固体氧化物燃料电池(SOFC)产业化现状与前景

 $潍柴动力(SZ000338)$   $三环集团(SZ300408)$  

一、定义 

燃料电池按电解质的类型可分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)五大类。目前市场出货类型以质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池为主。

固体氧化物燃料电池,是一种采用电化学反应发电的装置,无卡诺循环,其效率远高于其他发电设备,主要产物是CO2和水。

二、优势

SOFC具备发电效率高(自身发电效率接近60%,与热气轮机联用效率可达80%以上)、热电联供效率高(余热温度高400°C-600°C、热电联供效率90%以上)、节约水资源(传统发电用水量的2%)、绿色环保、易于模块化组装、燃料选用范围广(可使用天然气、煤制气、生物质气、甲醇等),且不需要贵金属催化剂,适应性强,是一种具有很高应用前景的燃料电池。

三、应用领域

SOFC应用广泛,主要应用在便携式电源、分布式发电/热电联供系统、高性能动力电源、大型发电站等领域。

在分布式及数据中心应用领域,由风险资金成立的Bloom Energy公司,是目前商业化最成功的燃料电池公司,目前已为苹果沃尔玛、谷歌及可口可乐等提供了数千套的SOFC分布式发电系统,截止2019年上半年总共安装了500MW的SOFC发电系统。

在家庭热电联供领域,日本ENE-FARM计划2020年、2030年分别实现家用燃料电池累计装机量达140万套和530万套。

在大型发电领域,三菱重工自从1980s开始研究SOFC大规模发电系统,2018年8月科技部王志刚部长参观实证示范中的250千瓦SOFC系统,截止2019年9月三菱与日立合资的MHPS电力公司已成功研发了10套250kW的SOFC-微气轮机混合动力发电系统。

在交通运输领域,2016年6月,日产汽车基于Ceres power的电池堆技术,发布世界首款SOFC原型车,采用乙醇燃料(30L),配备24千瓦时电池,续航里程600公里。

图 SOFC应用领域

资料来源:中国矿业大学教授,中国工程院院士彭苏萍

目前来看SOFC主要应用于家庭热电联产项目,还无法适用于大型发电站,这与SOFC自身还存在很多缺点有关,如:工作温度高、启动时间长、对材料要求高,密封问题一直存在、部件制造成本高等。

四、技术发展现状

国际上SOFC应用已经较为成熟,但由于SOFC属于耗费人才财力巨大的项目,能真正实现大规模商业化供货的企业也不多。国际知名企业有美国Bloom Energy,英国Ceres Power,爱沙尼亚Elcogen,日本三菱重工和京瓷,韩国有KCERACELL、KOREA SOFC FORUM、HNPOWER等。从年发电量来看,能够达到兆瓦级别的全球SOFC企业不超过10家。

国内SOFC市场应用尚未真正启动,在没有政策扶持、产业链配套发展极不成熟、市场未启动的环境下,企业去投入研发生产需要魄力与勇气。目前国内投入研发及能够实现量产SOFC的企业屈指可数。近年来,国内SOFC企业暗暗发力,潮州三环具备量产能力,徐州华清产线目前在试产中,临近规模化量产。国内还有一家布局SOFC的知名企业是潍柴动力,通过兼并购国际知名SOFC公司展开深度布局。

五、重点企业或项目

1. 美国Bloomenergy公司

美国燃料电池独角兽企业BloomEnergy,成立于2001年,是新型清洁能源创新企业,主要开发固态氧化物燃料电池,以天然气和沼气为燃料。创始人团队曾受美国航天研究局邀请,负责研究和制造可以在火星上进行的生命维持技术,建立可由电力产生空气和燃料,或从空气和燃料产生电力的装置。

产品方面,BloomEnergy燃料电池是一种能有望替代太阳能的新型电力系统,通过氧气和天然气被输入BloomBox里,在燃料电池里经过高温化学反应,生成电能、热量、二氧化碳和水,是一种无污染的电力系统。据称,BloomEnergy的新产品EnergyServer5能够达到65%的效能,功率密度是此前型号的两倍,平均寿命超过5年,为目前行业最高水平。

市场方面,BloomEnergy在加利福尼亚州部署了大部分燃料电池,该州的自发激励计划帮助涵盖了燃料电池的大部分前期成本以及电池、热储能和其他分布式能源资源。2016年,苹果在其位于北卡罗来纳州的数据中心安装了24台“BloomEnergyServer”,并在6个月之后又继续装备了另外26个燃料电池使总容量达到了1000万瓦特。2017年8月,BloomEnergy宣布与数据中心运营商Equinix公司达成37兆瓦的交易,成为迄今为止美国国最大的燃料电池部署项目。

2. 日本家用燃料电池热电联供系统(Ene-Farm)

日本微型热电联产项目Ene-Farm已取得了非常亮眼的成果。截至2019年4月,日本共部署了305,000个商业Ene-Farm装置。松下的基于PEM的燃料电池系统占安装基数的一半左右。另一半则使用丰田子公司——爱信精机Aisin Seiki提供的固体氧化物系统(“Ene-FarmS”)。该系统输出功率700W,发电效率达到了46.5%。

资料来源:搜狐网,氢启未来网分析

Ene-Farm的工作原理可以简单概括为:通过天然气制取氢气,再通过氢气发电来提供家庭用的热能和电能,包括热水、暖气、供电等。这套系统从日本政府大力补贴至今,全社会已经推广应用了近30万套。

随着推广规模的扩大,以及几大厂家的竞争加强,整个系统的成本在快速下降,从最初的800万日元降至了目前的100万日元左右,也就是6-7万元人民币/套。

图 Ene-Farm产量与成本变化

资料来源:搜狐网,氢启未来网分析

3.英国Ceres Power

Ceres Power是一家于英国伦敦证券交易所AIM上市的公司,是新一代、低成本燃料电池技术领导者,其特有的Steel Cell TM技术,源自英国帝国理工学院,已持续研究开发近16年,拥有约50项专利,具有功率密度高、制造成本低等优势。目前,其产品覆盖住宅、数据中心、商业发电和汽车四个应用领域。

Ceres Power长期致力于低成本高性能燃料电池产品开发。Ceres Power开发的Steel Cell TM燃料电池在2017年英国化学工程师协会全球奖颁奖典礼上荣获年度创新产品奖。Ceres Power公司以其先进的固体氧化物燃料电池(SOFC)技术而获得认可,Ceres Power开发的固体氧化物燃料电池可利用天然气以及包含氢气、生物气在内的低碳燃料实现高效率发电。

2018年5月,潍柴动力拟通过认购其部分发行股份的方式,投资4000余万英镑,持有Ceres Power 20%股权。同时,双方将联合于2020年前在中国潍坊成立合资公司,推动实现SOFC技术在中国市场的商业化。Ceres Power将在中国市场独家授权合资公司使用Steel Cell TM技术,产销燃料电池系统、电堆和电池片,应用于客车、卡车和特定发电市场。为促进产业化的进程,潍柴动力与Ceres Power将首期合作,联合开发以CNG为燃料的30kW Steel Cell燃料电池,用于电动客车增程系统,预计2019年上半年完成验证。

4.中国潮州三环

我国最早研发生产SOFC的是潮州三环(集团)股份有限公司(下称“潮州三环”)。公司于2004年开始开展SOFC电解质隔膜开发和生产业务;2012年开始批量生产SOFC单电池;2015年收购澳大利亚CFCL公司,获得其电堆和小功率SOFC系统技术基础;2016年将SOFC专利授权SOLIDpower公司使用,并且为其供应单电池;2017年开始向国内市场推出SOFC电堆。

潮州三环出货量最大的是电解质隔膜、单电池,同时具备电堆量产能力,系统则主要有旗下子公司CFCL在德国的生产基地完成,以1.5kW系统为主。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。

5.中国苏州华清

苏州华清创建于2010年,2018年7月公司签约投建徐州华清固体氧化物燃料电池项目。2019年8月,苏州华清子公司徐州华清京昆能源有限公司固体氧化物燃料电池项目首批20万片单电池片生产线投产试产。

此外,华清、清华大学、中国矿业大学(北京)还联合晋煤集团煤化工研究院共同开发以煤为原料的SOFC整体示范工程。2018年8月2日,晋煤集团煤化工研究院对外宣布,他们建设的全国首个以煤为原料的15kW SOFC项目在晋煤集团天溪煤制油分公司燃料电池实验室打通全流程,实现了煤经气化再通过固体氧化物燃料电池发电的工程示范。

6.中国潍柴动力

国内还有一家布局SOFC的知名企业是潍柴动力。公司于2018年5月以4000余万英镑收购英国知名固体氧化物燃料电池开发商Ceres Power20%股权,并与其携手在中国潍坊成立合资公司,在固态氧化物燃料电池领域展开全面合作。合资公司将使用Ceres Power独有的SteelCell技术,产销燃料电池系统、电堆和电池片,应用于客车、卡车和特定发电市场。

六、未来发展前景

国内SOFC有非常大的应用潜力,比如冬天供暖消耗大量天然气,若采用SOFC热电联共,整体效益会极大提高;国内分布式发电市场比日本大很多,却几乎没有怎么应用SOFC,而日本应用较为广泛。可以说,这是一个被忽视的新兴市场,也是值得政府去大力推动的市场。

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QQNASD01-27 10:33

毕竟还要产生二氧化碳,所以BLOOM才要往氢能上转吧