固體氧化物燃料電池與家用熱電聯(lián)供經(jīng)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(tǒng)熱機發(fā)電涉及化學(xué)能到熱能、到機械能，最終到電能的過程，發(fā)電效率為35%～45%。燃料電池作為一種直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，發(fā)電效率明顯提高，一次發(fā)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(shù)被認為是21世紀(jì)新型環(huán)保高效的發(fā)電技術(shù)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?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)在日本、中國應(yīng)用的經(jīng)性進行計算分析。

2 研究與應(yīng)用進展

根據(jù)采用的電解質(zhì)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(zhì)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(tài)電池結(jié)構(gòu)，避免液態(tài)電解質(zhì)帶來的腐蝕和電解液流失，燃料適應(yīng)性廣，電流密度和功率密度高，余熱品質(zhì)高，不需要貴金屬催化劑，非常適用于分布式發(fā)電、熱電聯(lián)供系統(tǒng)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(yīng)用前景的燃料電池，因此受到了世界各國的廣泛關(guān)注。

① 美國

美國是最早從事SOFC技術(shù)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(fā)電組，系統(tǒng)的成功運行標(biāo)志著SOFC技術(shù)從實驗研究向商業(yè)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(fā)，用于提高系統(tǒng)發(fā)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(lián)邦資金用于支持“小型固體氧化物燃料電池(SOFC)系統(tǒng)和復(fù)合能源系統(tǒng)”研發(fā)項目，進一步提高小規(guī)模SOFC發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率、降低成本、提高效益，使其達到商業(yè)化應(yīng)用水平。

Bloom Energy公司是目前公認的SOFC領(lǐng)域技術(shù)力量最強、運作最成功的公司。采用的電解質(zhì)支撐電池技術(shù)，前期經(jīng)過西屋公司多年的研發(fā)，技術(shù)相對成熟，壽命、可靠性較好，但成本相對較高。Bloom Energy公司開發(fā)的SOFC發(fā)電系統(tǒng)規(guī)格在100～250 kW，主要發(fā)展方向為長壽命、低衰減及大功率。產(chǎn)品目前已應(yīng)用在包括蘋果、谷歌、易趣、AT&T、NTT在內(nèi)的數(shù)據(jù)中心，以及辦公樓、銀行、醫(yī)院。

② 日本

日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)(NEDO)于2011年開發(fā)出全球首個商業(yè)化的SOFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)(Ene-Farm type S)。該系統(tǒng)由發(fā)電單元和利用廢熱的熱水供暖單元組成，在作為家用基礎(chǔ)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(lián)供系統(tǒng)約8.1×104套。發(fā)電效率和設(shè)計壽命分別提升至55%和12 a，而系統(tǒng)(額定發(fā)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(jù)《日本氫能與燃料電池發(fā)展路線圖》規(guī)劃：到2020年，額定發(fā)電功率700 W的SOFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)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(lián)供外，路線圖同樣對SOFC發(fā)電應(yīng)用提出規(guī)劃：到2025年，實現(xiàn)發(fā)電效率55%，系統(tǒng)壽命13×104h，系統(tǒng)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(lián)供系統(tǒng)供應(yīng)商，該公司的Ene Farm Type S系統(tǒng)以城鎮(zhèn)燃氣或液化石油氣為原料氣，最大發(fā)電功率可達700 W，系統(tǒng)發(fā)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(xué)進行250 kW級SOFC發(fā)電系統(tǒng)的示范應(yīng)用，并于2016年9月在NEDO的支持下在東京燃氣公司千住技術(shù)站進行了集成了SOFC和微型燃氣輪機的加壓混合動力發(fā)電系統(tǒng)的示范測試。日產(chǎn)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(zhuǎn)化的氫和大氣中的氧氣，隨后的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能為車輛提供動力，車輛續(xù)航里程超過600 km。

③ 德國

為解決日益突出的環(huán)境和能源問題，德國政府于2006年提出氫能和燃料電池技術(shù)國家創(chuàng)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(shù)研發(fā)。其中，24%的補貼資金用于支持基于質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、SOFC技術(shù)的微型熱電聯(lián)供系統(tǒng)(一般用于家用)，并最終實現(xiàn)800套家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)的推廣應(yīng)用[5]。德國政府通過德國復(fù)興信貸銀行發(fā)起節(jié)能能源計劃(kfw433)，自2016年底為0.25～5.00 kW發(fā)電功率范圍的燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)提供6 825～28 200 歐元的補貼，其中5 700 歐元屬于基礎(chǔ)補貼資金，每100 W額外補貼450 歐元。此外，德國聯(lián)邦經(jīng)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(gòu)也為燃料電池微型熱電聯(lián)供系統(tǒng)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(lián)供的研究。早在2002年，博世就在開發(fā)質(zhì)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(lián)供系統(tǒng)制造商聚集到一個分析框架中，對燃料電池微型熱電聯(lián)供系統(tǒng)進行試驗，現(xiàn)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(lián)供系統(tǒng)，標(biāo)志著該技術(shù)逐步走向商業(yè)化。2012年，博世與日本愛信精機合作開發(fā)了一種基于京瓷SOFC微型熱電聯(lián)供系統(tǒng)。2016年，博世旗下Buderus和Junkers品牌的SOFC微型熱電聯(lián)供系統(tǒng)(Logapower FC10、Cerapower FC10)開始批量生產(chǎn)，發(fā)電效率為45%，綜合效率為85%，額定發(fā)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(fā)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(shù)對我國處于封鎖狀態(tài)，迫使我國只能走自主研發(fā)道路。從2007年開始，我國開展SOFC關(guān)鍵材料的基礎(chǔ)研究，突破了多項核心關(guān)鍵技術(shù)，打通了關(guān)鍵材料-核心元件-電堆集成-系統(tǒng)搭建的技術(shù)路線。2019年8月，國內(nèi)首條SOFC生產(chǎn)線順利投產(chǎn)，具備全產(chǎn)業(yè)鏈自主知識產(chǎn)權(quán)，是在氫能產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域自主創(chuàng)新的重大突破，但仍達不到商業(yè)化的要求。

國內(nèi)最早開展SOFC研發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)是潮州三環(huán)(集團)股份有限公司，主要產(chǎn)品為SOFC電解質(zhì)隔膜、單電池，同時具備電堆量產(chǎn)能力。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。蘇州華清公司基于“材料-電池-模塊-系統(tǒng)”全產(chǎn)業(yè)鏈攻關(guān)成果，發(fā)展了kW級SOFC集成和健康管控技術(shù)，并于山西、上海等地實現(xiàn)了多場景示范運行，首套1 kW級別SOFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品于2020年7月正式下線，發(fā)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(nèi)首套自主設(shè)計研發(fā)的6 kW級別SOFC發(fā)電實驗系統(tǒng)，并實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定運行，發(fā)電效率達到60%以上。

3 家用SOFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)經(jīng)濟性

3.1 家用SOFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)的流程和參數(shù)

日本家用SOFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)已在政府專項資金的支持下實現(xiàn)經(jīng)濟化推廣應(yīng)用，我國尚無產(chǎn)業(yè)化SOFC產(chǎn)品，裝置本和關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)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(chǎn)品為基礎(chǔ)開展經(jīng)濟性測算。系統(tǒng)流程見圖1，系統(tǒng)參數(shù)見表1[6]。

表1 家用SOFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)參數(shù)

圖1 家用SOFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)流程

3.2 經(jīng)濟性

① 日本

蒙浩等人[7]針對日本關(guān)西地區(qū)4口之家的獨棟

住戶，分析了家用SOFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟性。研究發(fā)現(xiàn)，在年熱量需求與電力需求一定的前提下，燃氣暖風(fēng)機供暖消耗天然氣732 m3/a，電網(wǎng)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(lián)供系統(tǒng)，則消耗天然氣1 343 m3/a，電網(wǎng)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(lián)供系統(tǒng)的發(fā)電功率24 h穩(wěn)定在700 W，將富余電量上網(wǎng)，可進一步降低運行費用。此時，消耗天然氣1 546 m3/a，電網(wǎng)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(lián)供系統(tǒng)每年最多可降低運行費用12.8×104日元，按系統(tǒng)成本在2021年降低至100×104日元測算，靜態(tài)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(lián)供系統(tǒng)在中國應(yīng)用的經(jīng)濟性。根據(jù)《北京市統(tǒng)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(guī)供能方式：市電供電，燃氣熱水器制備生活熱水。熱電聯(lián)供方式：SOFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)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(wǎng)、燃氣熱水器承擔(dān)。

常規(guī)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?？赏扑愕玫饺細鉄崴鞯哪旰臍饬繛?43.193/a。月用電量240 kW·h以內(nèi)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(guī)供能方式的年運行費用為2 535.35 元/a。

熱電聯(lián)供方式：受系統(tǒng)功率限制，SOFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)提供75%的電力，即年供電為2 833.0 kW·h/a，SOFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電效率取55%,綜合效率取87%。可測算得到，SOFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)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(lián)供系統(tǒng)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(dān)，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(wǎng)承擔(dān)，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(shù)據(jù)，可測算得到熱電聯(lián)供方式的年運行費用為2 014.09 元/a。

由以上數(shù)據(jù)，可計算得到熱電聯(lián)供方式的年運行費用比常規(guī)供能方式減少521.26 元/a。在SOFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)造價為9.24×104元的前提下，靜態(tài)差額投資回收期高于裝置壽命(10 a)，這說明現(xiàn)階段SOFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)在中國應(yīng)用的經(jīng)濟性不理想。

4 結(jié)論

根據(jù)文獻介紹，固體氧化物燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)在日本應(yīng)用的經(jīng)濟性比較理想，與日本家用常規(guī)供能方式(燃氣暖風(fēng)機供暖，電網(wǎng)供電)相比，固體氧化物燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)年運行費用可降低12.8×104日元/a，固體氧化物燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)造價按100×104日元測算，靜態(tài)差額投資回收期為7.8 a。

根據(jù)測算結(jié)果，與中國家用常規(guī)供能方式(燃氣熱水器供生活熱水，電網(wǎng)供電)相比，固體氧化物燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)年運行費用可降低521.26 元/a。在固體氧化物燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)造價為9.24×104元的前提下，靜態(tài)差額投資回收期高于裝置壽命(10 a)，現(xiàn)階段固體氧化物燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)在中國應(yīng)用的經(jīng)濟性不理想。