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一、定義
燃料電池按電解質(zhì)的類型可分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)和質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)五大類。目前市場出貨類型以質(zhì)子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池為主。
固體氧化物燃料電池，是一種采用電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的裝置，無卡諾循環(huán)，其效率遠(yuǎn)高于其他發(fā)電設(shè)備，主要產(chǎn)物是CO2和水。
二、優(yōu)勢
SOFC具備發(fā)電效率高（自身發(fā)電效率接近60%，與熱氣輪機(jī)聯(lián)用效率可達(dá)80%以上）、熱電聯(lián)供效率高（余熱溫度高400°C-600°C、熱電聯(lián)供效率90%以上）、節(jié)約水資源（傳統(tǒng)發(fā)電用水量的2%）、綠色環(huán)保、易于模塊化組裝、燃料選用范圍廣（可使用天然氣、煤制氣、生物質(zhì)氣、甲醇等），且不需要貴金屬催化劑，適應(yīng)性強(qiáng)，是一種具有很高應(yīng)用前景的燃料電池。
三、應(yīng)用領(lǐng)域
SOFC應(yīng)用廣泛，主要應(yīng)用在便攜式電源、分布式發(fā)電/熱電聯(lián)供系統(tǒng)、高性能動(dòng)力電源、大型發(fā)電站等領(lǐng)域。
在分布式及數(shù)據(jù)中心應(yīng)用領(lǐng)域，由風(fēng)險(xiǎn)資金成立的Bloom Energy公司，是目前商業(yè)化最成功的燃料電池公司，目前已為蘋果、沃爾瑪、谷歌及可口可樂等提供了數(shù)千套的SOFC分布式發(fā)電系統(tǒng)，截止2019年上半年總共安裝了500MW的SOFC發(fā)電系統(tǒng)。
在家庭熱電聯(lián)供領(lǐng)域，日本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)140萬套和530萬套。
在大型發(fā)電領(lǐng)域，三菱重工自從1980s開始研究SOFC大規(guī)模發(fā)電系統(tǒng)，2018年8月科技部王志剛部長參觀實(shí)證示范中的250千瓦SOFC系統(tǒng)，截止2019年9月三菱與日立合資的MHPS電力公司已成功研發(fā)了10套250kW的SOFC-微氣輪機(jī)混合動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)。
在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，2016年6月，日產(chǎn)汽車基于Ceres power的電池堆技術(shù)，發(fā)布世界首款SOFC原型車，采用乙醇燃料(30L)，配備24千瓦時(shí)電池，續(xù)航里程600公里。
圖 SOFC應(yīng)用領(lǐng)域
資料來源：中國礦業(yè)大學(xué)教授，中國工程院院士彭蘇萍
目前來看SOFC主要應(yīng)用于家庭熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目，還無法適用于大型發(fā)電站，這與SOFC自身還存在很多缺點(diǎn)有關(guān)，如：工作溫度高、啟動(dòng)時(shí)間長、對材料要求高，密封問題一直存在、部件制造成本高等。
四、技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
國際上SOFC應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，但由于SOFC屬于耗費(fèi)人才財(cái)力巨大的項(xiàng)目，能真正實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化供貨的企業(yè)也不多。國際知名企業(yè)有美國Bloom Energy，英國Ceres Power，愛沙尼亞Elcogen，日本三菱重工和京瓷，韓國有KCERACELL、KOREA SOFC FORUM、HNPOWER等。從年發(fā)電量來看，能夠達(dá)到兆瓦級別的全球SOFC企業(yè)不超過10家。
國內(nèi)SOFC市場應(yīng)用尚未真正啟動(dòng)，在沒有政策扶持、產(chǎn)業(yè)鏈配套發(fā)展極不成熟、市場未啟動(dòng)的環(huán)境下，企業(yè)去投入研發(fā)生產(chǎn)需要魄力與勇氣。目前國內(nèi)投入研發(fā)及能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)SOFC的企業(yè)屈指可數(shù)。近年來，國內(nèi)SOFC企業(yè)暗暗發(fā)力，潮州三環(huán)具備量產(chǎn)能力，徐州華清產(chǎn)線目前在試產(chǎn)中，臨近規(guī)?；慨a(chǎn)。國內(nèi)還有一家布局SOFC的知名企業(yè)是濰柴動(dòng)力，通過兼并購國際知名SOFC公司展開深度布局。
五、重點(diǎn)企業(yè)或項(xiàng)目
1. 美國Bloomenergy公司
美國燃料電池獨(dú)角獸企業(yè)BloomEnergy，成立于2001年，是新型清潔能源創(chuàng)新企業(yè)，主要開發(fā)固態(tài)氧化物燃料電池，以天然氣和沼氣為燃料。創(chuàng)始人團(tuán)隊(duì)曾受美國航天研究局邀請，負(fù)責(zé)研究和制造可以在火星上進(jìn)行的生命維持技術(shù)，建立可由電力產(chǎn)生空氣和燃料，或從空氣和燃料產(chǎn)生電力的裝置。
產(chǎn)品方面，BloomEnergy燃料電池是一種能有望替代太陽能的新型電力系統(tǒng)，通過氧氣和天然氣被輸入BloomBox里，在燃料電池里經(jīng)過高溫化學(xué)反應(yīng)，生成電能、熱量、二氧化碳和水，是一種無污染的電力系統(tǒng)。據(jù)稱，BloomEnergy的新產(chǎn)品EnergyServer5能夠達(dá)到65%的效能，功率密度是此前型號的兩倍，平均壽命超過5年，為目前行業(yè)最高水平。
市場方面，BloomEnergy在加利福尼亞州部署了大部分燃料電池，該州的自發(fā)激勵(lì)計(jì)劃幫助涵蓋了燃料電池的大部分前期成本以及電池、熱儲(chǔ)能和其他分布式能源資源。2016年，蘋果在其位于北卡羅來納州的數(shù)據(jù)中心安裝了24臺“BloomEnergyServer”，并在6個(gè)月之后又繼續(xù)裝備了另外26個(gè)燃料電池使總?cè)萘窟_(dá)到了1000萬瓦特。2017年8月，BloomEnergy宣布與數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商Equinix公司達(dá)成37兆瓦的交易，成為迄今為止美國國最大的燃料電池部署項(xiàng)目。
2. 日本家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)（Ene-Farm）
日本微型熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)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個(gè)商業(yè)Ene-Farm裝置。松下的基于PEM的燃料電池系統(tǒng)占安裝基數(shù)的一半左右。另一半則使用豐田子公司——愛信精機(jī)Aisin Seiki提供的固體氧化物系統(tǒng)(“Ene-FarmS”)。該系統(tǒng)輸出功率700W，發(fā)電效率達(dá)到了46.5%。
資料來源：搜狐網(wǎng)，氫啟未來網(wǎng)分析
Ene-Farm的工作原理可以簡單概括為：通過天然氣制取氫氣，再通過氫氣發(fā)電來提供家庭用的熱能和電能，包括熱水、暖氣、供電等。這套系統(tǒng)從日本政府大力補(bǔ)貼至今，全社會(huì)已經(jīng)推廣應(yīng)用了近30萬套。
隨著推廣規(guī)模的擴(kuò)大，以及幾大廠家的競爭加強(qiáng)，整個(gè)系統(tǒng)的成本在快速下降，從最初的800萬日元降至了目前的100萬日元左右，也就是6-7萬元人民幣/套。
圖 Ene-Farm產(chǎn)量與成本變化
資料來源：搜狐網(wǎng)，氫啟未來網(wǎng)分析
3.英國Ceres Power
Ceres Power是一家于英國倫敦證券交易所AIM上市的公司，是新一代、低成本燃料電池技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，其特有的Steel Cell TM技術(shù)，源自英國帝國理工學(xué)院，已持續(xù)研究開發(fā)近16年，擁有約50項(xiàng)專利，具有功率密度高、制造成本低等優(yōu)勢。目前，其產(chǎn)品覆蓋住宅、數(shù)據(jù)中心、商業(yè)發(fā)電和汽車四個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。
Ceres Power長期致力于低成本高性能燃料電池產(chǎn)品開發(fā)。Ceres Power開發(fā)的Steel Cell TM燃料電池在2017年英國化學(xué)工程師協(xié)會(huì)全球獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)典禮上榮獲年度創(chuàng)新產(chǎn)品獎(jiǎng)。Ceres Power公司以其先進(jìn)的固體氧化物燃料電池(SOFC)技術(shù)而獲得認(rèn)可，Ceres Power開發(fā)的固體氧化物燃料電池可利用天然氣以及包含氫氣、生物氣在內(nèi)的低碳燃料實(shí)現(xiàn)高效率發(fā)電。
2018年5月，濰柴動(dòng)力擬通過認(rèn)購其部分發(fā)行股份的方式，投資4000余萬英鎊，持有Ceres Power 20%股權(quán)。同時(shí)，雙方將聯(lián)合于2020年前在中國濰坊成立合資公司，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)SOFC技術(shù)在中國市場的商業(yè)化。Ceres Power將在中國市場獨(dú)家授權(quán)合資公司使用Steel Cell TM技術(shù)，產(chǎn)銷燃料電池系統(tǒng)、電堆和電池片，應(yīng)用于客車、卡車和特定發(fā)電市場。為促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程，濰柴動(dòng)力與Ceres Power將首期合作，聯(lián)合開發(fā)以CNG為燃料的30kW Steel Cell燃料電池，用于電動(dòng)客車增程系統(tǒng)，預(yù)計(jì)2019年上半年完成驗(yàn)證。
4.中國潮州三環(huán)
我國最早研發(fā)生產(chǎn)SOFC的是潮州三環(huán)（集團(tuán)）股份有限公司（下稱“潮州三環(huán)”）。公司于2004年開始開展SOFC電解質(zhì)隔膜開發(fā)和生產(chǎn)業(yè)務(wù)；2012年開始批量生產(chǎn)SOFC單電池；2015年收購澳大利亞CFCL公司，獲得其電堆和小功率SOFC系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)；2016年將SOFC專利授權(quán)SOLIDpower公司使用，并且為其供應(yīng)單電池；2017年開始向國內(nèi)市場推出SOFC電堆。
潮州三環(huán)出貨量最大的是電解質(zhì)隔膜、單電池，同時(shí)具備電堆量產(chǎn)能力，系統(tǒng)則主要有旗下子公司CFCL在德國的生產(chǎn)基地完成，以1.5kW系統(tǒng)為主。目前潮洲三環(huán)成為全球最大的SOFC電解質(zhì)隔膜供應(yīng)商，歐洲市場上最大的SOFC單電池供應(yīng)商。
5.中國蘇州華清
蘇州華清創(chuàng)建于2010年，2018年7月公司簽約投建徐州華清固體氧化物燃料電池項(xiàng)目。2019年8月，蘇州華清子公司徐州華清京昆能源有限公司固體氧化物燃料電池項(xiàng)目首批20萬片單電池片生產(chǎn)線投產(chǎn)試產(chǎn)。
此外，華清、清華大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)(北京)還聯(lián)合晉煤集團(tuán)煤化工研究院共同開發(fā)以煤為原料的SOFC整體示范工程。2018年8月2日，晉煤集團(tuán)煤化工研究院對外宣布，他們建設(shè)的全國首個(gè)以煤為原料的15kW SOFC項(xiàng)目在晉煤集團(tuán)天溪煤制油分公司燃料電池實(shí)驗(yàn)室打通全流程，實(shí)現(xiàn)了煤經(jīng)氣化再通過固體氧化物燃料電池發(fā)電的工程示范。
6.中國濰柴動(dòng)力
國內(nèi)還有一家布局SOFC的知名企業(yè)是濰柴動(dòng)力。公司于2018年5月以4000余萬英鎊收購英國知名固體氧化物燃料電池開發(fā)商Ceres Power20%股權(quán)，并與其攜手在中國濰坊成立合資公司，在固態(tài)氧化物燃料電池領(lǐng)域展開全面合作。合資公司將使用Ceres Power獨(dú)有的SteelCell?技術(shù)，產(chǎn)銷燃料電池系統(tǒng)、電堆和電池片，應(yīng)用于客車、卡車和特定發(fā)電市場。
六、未來發(fā)展前景
國內(nèi)SOFC有非常大的應(yīng)用潛力，比如冬天供暖消耗大量天然氣，若采用SOFC熱電聯(lián)供，整體效益會(huì)極大提高；國內(nèi)分布式發(fā)電市場比日本大很多，卻幾乎沒有怎么應(yīng)用SOFC，而日本應(yīng)用較為廣泛?？梢哉f，這是一個(gè)被忽視的新興市場，也是值得政府去大力推動(dòng)的市場。
