固体氧化物燃料电池与家用热电联供经济性

金文龙, 姜 鑫

(北京市燃气集团研究院， 北京 100011)

1 概述

传统热机发电涉及化学能到热能、到机械能，最终到电能的过程，发电效率为35%～45%。燃料电池作为一种直接将化学能转化为电能的装置，发电效率明显提高，一次发电效率可达45%～60%。因减少了化石能源的燃烧过程，粉尘、NOx等污染物排放得到有效抑制[1]。燃料电池技术被认为是21世纪新型环保高效的发电技术之一。

本文介绍固体氧化物燃料电池在美国、日本、德国、中国的研究进展，对家用固体氧化物燃料电池热电联供系统在日本、中国应用的经性进行计算分析。

2 研究与应用进展

根据采用的电解质不同，燃料电池可分为碱性燃料电池、磷酸盐燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池等类型[2]。SOFC具有全固态电池结构，避免液态电解质带来的腐蚀和电解液流失，燃料适应性广，电流密度和功率密度高，余热品质高，不需要贵金属催化剂，非常适用于分布式发电、热电联供系统以及作为汽车、船舶等交通工具的动力电源，是一种具有很高应用前景的燃料电池，因此受到了世界各国的广泛关注。

① 美国

美国是最早从事SOFC技术研究的国家。1987年，西屋电气公司在日本东京燃气公司、大阪燃气公司安装了3 kW级列管式SOFC发电组，系统的成功运行标志着SOFC技术从实验研究向商业化迈进。1995年以来，美国能源部(DOE)已累计资助7.5×108美元开展SOFC研发，用于提高系统发电效率、延长寿命和降低成本[3]。2020年5月，DOE化石能源办公室宣布提供3 000×104美元联邦资金用于支持“小型固体氧化物燃料电池(SOFC)系统和复合能源系统”研发项目，进一步提高小规模SOFC发电系统的发电效率、降低成本、提高效益，使其达到商业化应用水平。

Bloom Energy公司是目前公认的SOFC领域技术力量最强、运作最成功的公司。采用的电解质支撑电池技术，前期经过西屋公司多年的研发，技术相对成熟，寿命、可靠性较好，但成本相对较高。Bloom Energy公司开发的SOFC发电系统规格在100～250 kW，主要发展方向为长寿命、低衰减及大功率。产品目前已应用在包括苹果、谷歌、易趣、AT&T、NTT在内的数据中心，以及办公楼、银行、医院。

② 日本

日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)于2011年开发出全球首个商业化的SOFC热电联供系统(Ene-Farm type S)。该系统由发电单元和利用废热的热水供暖单元组成，在作为家用基础电源的同时，还可以利用废热制备热水，用于提供生活热水、供暖。截至2019年，日本已累计推广家用SOFC热电联供系统约8.1×104套。发电效率和设计寿命分别提升至55%和12 a，而系统(额定发电功率700 W)成本由2011年的244×104日元(约合人民币15.76×104元)降低至112×104日元(约合人民币7.23×104元)。根据《日本氢能与燃料电池发展路线图》规划：到2020年，额定发电功率700 W的SOFC热电联供系统成本将降低至100×104日元(约合人民币6.46×104元)，投资回收期缩短至7～8 a。到2030年，将投资回收期缩短至5 a。除家用热电联供外，路线图同样对SOFC发电应用提出规划：到2025年，实现发电效率55%，系统寿命13×104h，系统成本30×104～50×104日元/kW[4]。

爱信精机是日本最主要的SOFC家用热电联供系统供应商，该公司的Ene Farm Type S系统以城镇燃气或液化石油气为原料气，最大发电功率可达700 W，系统发电效率达到55%，综合效率达到87%，寿命可达12 a。三菱日立于2015年开始在九州大学进行250 kW级SOFC发电系统的示范应用，并于2016年9月在NEDO的支持下在东京燃气公司千住技术站进行了集成了SOFC和微型燃气轮机的加压混合动力发电系统的示范测试。日产汽车于2016年宣布推出全球首辆基于生物乙醇燃料的以SOFC为动力的原型车。该原型车以乙醇为原料，通过重整器从燃料中转化的氢和大气中的氧气，随后的电化学反应产生电能为车辆提供动力，车辆续航里程超过600 km。

③ 德国

为解决日益突出的环境和能源问题，德国政府于2006年提出氢能和燃料电池技术国家创新计划(NIP)，并在之后的10 a间提供了总计14×108欧元的财政补贴用于氢能和燃料电池的技术研发。其中，24%的补贴资金用于支持基于质子交换膜燃料电池(PEMFC)、SOFC技术的微型热电联供系统(一般用于家用)，并最终实现800套家用热电联供系统的推广应用[5]。德国政府通过德国复兴信贷银行发起节能能源计划(kfw433)，自2016年底为0.25～5.00 kW发电功率范围的燃料电池热电联供系统提供6 825～28 200 欧元的补贴，其中5 700 欧元属于基础补贴资金，每100 W额外补贴450 欧元。此外，德国联邦经济与出口管制局(BAFA)、北莱茵-威斯特法伦州和黑森州等政府机构也为燃料电池微型热电联供系统的推广提供了资金补贴。

博世长期从事燃料电池微型热电联供的研究。早在2002年，博世就在开发质子交换膜燃料电池。2004年起，与德国莱茵集团(RWE)合作参与Ene. field示范项目，该项目将11个成熟的欧洲独立燃料电池微型热电联供系统制造商聚集到一个分析框架中，对燃料电池微型热电联供系统进行试验，现已在欧洲10个主要国家布置超过1 000套燃料电池家用热电联供系统，标志着该技术逐步走向商业化。2012年，博世与日本爱信精机合作开发了一种基于京瓷SOFC微型热电联供系统。2016年，博世旗下Buderus和Junkers品牌的SOFC微型热电联供系统(Logapower FC10、Cerapower FC10)开始批量生产，发电效率为45%，综合效率为85%，额定发电功率为700 W，价格(2×104～3×104欧元)比较高。

④ 中国

与国外相比，我国SOFC发展滞后，无论政策层面还是资金投入力度远不及国外。与PEMFC不同，国外的SOFC技术对我国处于封锁状态，迫使我国只能走自主研发道路。从2007年开始，我国开展SOFC关键材料的基础研究，突破了多项核心关键技术，打通了关键材料-核心元件-电堆集成-系统搭建的技术路线。2019年8月，国内首条SOFC生产线顺利投产，具备全产业链自主知识产权，是在氢能产业领域自主创新的重大突破，但仍达不到商业化的要求。

国内最早开展SOFC研发生产的企业是潮州三环(集团)股份有限公司，主要产品为SOFC电解质隔膜、单电池，同时具备电堆量产能力。目前，潮洲三环成为全球最大的SOFC电解质隔膜供应商，欧洲市场上最大的SOFC单电池供应商。苏州华清公司基于“材料-电池-模块-系统”全产业链攻关成果，发展了kW级SOFC集成和健康管控技术，并于山西、上海等地实现了多场景示范运行，首套1 kW级别SOFC热电联供系统标准产品于2020年7月正式下线，发电效率为40%～45%，综合效率为79%～85%。新奥股份公司于2019年12月成功测试了国内首套自主设计研发的6 kW级别SOFC发电实验系统，并实现连续稳定运行，发电效率达到60%以上。

3 家用SOFC热电联供系统经济性

3.1 家用SOFC热电联供系统的流程和参数

日本家用SOFC热电联供系统已在政府专项资金的支持下实现经济化推广应用，我国尚无产业化SOFC产品，装置本和关键技术参数也未公布。因此，本文以日本大阪燃气公司Ene Farm Type S 192-AS11型产品为基础开展经济性测算。系统流程见图1，系统参数见表1[6]。

表1 家用SOFC热电联供系统参数

图1 家用SOFC热电联供系统流程

3.2 经济性

① 日本

蒙浩等人[7]针对日本关西地区4口之家的独栋

住户，分析了家用SOFC热电联供系统的经济性。研究发现，在年热量需求与电力需求一定的前提下，燃气暖风机供暖消耗天然气732 m3/a，电网购电量为5 389 kW·h/a，年运行费用合计26.8×104日元/a(约合人民币1.73×104元/a)。若采用SOFC热电联供系统，则消耗天然气1 343 m3/a，电网购电量为1 171 kW·h/a，年运行费用合计14.7×104日元/a(约合人民币0.95×104元/a)。

若SOFC热电联供系统的发电功率24 h稳定在700 W，将富余电量上网，可进一步降低运行费用。此时，消耗天然气1 546 m3/a，电网购电量为911 kW·h/a，出售电量1 425 kW·h/a，年运行费用合计14.0×104日元/a(约合人民币0.9×104元/a)。由此可知，使用SOFC热电联供系统每年最多可降低运行费用12.8×104日元，按系统成本在2021年降低至100×104日元测算，静态差额投资回收期为7.8 a[7]。

② 中国

以北京城市居民家庭为例，计算分析SOFC热电联供系统在中国应用的经济性。根据《北京市统计年鉴—2020》，2019年北京城市居民生活日用电量为6 893.1×104kW·h/d，日用水量为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，户均年用电量为3 777.34 kW·h/a，户均年生活用水量为180.23 m3/a。自来水年平均温度取15 ℃，按加热至40 ℃考虑，生活热水量按生活用水量的40%考虑，可测算得到户均年生活热水负荷为7 544.43 MJ/a。

供能方式：常规供能方式：市电供电，燃气热水器制备生活热水。热电联供方式：SOFC热电联供系统替代部分市电供电，并制备部分生活热水，电力、生活热水不足部分分别由市电网、燃气热水器承担。

常规供能方式：市电年供电量为3 777.34 kW·h/a。燃气热水器热效率取90%，天然气低热值取34.47 MJ/m3。可推算得到燃气热水器的年耗气量为243.193/a。月用电量240 kW·h以内为北京第1档电价0.49 元/(kW·h)，月用电量241～400 kW·h的电价取第2档电价0.54 元/(kW·h)，天然气价格取2.63 元/m3。由此可计算得到，常规供能方式的年运行费用为2 535.35 元/a。

热电联供方式：受系统功率限制，SOFC热电联供系统提供75%的电力，即年供电为2 833.0 kW·h/a，SOFC热电联供系统发电效率取55%,综合效率取87%。可测算得到，SOFC热电联供系统耗热量为18 543.27 MJ/a，进而得到年耗气量为537.95 m3/a，年天然气费用为1 414.81 元/a。SOFC热电联供系统热水供热量为5 933.85 MJ/a，不足部分(1 610.58 MJ/a)由燃气热水器承担，年耗气量为51.92 m3/a，年天然气费用为136.55 元/a。不足电量(944.34 kW·h/a)由市电网承担，电价取北京第1档电价0.49 元/(kW·h)，年电费为462.73 元/a。由以上数据，可测算得到热电联供方式的年运行费用为2 014.09 元/a。

由以上数据，可计算得到热电联供方式的年运行费用比常规供能方式减少521.26 元/a。在SOFC热电联供系统造价为9.24×104元的前提下，静态差额投资回收期高于装置寿命(10 a)，这说明现阶段SOFC热电联供系统在中国应用的经济性不理想。

4 结论

根据文献介绍，固体氧化物燃料电池热电联供系统在日本应用的经济性比较理想，与日本家用常规供能方式(燃气暖风机供暖，电网供电)相比，固体氧化物燃料电池热电联供系统年运行费用可降低12.8×104日元/a，固体氧化物燃料电池热电联供系统造价按100×104日元测算，静态差额投资回收期为7.8 a。

根据测算结果，与中国家用常规供能方式(燃气热水器供生活热水，电网供电)相比，固体氧化物燃料电池热电联供系统年运行费用可降低521.26 元/a。在固体氧化物燃料电池热电联供系统造价为9.24×104元的前提下，静态差额投资回收期高于装置寿命(10 a)，现阶段固体氧化物燃料电池热电联供系统在中国应用的经济性不理想。