固體氧化物燃料電池與家用熱電聯供經濟性

金文龍, 姜 鑫

(北京市燃氣集團研究院， 北京 100011)

1 概述

傳統熱機發電涉及化學能到熱能、到機械能，最終到電能的過程，發電效率為35%～45%。燃料電池作為一種直接將化學能轉化為電能的裝置，發電效率明顯提高，一次發電效率可達45%～60%。因減少了化石能源的燃燒過程，粉塵、NOx等污染物排放得到有效抑制[1]。燃料電池技術被認為是21世紀新型環保高效的發電技術之一。

本文介紹固體氧化物燃料電池在美國、日本、德國、中國的研究進展，對家用固體氧化物燃料電池熱電聯供系統在日本、中國應用的經性進行計算分析。

2 研究與應用進展

根據采用的電解質不同，燃料電池可分為堿性燃料電池、磷酸鹽燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池(SOFC)、質子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池等類型[2]。SOFC具有全固態電池結構，避免液態電解質帶來的腐蝕和電解液流失，燃料適應性廣，電流密度和功率密度高，余熱品質高，不需要貴金屬催化劑，非常適用于分布式發電、熱電聯供系統以及作為汽車、船舶等交通工具的動力電源，是一種具有很高應用前景的燃料電池，因此受到了世界各國的廣泛關注。

① 美國

美國是最早從事SOFC技術研究的國家。1987年，西屋電氣公司在日本東京燃氣公司、大阪燃氣公司安裝了3 kW級列管式SOFC發電組，系統的成功運行標志著SOFC技術從實驗研究向商業化邁進。1995年以來，美國能源部(DOE)已累計資助7.5×108美元開展SOFC研發，用于提高系統發電效率、延長壽命和降低成本[3]。2020年5月，DOE化石能源辦公室宣布提供3 000×104美元聯邦資金用于支持“小型固體氧化物燃料電池(SOFC)系統和復合能源系統”研發項目，進一步提高小規模SOFC發電系統的發電效率、降低成本、提高效益，使其達到商業化應用水平。

Bloom Energy公司是目前公認的SOFC領域技術力量最強、運作最成功的公司。采用的電解質支撐電池技術，前期經過西屋公司多年的研發，技術相對成熟，壽命、可靠性較好，但成本相對較高。Bloom Energy公司開發的SOFC發電系統規格在100～250 kW，主要發展方向為長壽命、低衰減及大功率。產品目前已應用在包括蘋果、谷歌、易趣、AT&T、NTT在內的數據中心，以及辦公樓、銀行、醫院。

② 日本

日本新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)于2011年開發出全球首個商業化的SOFC熱電聯供系統(Ene-Farm type S)。該系統由發電單元和利用廢熱的熱水供暖單元組成，在作為家用基礎電源的同時，還可以利用廢熱制備熱水，用于提供生活熱水、供暖。截至2019年，日本已累計推廣家用SOFC熱電聯供系統約8.1×104套。發電效率和設計壽命分別提升至55%和12 a，而系統(額定發電功率700 W)成本由2011年的244×104日元(約合人民幣15.76×104元)降低至112×104日元(約合人民幣7.23×104元)。根據《日本氫能與燃料電池發展路線圖》規劃：到2020年，額定發電功率700 W的SOFC熱電聯供系統成本將降低至100×104日元(約合人民幣6.46×104元)，投資回收期縮短至7～8 a。到2030年，將投資回收期縮短至5 a。除家用熱電聯供外，路線圖同樣對SOFC發電應用提出規劃：到2025年，實現發電效率55%，系統壽命13×104h，系統成本30×104～50×104日元/kW[4]。

愛信精機是日本最主要的SOFC家用熱電聯供系統供應商，該公司的Ene Farm Type S系統以城鎮燃氣或液化石油氣為原料氣，最大發電功率可達700 W，系統發電效率達到55%，綜合效率達到87%，壽命可達12 a。三菱日立于2015年開始在九州大學進行250 kW級SOFC發電系統的示范應用，并于2016年9月在NEDO的支持下在東京燃氣公司千住技術站進行了集成了SOFC和微型燃氣輪機的加壓混合動力發電系統的示范測試。日產汽車于2016年宣布推出全球首輛基于生物乙醇燃料的以SOFC為動力的原型車。該原型車以乙醇為原料，通過重整器從燃料中轉化的氫和大氣中的氧氣，隨后的電化學反應產生電能為車輛提供動力，車輛續航里程超過600 km。

③ 德國

為解決日益突出的環境和能源問題，德國政府于2006年提出氫能和燃料電池技術國家創新計劃(NIP)，并在之后的10 a間提供了總計14×108歐元的財政補貼用于氫能和燃料電池的技術研發。其中，24%的補貼資金用于支持基于質子交換膜燃料電池(PEMFC)、SOFC技術的微型熱電聯供系統(一般用于家用)，并最終實現800套家用熱電聯供系統的推廣應用[5]。德國政府通過德國復興信貸銀行發起節能能源計劃(kfw433)，自2016年底為0.25～5.00 kW發電功率范圍的燃料電池熱電聯供系統提供6 825～28 200 歐元的補貼，其中5 700 歐元屬于基礎補貼資金，每100 W額外補貼450 歐元。此外，德國聯邦經濟與出口管制局(BAFA)、北萊茵-威斯特法倫州和黑森州等政府機構也為燃料電池微型熱電聯供系統的推廣提供了資金補貼。

博世長期從事燃料電池微型熱電聯供的研究。早在2002年，博世就在開發質子交換膜燃料電池。2004年起，與德國萊茵集團(RWE)合作參與Ene. field示范項目，該項目將11個成熟的歐洲獨立燃料電池微型熱電聯供系統制造商聚集到一個分析框架中，對燃料電池微型熱電聯供系統進行試驗，現已在歐洲10個主要國家布置超過1 000套燃料電池家用熱電聯供系統，標志著該技術逐步走向商業化。2012年，博世與日本愛信精機合作開發了一種基于京瓷SOFC微型熱電聯供系統。2016年，博世旗下Buderus和Junkers品牌的SOFC微型熱電聯供系統(Logapower FC10、Cerapower FC10)開始批量生產，發電效率為45%，綜合效率為85%，額定發電功率為700 W，價格(2×104～3×104歐元)比較高。

④ 中國

與國外相比，我國SOFC發展滯后，無論政策層面還是資金投入力度遠不及國外。與PEMFC不同，國外的SOFC技術對我國處于封鎖狀態，迫使我國只能走自主研發道路。從2007年開始，我國開展SOFC關鍵材料的基礎研究，突破了多項核心關鍵技術，打通了關鍵材料-核心元件-電堆集成-系統搭建的技術路線。2019年8月，國內首條SOFC生產線順利投產，具備全產業鏈自主知識產權，是在氫能產業領域自主創新的重大突破，但仍達不到商業化的要求。

國內最早開展SOFC研發生產的企業是潮州三環(集團)股份有限公司，主要產品為SOFC電解質隔膜、單電池，同時具備電堆量產能力。目前，潮洲三環成為全球最大的SOFC電解質隔膜供應商，歐洲市場上最大的SOFC單電池供應商。蘇州華清公司基于“材料-電池-模塊-系統”全產業鏈攻關成果，發展了kW級SOFC集成和健康管控技術，并于山西、上海等地實現了多場景示范運行，首套1 kW級別SOFC熱電聯供系統標準產品于2020年7月正式下線，發電效率為40%～45%，綜合效率為79%～85%。新奧股份公司于2019年12月成功測試了國內首套自主設計研發的6 kW級別SOFC發電實驗系統，并實現連續穩定運行，發電效率達到60%以上。

3 家用SOFC熱電聯供系統經濟性

3.1 家用SOFC熱電聯供系統的流程和參數

日本家用SOFC熱電聯供系統已在政府專項資金的支持下實現經濟化推廣應用，我國尚無產業化SOFC產品，裝置本和關鍵技術參數也未公布。因此，本文以日本大阪燃氣公司Ene Farm Type S 192-AS11型產品為基礎開展經濟性測算。系統流程見圖1，系統參數見表1[6]。

表1 家用SOFC熱電聯供系統參數

圖1 家用SOFC熱電聯供系統流程

3.2 經濟性

① 日本

蒙浩等人[7]針對日本關西地區4口之家的獨棟

住戶，分析了家用SOFC熱電聯供系統的經濟性。研究發現，在年熱量需求與電力需求一定的前提下，燃氣暖風機供暖消耗天然氣732 m3/a，電網購電量為5 389 kW·h/a，年運行費用合計26.8×104日元/a(約合人民幣1.73×104元/a)。若采用SOFC熱電聯供系統，則消耗天然氣1 343 m3/a，電網購電量為1 171 kW·h/a，年運行費用合計14.7×104日元/a(約合人民幣0.95×104元/a)。

若SOFC熱電聯供系統的發電功率24 h穩定在700 W，將富余電量上網，可進一步降低運行費用。此時，消耗天然氣1 546 m3/a，電網購電量為911 kW·h/a，出售電量1 425 kW·h/a，年運行費用合計14.0×104日元/a(約合人民幣0.9×104元/a)。由此可知，使用SOFC熱電聯供系統每年最多可降低運行費用12.8×104日元，按系統成本在2021年降低至100×104日元測算，靜態差額投資回收期為7.8 a[7]。

② 中國

以北京城市居民家庭為例，計算分析SOFC熱電聯供系統在中國應用的經濟性。根據《北京市統計年鑒—2020》，2019年北京城市居民生活日用電量為6 893.1×104kW·h/d，日用水量為328.9×104m3/d，北京城市人口1 865.0×104人，家庭平均人口2.8 人。由此可推算得到，戶均年用電量為3 777.34 kW·h/a，戶均年生活用水量為180.23 m3/a。自來水年平均溫度取15 ℃，按加熱至40 ℃考慮，生活熱水量按生活用水量的40%考慮，可測算得到戶均年生活熱水負荷為7 544.43 MJ/a。

供能方式：常規供能方式：市電供電，燃氣熱水器制備生活熱水。熱電聯供方式：SOFC熱電聯供系統替代部分市電供電，并制備部分生活熱水，電力、生活熱水不足部分分別由市電網、燃氣熱水器承擔。

常規供能方式：市電年供電量為3 777.34 kW·h/a。燃氣熱水器熱效率取90%，天然氣低熱值取34.47 MJ/m3。可推算得到燃氣熱水器的年耗氣量為243.193/a。月用電量240 kW·h以內為北京第1檔電價0.49 元/(kW·h)，月用電量241～400 kW·h的電價取第2檔電價0.54 元/(kW·h)，天然氣價格取2.63 元/m3。由此可計算得到，常規供能方式的年運行費用為2 535.35 元/a。

熱電聯供方式：受系統功率限制，SOFC熱電聯供系統提供75%的電力，即年供電為2 833.0 kW·h/a，SOFC熱電聯供系統發電效率取55%,綜合效率取87%。可測算得到，SOFC熱電聯供系統耗熱量為18 543.27 MJ/a，進而得到年耗氣量為537.95 m3/a，年天然氣費用為1 414.81 元/a。SOFC熱電聯供系統熱水供熱量為5 933.85 MJ/a，不足部分(1 610.58 MJ/a)由燃氣熱水器承擔，年耗氣量為51.92 m3/a，年天然氣費用為136.55 元/a。不足電量(944.34 kW·h/a)由市電網承擔，電價取北京第1檔電價0.49 元/(kW·h)，年電費為462.73 元/a。由以上數據，可測算得到熱電聯供方式的年運行費用為2 014.09 元/a。

由以上數據，可計算得到熱電聯供方式的年運行費用比常規供能方式減少521.26 元/a。在SOFC熱電聯供系統造價為9.24×104元的前提下，靜態差額投資回收期高于裝置壽命(10 a)，這說明現階段SOFC熱電聯供系統在中國應用的經濟性不理想。

4 結論

根據文獻介紹，固體氧化物燃料電池熱電聯供系統在日本應用的經濟性比較理想，與日本家用常規供能方式(燃氣暖風機供暖，電網供電)相比，固體氧化物燃料電池熱電聯供系統年運行費用可降低12.8×104日元/a，固體氧化物燃料電池熱電聯供系統造價按100×104日元測算，靜態差額投資回收期為7.8 a。

根據測算結果，與中國家用常規供能方式(燃氣熱水器供生活熱水，電網供電)相比，固體氧化物燃料電池熱電聯供系統年運行費用可降低521.26 元/a。在固體氧化物燃料電池熱電聯供系統造價為9.24×104元的前提下，靜態差額投資回收期高于裝置壽命(10 a)，現階段固體氧化物燃料電池熱電聯供系統在中國應用的經濟性不理想。