMFC)、固體氧化物燃料電池（SOFC)、堿性燃料電池（AFC)、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC)、碳酸鹽燃料電池（PAFC)等多種技術路線。在分布式燃料電池領域目前部署數量比較多的是SOFC和PEMFC。

表1 燃料電池類型及工作原理

電池中國網：《固體氧化物燃料電池 (SOFC) 產業化發展現狀》

日韓和歐洲是燃料電池熱電聯供的積極推動者

（1）日本ENE?FARM項目

日本對于家用燃料電池的興趣可以追溯到1999年，其千禧年項目就包括對于PEFC研究的支持。

2003年5月28日，松下電器發布他們準備在2005年批量上市的一個產品，提高發電效率和耐久性家庭燃料電池。EMS系統一年能節約5萬日元光熱費，耐久性是10年。

同期，三菱重工發布已經成功開發出用都市煤氣，也是管道煤氣與天然氣作為燃料，世界小的家庭燃料電池。這也是一千瓦，當時設計為80升，容積非常小。這個效率是36%，2003年批量上市銷售。它的特點是綜合效率是87%，除了發電以外還有熱能的效率，就是提供熱水。

日本政府于2005年開始了一個大型家用燃料電池示范項目——日本的能源農場（Ene-farm）計劃，2005-2009年驗證和試點期間，累計銷售分布式燃料電池系統近5000套，將系統購置成本從2005年的800萬日元降低到2009年的350萬日元，降幅高達56.25%。‘

2010-2020年為產品的推廣與普及期，日本政府從2010年開始對于安裝燃料電池系統的家庭提供140萬日元或制造成本一半的補貼。

2015年由松下、東芝等企業推出的新一代家用燃料電池系統售價已經低至約150萬日元，較2005年和2009年價格分別下降了81.25%和57.14%，其熱電系統效率更是由最初的70%，提升至95%。同時，政府補貼額度也降低至50-60萬日元。隨著規模的增長，燃料電池成本大幅下降，到2019年，日本熱電聯供已經*實現了平價銷售，實現了商業化，并出口歐洲市場。

圖4 日本Ene-farm計劃補貼變遷

資料來源：《松下放大招：氫能源入戶，熱水器危險了》

根據家庭對熱水的需求，設計700W的額定輸出功率， 預計到2030年安裝530萬套 ，約占日本家庭的10%，發電效率達到40%左右，而發熱效率在50%左右。此系統可為日本每一戶家庭每年節省2600元人民幣左右的電費燃氣費用。截至目前，日本燃料電池熱電聯供系統累計銷售超過40萬套，僅松下一家就超過了20萬套。

圖5 日本熱電聯供銷售情況

資料來源：科杰內基金會

（2）歐洲Ene-field與PACE計劃

歐洲的ene.field工程基于歐盟成員國普通家庭的需求，2012年，歐盟實施Ene-field項目，項目包含歐盟12個成員國、9家燃料電池系統制造商，項目投資5300萬歐元，研發了數十款SOFC及PEMFC熱電聯供系統。在2012~2017年累計安裝1046臺系統，其中包括300W-5 kW的PEM和SOFC的mCHP系統。

PACE項目以ene.field的成功為基礎，歐洲計劃2016-2021年期間部署超過 2800套CHP。

示范項目推廣基于氫燃料電池的熱電聯產系統，目前已經部署了大約10000套燃料電池微型熱電聯產裝置。

歐洲四大燃料電池熱電聯產企業Bosch、SOLIDpower、Vaillant和Viessmann產能超1000套/年。

根據歐盟《氫能路線圖》，預計到2040年歐盟將部署超過250萬套燃料電池熱電聯供裝置，可節省電網電量15太瓦時，除供電外氫能能滿足所有商用建筑以及1100萬戶家庭的供暖需求。

在德國，政府通過的kfW433法案，對滿足性能要求的燃料電池熱電聯供裝置進行補貼，并要求燃料電池系統總效率高于82%，發電效率高于32%，使用壽命達到10年。Callux項目在2008~2012年間建成了350個家用燃料電池熱電聯供系統，支持1500套250W-1.5 kW的裝置， 每年為7.5萬套裝置提供補助。

（3）韓國熱電聯產納入RPS方案

RPS方案是強制發電公司在總的發電量中提供一定比例的新能源和可再生能源，于2012年在韓國開始實施。2017年，18家發電公司(裝機量超過500MW)被要求到2023年需提供其發電量10%的新能源與可再生能源。RPS方案的目標每三年更新一次。參與RPS方案的企業能夠獲得綠證(RECs)，這其中包括了部分燃料電池企業。

2018年，韓國燃料電池熱電聯供系統裝機容量達到7MW，2019年增加4MW。在2020年上半年的448kW的裝機中，家用和建筑用安裝量分別為28.13%和81.87%。

2019年補貼1875萬韓元/kW（約11萬人民幣），2020年補貼1557.8萬韓元/kW（約9.2萬人民幣）。韓國除了308MW的大型燃料電池發電外，還有7MW的燃料電池為3167個家庭/建筑物供電（2020年8月《氫燃料電池熱電聯供系統的關鍵問題研究》）。

與現代汽車擁有燃料電池核心技術不同的是，韓國分布式燃料電池技術主要來自美國加州，其中碳酸鹽燃料電池（PAFC）和熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）占主導地位。今年7月，Bloom Energy又為韓國結合熱力和電力的儲能項目提供固體氧化物燃料電池(SOFC)。

斗山是韓國實施分布式燃料電池工程的本土企業，負責斗山集團住宅和小型建筑的 Fuel Cell Power BU自2003年成立以來，已獲得從設計和制造燃料電池核心技術電堆和重整器到系統的方位技術。已形成自主集成和制造 1kW·5kW·10kW建筑/住宅用氫燃料電池產品的能力，并可根據需求開發 1kW~100kW氫系統等PEMFC產品。

近日，斗山集團宣布，已完成使用在住宅和小型建筑的10kW級SOFC的開發，產品的發電效率對比現有的PEMFC產品發電效率高出40%以上。但產品尺寸與市場上現有的5kW以下的SOFC產品相近，在保持發電效率不變的情況下，可節省約50%以上的安裝空間。預計該產品量產，定于2022年上市。

韓國2022年和2040年的計劃分別實現50MW和2.1GW的目標，安裝量達到94萬戶，是目前安裝量的200倍。

圖6 韓國分布式燃料電池發展計劃

資料來源：鏵德氫能

（4）美國的SGIP計劃

美國的新能源主要是集中在加州推廣，2001年啟動的自發電激勵計劃(Self-Generation Incentive Program，SGIP)是美國歷時最長且最成功的分布式發電激勵政策之一。該計劃用于鼓勵用戶側分布式發電，包括風電、燃料電池、內燃機、光伏等多個技術類型。自2011年起，儲能被納入SGIP的支持范圍，儲能系統可獲得2美元/W的補貼支持。

美國是最早研發分布式燃料電池的國家，主要燃料電池企業Bloom Energy主導， 其根源可以追溯到亞利桑那大學為美國航天局火星太空計劃的一部分工作。KR Sridhar博士和他的團隊被指派負責研究和制造可以在火星上維持生命的技術。他們建立了可以由電力產生空氣和燃料，或從空氣和燃料產生電力的裝置。他們很快意識到，他們用于火星的技術可以在地球上產生更大的影響。

2001年，他們的火星項目結束后，他們決定繼續研究，并開辦一家公司，Bloom Energy 由此成立，其使命是使清潔、可靠的能源為地球上每個人都負擔得起。

2002年獲得投資人John Doerr 和Kleiner Perkins的股權投資。當時，清潔技術“Clean Tech”甚至還不是一個真正的單詞。

Bloom Energy的業務主要是美國和韓國市場。美國的另一家燃料電池企業是成立于1969年的燃料電池能源公司（FCE），兩家都是上市公司，都是韓國分布式能源技術的重要供應商。

美國的分布式能源政策主要體現在減免部分投資稅、縮短資產折舊年限、簡化經營許可程序、項目并網，調動項目投資的積極性。

氫氣作為燃料的分布式能源系統不僅局限于燃料電池，上周，工程機械企業卡特彼勒宣布，2021年第四季度開始提供專門設計可使用 氫氣作為燃料的Cat G3516H燃氣內燃機發電機組。初始階段，Cat G3516H 氫氣發電機組將在北美和歐洲地區作為實驗產品提供，并于2022 年底交付，其額定功率為1250kW，適用于50或60Hz連續、主用和負載管理應用工況。

卡特彼勒還稱，今年晚些時候將在北美和歐洲商用市場開始陸續推出Cat CG132B、CG170B、G3500H、G3500 及 CG260 燃氣發電機組，這些型號發電機組可使用摻入高達25%氫氣的天然氣作為燃料，用于連續、主用和負載管理應用工況。

此外，公司將提供升級改裝套件，為在同款發動機平臺基礎上組裝的發電機組提供高達25%的氫氣混合能力。2022 年第四季度將開始生產新的可使用25%氫氣作為燃料的燃氣發電機組和改裝套件。

總體來看，目前推動分布式發電最積極的國家是日本、歐洲、韓國，而美國則是重要的技術來源。分布式燃料電池分為兩類：一類是功率達到在100kW和兆瓦（MW）級的大功率發電系統，技術路線包括了MCFC、SOFC、PEMFC、AFC、PAFC等，主要用于分布式發電工程、充電裝置、工業、醫院等分布式發電、臨時電源或可再生能源調峰。

表2 國外千瓦和兆瓦級分布式發電代表企業

資料來源：根據公開資料整理

另一類以歐洲inhouse和日本松下為代表的千瓦級以下的小功率發電系統，主要用于家庭熱電聯供，主要是PEMFC和SOFC。

表3 國外千瓦級以下熱電聯供代表企業

資料來源：鏵德氫能

我們觀察到分布式燃料電池氫氣來源比較多樣化，除了東芝100kWPEMFC使用的純氫燃料外，其他都是通過天然氣、液化石油氣、或沼氣重整產生氫氣，然后通過燃料電池供應電力和熱力。

中國氫能分布式能源

我國分布式能源是企業的投入早于政策規劃，就像大連化物所是我國PEM燃料電池的研究機構并創立了燃料電池企業新源動力，中國科學院寧波材料技術與工程研究所（NIMTE）則承擔了固體氧化物燃料電池、碳纖維及其復合材料、石墨烯、海洋材料等領域國家研究課題，并產出了一批重大成果。2006年就開始研究固體氧化物燃料電池，并培養了一批專家型人才。

中國科學院上海硅酸鹽研究所自主研發的1kW固體氧化物燃料電池(SOFC)系統2013年就成功發電。

如寧波索福人能源技術有限公司和上海SICCAS高科技公司的團隊就來自這兩家科研機構。此外，蘇州華清京昆新能源科技有限公司和武漢華科福賽新能源有限責任公司的技術分別來自清華大學和華中科技大學。

目前，除了來自科研機構的研發團隊成立的創業型企業以外，國內分布式燃料電池企業也有中央企業如中廣核、東方電氣、華能集團，傳統能源公司如新奧集團、晉煤集團、濰柴動力，也有海歸科學家創業團隊佛山索弗克氫能源有限公司、徐州銘寰能源有限公司等。

而從技術來源來看，除自主研發外，也有如濰柴動力、鏵德氫能、潮州三環等企業通過收購兼并或引進國外技術實施產業化推廣的企業。

表4 國內分布式燃料電池代表企業

資料來源：根據公開資料整理

與國外已經實施量產的進度比較，我國分布式燃料電池系統目前尚處于研發和工程驗證階段。

中國科學院上海硅酸鹽研究所燃料電池材料與系統研究課題組成功研制出5kW固體氧化物燃料電池（SOFC）系統，并實現演示運行。該5kW級SOFC獨立發電系統使用了190片20

x20cm2單體電池，以液化天然氣為燃料，輸出功率為4.77 kW，發電效率為36.5％，熱電聯供綜合能量利用率達74.6％。

今年5月18日，東方電氣（成都）氫燃料電池科技有限公司自主研制的100kW級商用氫燃料電池冷熱電聯供系統正式發運交付。

該項目由東方氫能、東方鍋爐與華電集團四川分公司三方聯手打造，東方氫能主要承擔燃料電池熱電聯供部分研制工作。系統發電效率大于52%，熱電聯供總效率超過90%，支持離網并網、孤島運行和黑啟動，同時對外提供65℃熱水。

2019年，上海舜華新能源系統有限公司全資子公司上海舜卓能源科技有限公司燃料電池熱電聯供項目在上海市某別墅內調試啟動成功。系統通過天然氣重整制氫、燃料電池發電以及對燃料電池余熱進行回收利用，最終向用戶供應日常用電和生活熱水。報道稱，系統安裝后可滿足用戶基礎生活用電和一家4-5人洗浴熱水需求，系統綜合能源利用效率高達95%。

不過，由于國內氫能基礎建設和燃料電池性能、成本目前都還不具備規模化推廣的條件，這個產業的發展還需要政策的培育。

從政策層面來看，分布式能源正在被越來越多的地區納入氫能規劃項目，目前全國24個省市累計支持氫能產業政策超過100個，其中提到氫能分布式能源的有37個，今年8月統計下來35-36%比例提到分布式能源供電系統，而去年7月這一比例只有10%多一點。

與日本、歐洲專門針對熱電聯供的ENE?FARM、Ene-field與PACE等計劃不同，國內目前還沒有一項類似鼓勵分布式燃料電池產業化的特別政策，不過地方政府提出了一些目標，其中，華東和華北政策支持力度比較大，分別有16個和10個氫能政策支持分布式能源，目前北京、佛山、四川氫能規劃明確了分布式的裝機量：

2025年前北京分布式能源系統裝機規模10MW以上；2025年和2030年佛山市分布式能源系統裝機規模分別實現2MW和10MW；四川省提出，到2025年實現熱電聯供（含氫能發電和分布式能源）、軌道交通、無人機等領域示范應用，建設氫能分布式能源站和備用電源項目5 座。

今年4月，科技部與山東省政府就“氫進萬家”科技示范工程將對家用熱電聯產產生直接影響。

“氫進萬家”科技示范工程，瞄準在工業園區、社區樓宇和交通移動用能、港口、高速等多個場景開展氫能利用示范，其中包括建設一條氫能高速、二個氫能港口、三個科普基地、四個氫能園區、五個氫能社區等，明確要推行樓宇用熱電聯供。

圖7 “氫進萬家”示意圖

全球市場廣闊，中國可望進入產業化

燃料電池分布式能源以其氫氣來源多樣、環保、能量高效得到了快速發展，成為全球燃料電池和氫能發展最快的板塊。全球燃料電池分布式能源市場2013年、2015年、2017年分別為215MW、299MW、670MW，年復合增長率33%，日本富士經濟2018年預測，2030年、2050年全球將達到25.4GW和95GW，復合增長率7-9%。

圖8 全球燃料電池分布式市場及預測

資料來源：鏵德氫能

目前，在我查閱的資料中還沒有燃料電池分布式與傳統電力系統+燃氣輪機的經濟性系統比較，更沒有家用熱電聯供的經濟性系統比較，但通過比較世界主要經濟的電價，我們發現目前發展燃料電池分布式電站和家用熱電聯產最積極的國家主要是電價比較貴的日本和歐洲。而且日本因為地震多發需要備用電源，所以，家用熱電聯產推廣比較順利。

而在電價相對比較便宜的國家中，美國和韓國也并沒有放棄分布式。不過，韓國的家用熱電聯供安裝量的比例遠遠低于公共建筑。

圖9 世界主要經濟體電價

資料來源：能源網

從能效來看，電網電力和傳統熱能鍋爐的組合通常提供不到50%的能效，但燃料電池分布式綜合能效可以達到80%，近期我國東方電氣熱電聯供項目和美國卡特彼勒的CHP系統可以提供高達90%或更高的總能效。

成功的日本無論從購置成本（2019年實現平價銷售）還是在使用成本（每年節省費用約2600元人民幣）都已經證明了分布式能源兼有環保和經濟性。隨著燃料電池技術的進步，這一技術可能會得到普及，所以，日本、歐洲和韓國都制定了比較宏偉的目標。

我國電網比較穩定，民用電價也不高，濰柴新能源門軍輝認為，國外熱電聯供的成功主要還是因為電價貴，目前國內熱電聯供的場景不是一個好的突破口，隨著光伏、風電等新能源發電的比例提高，可再生能源發電的消納問題就會更突出，伴隨著氫儲能的增加和氫氣供應的普及，會對燃料電池熱電聯供產生促進作用。目前這一技術更適合在別墅、島嶼等場景的推廣。

佛山環境與能源研究院副院長王子緣認為，從地方資源稟賦和經濟性來看，目前我國分布式燃料電池從購置成本和使用成本上都沒有吸引力，但我國能源趨勢正在朝著清潔化、多元化、智慧化、去中心化”四化“方向發展，其中”去中心化“是以分布式從根源上逐步解決能源結構嚴重不平衡的問題，西部地區沒有特高壓和天然氣，有一些網絡孤島，可以用可再生能源和分布式相結合來解決。

王子緣說，燃料電池分布式是傳統電力結構的有益補充而不是競爭關系，再比如在一些特定的場合，有些工業用戶，需要大量的電和熱，在天然氣價格居高不下的情況下，采用分布式燃料電池也可能是未來替代“電+燃氣輪機”的一條路徑。

阮紅權 、陸丁劼 、李永田通過對比中外熱電聯供的分析（《公共建筑燃料電池熱電聯供前景分析》）認為：“在我國采用固定式燃料電池熱電聯供將是一種可選方案，可以獲得比家用熱電聯供更佳的經濟效益。公共建筑燃料電池熱電聯供的推廣主要受限于設備成本及燃料使用成本，隨著氫產業鏈的快速發展，有望在氣源有保障的地區得到示范。”

而且，分布式熱電聯供是一個市場，中國燃料電池配套環境比較好，除國內市場的預期以外，國際市場的高成長也將為相關企業的產業化提供市場條件。

作者 ：鄭賢玲

來源：產業觀察者  侵刪