盡管人類對自然能源的大規(guī)模利用已有數(shù)百年的歷史，但直至今天全球近80%的能源消耗仍然來自對煤炭、石油、天然氣等化石能源的開采和轉(zhuǎn)化?；茉吹牡湍苄Ю檬且甬?dāng)前氣候異常、海洋污染、重度霧霾等環(huán)境問題的重要原因，因此尋找清潔、高效的能源載體和轉(zhuǎn)化途徑是現(xiàn)階段至關(guān)緊要的任務(wù)。

氫能被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉粗唬俏磥砟茉磻?yīng)用方式的重要發(fā)展方向。作為氫能到電能（和熱能）的主要轉(zhuǎn)換技術(shù)，燃料電池（Fuel Cell，F(xiàn)C）能夠不經(jīng)過燃燒而直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，與現(xiàn)有的發(fā)電技術(shù)相比具有更高的發(fā)電效率和更低的污染物排放^[1]，數(shù)十年來在世界范圍內(nèi)獲得了大量的推廣應(yīng)用。燃料電池具有比能量高、環(huán)境友好、兼容可再生能源等特點，在交通運輸、飛行器及水下潛器、便攜電源、分布式電站等民用與軍用領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，得到了各國政府、企業(yè)及研究團(tuán)體的極大重視。

日本、美國、德國等發(fā)達(dá)國家都陸續(xù)將發(fā)展氫能和燃料電池技術(shù)提升到國家戰(zhàn)略層面，制定行動計劃、描繪路線圖、探索產(chǎn)業(yè)化路徑。其中，日本氫能源研究啟動早、發(fā)展快，在家用分布式燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)和燃料電池汽車等領(lǐng)域率先實現(xiàn)突破，儼然成為引領(lǐng)世界氫能應(yīng)用的先鋒。

日本國內(nèi)自然資源相對匱乏，90%以上的能源消費依賴進(jìn)口的化石能源，福島核事件后能源自給率進(jìn)一步降低。氫能被視為日本能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、保障能源安全和應(yīng)對氣候變化的重要抓手，氫能源利用已經(jīng)上升為日本的國家戰(zhàn)略。1980年，日本經(jīng)濟(jì)貿(mào)易產(chǎn)業(yè)?。∕ETI）在東京設(shè)立下屬的日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（New Energy and Industrial Technology Development Organization，NEDO），目前日本的氫能與燃料電池技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)示范都主要由NEDO負(fù)責(zé)組織。2014年6月，METI制定了日本“氫能與燃料電池戰(zhàn)略路線圖”，提出了實現(xiàn)“氫能社會”目標(biāo)分三步走的發(fā)展路線圖：第一階段預(yù)計持續(xù)到2025年左右，這一階段要求實現(xiàn)氫能利用市場的進(jìn)一步普及；第二階段持續(xù)到2030年左右，要求建立大規(guī)模氫能供給體系；第三階段預(yù)計持續(xù)到2040年，要求完成無碳排放的氫燃料供給體的系建設(shè)。

2017年12月，日本政府進(jìn)一步發(fā)布了“氫能源基本戰(zhàn)略”，確定了2050年氫能社會建設(shè)的目標(biāo)以及到2030年的具體行動計劃。在這一計劃中，日本將發(fā)展氫能源的重要性列為與可再生能源同等地位，通過補(bǔ)貼政策、稅收優(yōu)惠、設(shè)立示范基地等一系列舉措進(jìn)一步擴(kuò)大國內(nèi)氫能需求側(cè)的市場潛力。近年來，日本廣泛采取各種優(yōu)惠措施擴(kuò)大氫燃料終端產(chǎn)品市場，應(yīng)用范圍包括家用分布式燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)、燃料電池汽車以及分布式燃料電池發(fā)電站，極大地推動了氫能和燃料電池領(lǐng)域的技術(shù)突破和產(chǎn)業(yè)進(jìn)展。

一 家用分布式燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)

分布式熱電聯(lián)供（Combined Heat and Power，CHP）系統(tǒng)直接針對終端用戶，相較于傳統(tǒng)的集中式生產(chǎn)——運輸——終端消費的用能模式，分布式能源供給系統(tǒng)直接向用戶提供不同的能源品類，能夠最大限度地減少運輸消耗，并有效利用發(fā)電過程產(chǎn)生的余熱，從而提高能源利用效率。國際上，日本率先推出以燃料電池為核心的CHP系統(tǒng)，整體系統(tǒng)效率可在90%（LHV）以上，截至2017年4月已經(jīng)累計商用20多萬套，是全球分布式供能發(fā)展中最為成功的國家，其發(fā)展過程和相關(guān)政策對我國有很好的借鑒意義。

（一）日本分布式燃料電池CHP系統(tǒng)發(fā)展歷程

1999年日本政府設(shè)立“新日光計劃”，燃料電池作為新一代發(fā)電技術(shù)進(jìn)入大眾視野。日本燃?xì)鈪f(xié)會首先研制出1kW質(zhì)子交換膜燃料電池（PEFC）型熱電聯(lián)供系統(tǒng)樣機(jī)，隨后由松下電器、三洋電機(jī)和松下電工試制的三個1kW系統(tǒng)分別安裝在東京、大阪和東邦三大煤氣公司，并與試驗住宅相配合進(jìn)行現(xiàn)場運行實驗，運行情況良好。

2000～2004年，NEDO進(jìn)一步加快推進(jìn)PEFC-CHP系統(tǒng)的商業(yè)化，吸引到更多企業(yè)參與到PEFC技術(shù)開發(fā)和示范運行，包括荏原-Ballard、三洋電機(jī)、東芝、豐田、富士電機(jī)、松下電器、松下電工、三井物產(chǎn)、三菱重工和三菱電機(jī)等。2004年，松下、東芝等公司陸續(xù)推出了自主研發(fā)的PEFC-CHP樣機(jī)，功率均為1kW左右。東京燃?xì)夤驹?005年2月采用租賃的方式向200戶日本家庭提供PEFC-CHP系統(tǒng)，標(biāo)志著日本家用燃料電池系統(tǒng)進(jìn)入實用化階段。到2008年底，日本家庭用戶已經(jīng)累計使用超過3000臺PEFC-CHP系統(tǒng)。2009年5月，東京[!--empirenews.page--]

燃?xì)庑糚EFC-CHP產(chǎn)品全面進(jìn)入市場，這意味著日本家用分布式燃料電池CHP系統(tǒng)真正走向商業(yè)化應(yīng)用。

為了普及燃料電池技術(shù)、提高日本民眾對于燃料電池的認(rèn)可度，日本燃料電池協(xié)會（FCCJ）于2008年6月將家用燃料電池CHP系統(tǒng)統(tǒng)一命名為“ENE-FARM”，2009年日本政府進(jìn)一步支持“ENE-FARM”項目計劃的實施。這一時期，除了PEFC以外，日本對于具有更高輸出和效率的固體氧化物燃料電池（SOFC）的研發(fā)逐漸增多，相關(guān)產(chǎn)品也隨后推向市場，被命名為“ENE-FARM Type S”。在SOFC型家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)（SOFC-CHP）方面，吉坤能源公司研制的家用SOFC-CHP系統(tǒng)于2011年正式進(jìn)入市場，率先實現(xiàn)了SOFC系統(tǒng)的實用化。2012年4月，大阪燃?xì)夤?、愛信精機(jī)公司和京瓷公司合作推出的家用SOFC-CHP系統(tǒng)進(jìn)入市場；2016年4月，大阪燃?xì)夤就瞥隽诵乱淮矣肧OFC-CHP系統(tǒng)，在系統(tǒng)效率和長期穩(wěn)定性方面有了進(jìn)一步的提升。

在兩類系統(tǒng)之中，PEFC型產(chǎn)品由于技術(shù)研發(fā)較早，產(chǎn)品于2009年5月進(jìn)入市場，SOFC型產(chǎn)品則于2011年10月進(jìn)入市場。目前，產(chǎn)品的輸出功率都是700W，PEFC工作溫度80℃～90℃，電效率39%（LHV），熱效率56%（LHV）；SOFC工作溫度700℃，電效率46.5%（LHV），熱效率45%（LHV）；2016年新一代SOFC產(chǎn)品發(fā)電效率進(jìn)一步提高到52%（LHV），在小型分布式發(fā)電系統(tǒng)中基本上是最高水平。與傳統(tǒng)家庭用能方式相比，該系統(tǒng)可以有效減排二氧化碳，每套系統(tǒng)平均每年可減排二氧化碳1.3噸。圖1中展示了SOFC-CHP產(chǎn)品2016型和2014型“ENE-FARM Type S”系統(tǒng)的外觀比較。

 

PEFC型發(fā)電系統(tǒng)的核心部件是質(zhì)子交換膜燃料電池，其電解質(zhì)為全氟磺酸型固體聚合物，采用金屬鉑作電極催化劑，工作溫度在80℃左右。采用城市管道天然氣或者煤氣為燃料，由于一氧化碳對鉑催化劑具有毒化作用，必須凈化燃料氣中的一氧化碳，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。SOFC型系發(fā)電統(tǒng)的核心部件是固體氧化物燃料電池，采用氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯（YSZ）作為電解質(zhì)，陽極為鎳金屬陶瓷，陰極為鈣鈦礦材料。SOFC型系統(tǒng)的工作溫度在700℃，具有更高的發(fā)電效率（50%～60%），而且系統(tǒng)無須一氧化碳凈化裝置，大大縮減了部件數(shù)量。在系統(tǒng)效率和設(shè)備復(fù)雜程度方面SOFC型系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢，是未來發(fā)展的主要方向。表1給出了“ENE-FARM” CHP系統(tǒng)PEFC型和SOFC型產(chǎn)品較詳細(xì)的參數(shù)。

截止到2017年4月，日本“ENE-FARM”項目累計售出CHP系統(tǒng)20萬套，其中PEFC系統(tǒng)18萬套左右，SOFC系統(tǒng)2萬套左右。700W PEFC-CHP系統(tǒng)2009年初入市場的價格是303萬日元/套，2015年下降到136萬日元/套；700W SOFC-CHP系統(tǒng)2011年初入市場的價格是244萬日元/套，2015年下降到175日元/套。日本政府預(yù)計，2020年700W燃料電池CHP系統(tǒng)用戶將達(dá)到140萬套，售價（包括建設(shè)和安裝費用）為PEFC型80萬日元/套，SOFC型100萬日元/套，7～8年左右收回成本；2030年700W燃料電池CHP系統(tǒng)用戶為530萬套，5年左右收回成本。預(yù)計日本市場700W燃料電池CHP系統(tǒng)年均增長40萬套/年，僅這一個型號的產(chǎn)品市場增量40億美元/年。

 

（二）日本家用燃料電池CHP系統(tǒng)商業(yè)化成功因素分析

目前為止，日本家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)在“ENE-FARM”項目的推動下已經(jīng)基本實現(xiàn)商業(yè)化，從產(chǎn)品的研發(fā)制造到出售、安裝、維修，均已形成完整的市場體系。PEFC-CHP型產(chǎn)品運行超過10年，SOFC-CHP型產(chǎn)品運行也已達(dá)到7年。從其發(fā)展歷程來看，日本家用燃料電池CHP系統(tǒng)從技術(shù)研發(fā)走向商業(yè)化產(chǎn)品，主要有以下幾點重要因素。

技術(shù)先進(jìn)，產(chǎn)品自身優(yōu)勢突出。無論是松下電氣生產(chǎn)的PEFC型產(chǎn)品，還是愛信精機(jī)生產(chǎn)的SOFC型產(chǎn)品，都具有較高的發(fā)電效率。前者的發(fā)電效率（39%）為燃?xì)獍l(fā)電機(jī)發(fā)電效率（約23%）的1.5倍左右，后者發(fā)電效率（52%）為燃?xì)獍l(fā)電機(jī)效率兩倍以上（LHV）。通過高效發(fā)電和余熱利用可以使用戶的用能消耗減少46%，每年節(jié)約費用121000日元（以2018年大阪地區(qū)用電水平為準(zhǔn)）。同時，新產(chǎn)品安裝靈活性強(qiáng)，可以兼顧不同戶型（如獨棟建筑與集中住戶），設(shè)置廊內(nèi)安裝與室外放置等多種形式，極大地提高了用戶的適應(yīng)性。在使用過程中，先進(jìn)的控制系統(tǒng)與完備的配套設(shè)施也是一大亮點，系統(tǒng)通過總服務(wù)臺可實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，能夠極大地提升用戶體驗。[!--empirenews.page--]

政府持續(xù)支持，大力投入。日本家用燃料電池從研發(fā)到商業(yè)化經(jīng)歷了十余年，其間政府進(jìn)行了大量的投入。從20世紀(jì)90年代NEDO宣布進(jìn)行燃料電池研究計劃開始，政府便出臺了一系列支持日本家用燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的政策。同時日本政府投入大量資金進(jìn)行燃料電池技術(shù)研發(fā)工作，從2010～2014年日本政府就累計投入超過1300億日元進(jìn)行燃料電池技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)示范。在產(chǎn)品研發(fā)與技術(shù)創(chuàng)新之外，為了進(jìn)一步推動燃料電池CHP系統(tǒng)的商業(yè)化，日本政府建立了完備的補(bǔ)貼機(jī)制。表2為2009～2014年日本政府的補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)，高額的購買補(bǔ)貼極大地提高了民眾的購買動力。2015年相關(guān)補(bǔ)貼逐漸取消，2016年完全進(jìn)入市場化運行。

 

行業(yè)規(guī)范發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)完善。早在2002年6月，日本宣布進(jìn)行家用燃料電池研究計劃后不久，政府單位、科研院所、相關(guān)企業(yè)、消費者便共同起草了家用燃料電池安全報告。同年日本設(shè)立了家用燃料電池安全技術(shù)研究會，對燃料電池CHP系統(tǒng)的構(gòu)造、性能要求進(jìn)行了深入研討，提出設(shè)置燃料電池系統(tǒng)時的操作規(guī)范，研討行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中必須體現(xiàn)的條款。隨后，日本燃料電池發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)委員會、電機(jī)工業(yè)協(xié)會、日本燃?xì)鈪f(xié)會等共同參與了日本燃料電池標(biāo)準(zhǔn)方案的制定，多年來不斷進(jìn)行評議和研討，改進(jìn)和完善有關(guān)認(rèn)證制度、國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，并積極開展市場環(huán)境法制工作。

示范工程帶動作用，市場宣傳到位。在大力推動家用燃料電池CHP系統(tǒng)進(jìn)入市場的同時，建立示范項目進(jìn)行市場宣傳也十分重要。2014年，日本提出建立基于自給自足和互相共生的能源小鎮(zhèn)，命名為“藤澤”，藤澤可持續(xù)智慧小鎮(zhèn)的概念是每家每戶都安裝太陽能電池、蓄電池和“ENE-FARM”燃料電池系統(tǒng)以實現(xiàn)能源的自產(chǎn)自銷。它將能源的產(chǎn)消單位由單個家庭住宅擴(kuò)展到多個家庭組成的建筑群和社區(qū)，目標(biāo)是二氧化碳排放相較于1990年減少70%，用水量相較2006年減少30%，可再生能源使用比重達(dá)到30%，在外部電力供應(yīng)切斷的情況下，必要設(shè)備可維持三天正常運行。藤澤智慧小鎮(zhèn)理念的提出不僅增強(qiáng)了民眾對于環(huán)境保護(hù)的意識，而且以“ENE-FARM”燃料電池發(fā)電系統(tǒng)為主要發(fā)電單元的能源結(jié)構(gòu)，也極大地推動了家用燃料電池CHP系統(tǒng)的市場化發(fā)展。

（三）對我國的借鑒意義

日本是分布式燃料電池CHP系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展和商業(yè)化運行最好的國家，為全球提供了成功案例。同時期歐洲部分國家通常采用1～2kW分布式燃料電池CHP系統(tǒng)，也開展了很好的示范運行。所有這些都為中國分布式燃料電池CHP系統(tǒng)發(fā)展提供了寶貴經(jīng)驗。中國需要盡快出臺引導(dǎo)政策，加大支持和投入，加快燃料電池CHP系統(tǒng)從技術(shù)研發(fā)到產(chǎn)品制造的進(jìn)程。其次，要積極開展示范工程建設(shè)，形成中央引導(dǎo)、地方扶持、產(chǎn)業(yè)園落地、用戶參與的試點機(jī)制。借鑒國外成功經(jīng)驗，我國可以選定某地區(qū)（如江蘇，四川等）開展示范工程建設(shè)，由中央某部委（如國家能源局、國家發(fā)改委、工信部等）出臺引導(dǎo)政策，當(dāng)?shù)卣度氩糠纸ㄔO(shè)資金，在一些小區(qū)或產(chǎn)業(yè)園建設(shè)燃料電池CHP系統(tǒng)，形成具有一定影響力的示范項目。除此之外，面對迅速擴(kuò)大的市場需求，現(xiàn)階段還應(yīng)當(dāng)盡快制定和完善相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使燃料電池行業(yè)盡快走上規(guī)范化發(fā)展的道路。

二 燃料電池汽車

在燃料電池汽車領(lǐng)域，日本也一直走在國際前列。2014年12月，豐田在全球首推4人乘坐的燃料電池車“Mirai（未來）”，續(xù)航距離500千米，補(bǔ)充燃料僅需3分鐘。2016年，本田公司推出5人乘坐的氫燃料電池車“Clarity Fuel Cell”，計劃在2018年投入市場，續(xù)航里程達(dá)750千米，可在3分鐘內(nèi)充滿燃料，達(dá)到了與常規(guī)動力車型相同的標(biāo)準(zhǔn)。此外，豐田公司計劃在2050年全面停止生產(chǎn)燃油汽車，轉(zhuǎn)向燃料電池和純電動汽車。日本準(zhǔn)備在2020年東京奧運會召開之際，向世界展示氫能汽車已成為一種安全、有價格競爭力的交通工具。

截至2018年1月，日本國內(nèi)已建成101座加氫站，計劃于2020年建成160座。目前氫氣零售價約100日元/Nm³，加氫站主要分布在東京、名古屋等幾個城市，建設(shè)費用昂貴，數(shù)量仍然偏少。日本燃料電池乘用車保有量目前約2000臺，每臺優(yōu)惠后的價格500萬日元，售價對消費者仍偏高。從目前的燃料電池汽車價格、保有量和加氫站數(shù)量來看，日本尚處于燃料電池汽車社會的搖籃期，預(yù)計2050年將是日本燃油汽車全面向燃料電池汽車過渡之年[!--empirenews.page--]^[1]。

現(xiàn)階段氫燃料電池汽車的推廣受到加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的限制，日產(chǎn)公司在2016年對外公布了其搭載5kW SOFC動力系統(tǒng)的燃料電池汽車“e-NV200”，在巴西完成了第一階段的路面測試。該套系統(tǒng)使用乙醇作為燃料，續(xù)航里程達(dá)到600公里，幾乎可與汽油車媲美，日產(chǎn)計劃在2020年左右實現(xiàn)該車的量產(chǎn)。圖2中展示了世界上三款代表性新能源汽車車型的具體參數(shù)比較。相比于PEFC，SOFC的優(yōu)點之一就是燃料適應(yīng)性廣，除了氫氣之外，SOFC可以直接使用天然氣、煤氣等碳基氣體燃料，以及甲醇、乙醇等液體燃料。將SOFC技術(shù)應(yīng)用于新能源汽車領(lǐng)域，能夠克服氫燃料電池汽車對于加氫站建設(shè)和鋰離子電池電動車對充電樁建設(shè)的硬性需求，實現(xiàn)燃料電池與蓄電池的優(yōu)勢互補(bǔ)，將是未來新能源汽車的重要發(fā)展方向（見圖2）。

 

（一）SOFC能夠克服氫燃料電池汽車對于加氫站建設(shè)的硬性需求

和質(zhì)子交換膜燃料電池相比，固體氧化物燃料電池工作溫度高，不使用鉑等貴金屬催化劑，因此不存在一氧化碳毒化的問題，可以直接使用天然氣、煤氣等含碳燃料。對于柴油、汽油、乙醇等液體碳?xì)淙剂?，只需在電池堆前添加重整器，將液體燃料重整后即可供給SOFC使用。同時，SOFC電堆發(fā)電副產(chǎn)的熱量可以用于重整器，無須外部熱源，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)的高效自維持運行（見圖3）。

發(fā)展使用液體碳?xì)淙剂系腟OFC汽車是新能源汽車的重大突破口，有助于我國實現(xiàn)在燃料電池汽車領(lǐng)域?qū)H頂尖水平的彎道超越。2016年6月，日產(chǎn)公司發(fā)布了“e-Bio Fuel-Cell”原型車（e-NV200），該車是世界上首款采用SOFC技術(shù)的車型，配備了輸出功率為5kW的SOFC系統(tǒng)和容量為24kWh的鋰電池組，使用生物乙醇作為燃料，30升油箱，續(xù)航里程達(dá)600公里以上。2017年6月，該車在巴西完成了第一階段的路面測試，“表明該技術(shù)完美適應(yīng)日常使用”，采用乙醇燃料是因為“巴西現(xiàn)在就有全面的供應(yīng)乙醇的基礎(chǔ)設(shè)施”。從技術(shù)角度而言，采用汽油、柴油等液體燃料都是可行的。圖3中展示了該款車型的外觀及內(nèi)部基本原理。

 

與氫燃料電池汽車相比，SOFC汽車沒有對加氫站的硬性需求，能夠從核心上解決燃料電池汽車推廣成本高的問題。2018年4月美國洛克希德馬丁公司推出最新型號的無人機(jī)（Stalker XE“潛行者”），采用丙烷燃料（1.1kg），配備245W的SOFC發(fā)電系統(tǒng)，空中飛行時間過8小時。這些都充分說明了采用SOFC作為動力系統(tǒng)的可行性和優(yōu)勢。

（二）SOFC增程式電動汽車可以實現(xiàn)燃料電池與蓄電池的優(yōu)勢互補(bǔ)

固體氧化物燃料電池增程式電動汽車是指在純電動汽車的基礎(chǔ)上增加一套SOFC發(fā)電系統(tǒng)，可以實現(xiàn)燃料電池與蓄電池的優(yōu)勢互補(bǔ)。動力電池的突出優(yōu)勢是能夠快速響應(yīng)負(fù)荷變化，但是能量密度和功率密度較小。而SOFC的突出優(yōu)勢則是高效、穩(wěn)定、大功率密度的輸出特性，但是頻繁啟停和冷熱循環(huán)是其最大的技術(shù)壁壘之一。當(dāng)蓄電池電量充足時，SOFC發(fā)電系統(tǒng)處于待機(jī)或關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)蓄電池電量不足或輸出功率不能滿足需求時，SOFC發(fā)電系統(tǒng)開始工作，為蓄電池充電或直接驅(qū)動車輛。SOFC增程式電動汽車能夠有效解決純電動汽車行駛路程短、續(xù)航能力不足的問題，將是未來新能源汽車的發(fā)展方向。

日產(chǎn)公司首推的“e-Bio Fuel-Cell”原型車采用的就是英國Ceres Power公司的SOFC系統(tǒng)。2018年5月，我國濰柴動力與英國Ceres Power公司簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，將在SOFC動力系統(tǒng)領(lǐng)域展開全面合作。根據(jù)協(xié)議內(nèi)容，Ceres Power將在中國市場獨家授權(quán)濰柴動力產(chǎn)銷其SOFC發(fā)電系統(tǒng)、電堆和單電池，應(yīng)用范圍包括客車、卡車和分布式發(fā)電市場。此外，濰柴動力將與Ceres Power聯(lián)合開發(fā)以壓縮天然氣為燃料的30kW SOFC發(fā)電系統(tǒng)，計劃用于電動客車的增程系統(tǒng)，預(yù)計2019年上半年完成驗證。這無疑將會帶來國際SOFC市場的重大變化，標(biāo)志著SOFC增程式電動汽車走向?qū)嶋H應(yīng)用的又一開端。

（三）關(guān)于開展我國燃料電池汽車自主研發(fā)工作的思考

目前我國在新能源汽車研發(fā)領(lǐng)域，已經(jīng)基本確立了以純電驅(qū)動技術(shù)為主、帶動插電式混合動力汽車和燃料電池汽車的發(fā)展策略。當(dāng)前插電式混合動力汽車、純電動汽車、燃料電池汽車等各種車型爭奇斗艷，卻都存在著各自的技術(shù)難題。純電動汽車?yán)m(xù)航里程較短，需要大量建設(shè)充電樁，動力電池的回收問題也亟待解決；而氫燃料電池汽車的推廣則嚴(yán)重依賴于加氫站的建設(shè)，又涉及氫氣制[!--empirenews.page--]

備、儲存運輸、安全管理等整個產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的問題，高壓氫氣在車中的安全存儲也是需要解決的突出矛盾。

SOFC增程式電動汽車結(jié)合了SOFC與鋰電池技術(shù)，其突出優(yōu)勢在于可以直接使用液體燃料（包括LNG、丙烷、乙醇、汽油、柴油等），擺脫了新能源汽車對于充電樁和加氫站的硬性需求，可以很好地與現(xiàn)有的能源供應(yīng)設(shè)施兼容。從全球范圍來看，SOFC與鋰電池已經(jīng)分別在分布式發(fā)電、電動汽車領(lǐng)域有了比較成熟的應(yīng)用，因此SOFC增程式電動汽車提供了現(xiàn)階段新能源汽車優(yōu)勢互補(bǔ)的解決方案，進(jìn)行自主技術(shù)研發(fā)有助于我國搶占國際技術(shù)制高點，實現(xiàn)在新能源汽車領(lǐng)域的彎道超車。

三 分布式燃料電池發(fā)電系統(tǒng)

根據(jù)日本政府2017年發(fā)布的“氫能源基本戰(zhàn)略”，日本要在2030年實現(xiàn)氫燃料發(fā)電商業(yè)化，發(fā)電成本每千瓦時低于17日元，形成每年30萬噸氫燃料供給能力；2050年氫燃料發(fā)電的成本將降低到與液化天然氣同等水平，具備較強(qiáng)的市場競爭力。預(yù)計屆時日本年氫能供給量將達(dá)到500萬～1000萬噸，氫能發(fā)電裝機(jī)容量將增至15～30GW，可大幅替代火力發(fā)電。

（一）SOFC分布式電站

相比于PEFC，由于SOFC在高溫下工作，具有更高的發(fā)電效率和燃料適應(yīng)性，因此分布式燃料電池電站一般選用SOFC。由于分布式發(fā)電系統(tǒng)建立在用戶附近，因此與傳統(tǒng)的集中發(fā)電、電網(wǎng)輸電模式相比，減少了輸電過程帶來的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性，同時能夠降低電力損耗，節(jié)約成本，有利于系統(tǒng)效率的提高。SOFC可以直接采用天然氣、氣化煤氣、焦?fàn)t煤氣和煤層氣等燃料進(jìn)行發(fā)電，而且不需要進(jìn)行燃燒，產(chǎn)物潔凈無污染、噪音小。此外，系統(tǒng)尾氣中的二氧化碳便于回收、儲存和利用，能夠?qū)崿F(xiàn)二氧化碳的零排放。

世界主要發(fā)達(dá)國家都在大力發(fā)展和推廣SOFC分布式發(fā)電技術(shù)。目前，全球五百強(qiáng)公司中有1/3的公司都在近幾年陸續(xù)使用SOFC分布式發(fā)電系統(tǒng)，作為其總部或下屬核心機(jī)構(gòu)的供電設(shè)施，諸如蘋果總部基地、谷歌全球總部基地、微軟總部基地等。以2017年5月完工的蘋果公司總部大樓Apple Park為例，其總體建筑面積97萬平方米，配備了獨立的微電網(wǎng)系統(tǒng)，由17MW太陽能和4MW SOFC發(fā)電系統(tǒng)組成（蘋果公司在美國已經(jīng)裝配了10MW SOFC發(fā)電系統(tǒng)）。這個標(biāo)志性建筑又一次向全人類展示了新一輪能源技術(shù)革命的產(chǎn)物——在用戶側(cè)配備的高效、潔凈、無噪音的分布式SOFC發(fā)電系統(tǒng)。

日本也有多家企業(yè)從事SOFC分布式發(fā)電系統(tǒng)的研制。京瓷在第二代“ENE-FARM Type S”的基礎(chǔ)上開發(fā)出更加高效和緊湊的電堆，研制了新一代3kW系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了4個新型700W電堆，使用管道天然氣作為燃料，發(fā)電效率達(dá)到了52%，系統(tǒng)效率90%（LHV），已于2017年1月面向市場。三浦技研于2017年8月完成了5kW級系統(tǒng)的開發(fā)并投入市場，其電效率達(dá)到48%，總效率可達(dá)90%（LHV）。日立造船株式會社在2016年初步研制出20kW級SOFC系統(tǒng)，正在致力于數(shù)十千瓦級系統(tǒng)的改進(jìn)。富士電機(jī)正在開發(fā)的50kW級SOFC發(fā)電系統(tǒng)預(yù)計發(fā)電效率達(dá)55%，采用余熱回收后系統(tǒng)效率可達(dá)80%（LHV），該原型機(jī)將進(jìn)一步用于控制系統(tǒng)的調(diào)試。

（二）SOFC聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)

將傳統(tǒng)的發(fā)電技術(shù)與SOFC發(fā)電技術(shù)有機(jī)結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的發(fā)電效率，例如可以將燃?xì)?蒸汽透平（GT/ST）與SOFC發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，發(fā)電效率可在60%以上。在這一方面日本三菱重工（Mitsubishi Heavy Industriesm，MHI）一直走在世界前列。

三菱重工是日本最大的軍工設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)，建立于1914年。三菱重工從90年代開始進(jìn)行高溫SOFC系統(tǒng)研發(fā)，于1993年成功研制出1kW電堆，并且穩(wěn)定運行3000小時；1998年，MHI與日本電源開發(fā)株式會社合作生產(chǎn)出一臺管式加壓SOFC發(fā)電系統(tǒng)，最大輸出功率21kW，運轉(zhuǎn)超過7000小時，發(fā)電效率達(dá)到41.5%（HHV）；2004年，MHI在長崎成功開發(fā)出75kW的SOFC-MGT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，并從2007年起逐步將該系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大到200kW；2012年底，MHI與東京燃?xì)夤韭?lián)合開發(fā)的200kW SOFC-MGT聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)在東京郊區(qū)連續(xù)運轉(zhuǎn)4000多小時，發(fā)電效率50.2%（LHV）。目前，MHI已經(jīng)開發(fā)出250kW的SOFC-MT三聯(lián)循環(huán)系統(tǒng)（見圖4），將SOFC發(fā)電系統(tǒng)與微型燃?xì)?蒸汽透平耦合，發(fā)電效率達(dá)到55%（LHV），該系統(tǒng)正在日本九州大學(xué)示范運行，累計運行超過10000小時。

為了推進(jìn)250kW級聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的市場化，除了位于九州大學(xué)的示范機(jī)組外，“NEDO計劃”從2017年起在日本建立了四個聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)原型機(jī)，分別承擔(dān)不同的示范運行和參數(shù)評價研究任務(wù)。位于豐田汽車公司（Toyota Motor Corporation）的系統(tǒng)，將進(jìn)行約每月一次的起停測試，以驗證其運行穩(wěn)定性及壽命受電力需求波動的影響。位于NGK火花塞公司（NGK Spark Plug Co.，Ltd.）的系統(tǒng)，將開展由其自主生產(chǎn)的電池堆和MHI生產(chǎn)的電池堆共同組成SOFC系統(tǒng)實驗，以驗證兩種電池堆均能夠?qū)崿F(xiàn)長時間的穩(wěn)定運行。位于東京燃?xì)庥邢薰荆═okyo Gas Co.，Ltd.）的系統(tǒng)，將開展不同時間段的重復(fù)起停實驗，如每日起停、每周起停等，以測試起停對系統(tǒng)耐久性的影響，同時還將進(jìn)行變載試驗與跟載試驗。位于大成建設(shè)公司（Taisei Corporation）的系統(tǒng)，將進(jìn)行系統(tǒng)自動控制試驗，包括停電或變載荷時的自動控制運行。“山雨欲來風(fēng)滿樓”，所有這些都彰顯了一個新型SOFC發(fā)電時代的到來，也是高技術(shù)領(lǐng)域領(lǐng)先全球的具體體現(xiàn)。[!--empirenews.page--]

 

（三）對于我國發(fā)展SOFC分布式電站的思考

我國以煤為主的資源稟賦決定了能源消費以煤為主的格局，也決定了以煤電為主的電力生產(chǎn)和消費結(jié)構(gòu)。中國電力企業(yè)聯(lián)合會在2017年發(fā)布了《中國煤電清潔發(fā)展報告》，指出現(xiàn)階段常規(guī)大氣污染物已不是煤電發(fā)展的約束性因素，碳減排將成為煤電發(fā)展重要制約因素。國務(wù)院《“十三五”控制溫室氣體排放工作方案》提出大型發(fā)電集團(tuán)CO₂排放水平應(yīng)控制在550g/kWh，而目前我國煤電CO₂排放平均水平約為890g/kWh，因此發(fā)展低碳、清潔、高效的煤炭發(fā)電技術(shù)已成為一項至關(guān)緊要的任務(wù)。

基于煤炭資源的煤氣化燃料電池（Integrated Gasification Fuel Cell，IGFC）系統(tǒng)結(jié)合了先進(jìn)的SOFC發(fā)電技術(shù)，可實現(xiàn)煤基發(fā)電由單純熱力循環(huán)發(fā)電向電化學(xué)和熱力循環(huán)復(fù)合發(fā)電的技術(shù)跨越，能大幅提高煤電效率，是煤電技術(shù)的根本性變革。IGFC系統(tǒng)受SOFC發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模限制，主要定位于中小型分布式發(fā)電站（數(shù)十MW），系統(tǒng)發(fā)電效率可在60%以上，顯著高于現(xiàn)有的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（Integrated Gasification Combined Cycle，IGCC）發(fā)電系統(tǒng)。由于SOFC系統(tǒng)對燃料清潔度要求相對較高，使得系統(tǒng)整體污染物排放水平較低。此外，燃料電池能夠分離空氣中的氧氣和氮氣，顯著降低了尾氣中二氧化碳的捕集難度和成本，有望實現(xiàn)近零排放。

技術(shù)分析和經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果也表明，與現(xiàn)有的各種煤炭發(fā)電技術(shù)相比，先進(jìn)的IGFC發(fā)電技術(shù)具有很強(qiáng)的競爭力，發(fā)展IGFC技術(shù)符合我國現(xiàn)階段國情。目前《中國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告》、《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016～2030年）》和《“十三五”電力發(fā)展規(guī)劃》均將IGFC列為戰(zhàn)略性能源新技術(shù)，計劃進(jìn)行開發(fā)與示范。但是也應(yīng)當(dāng)考慮到，IGFC技術(shù)實際上是對煤炭催化氣化、高溫合成氣凈化、大容量高性能SOFC電堆等一系列高難度技術(shù)的整合，并且系統(tǒng)配置方式復(fù)雜，需要考慮的因素眾多，因此IGFC技術(shù)的實現(xiàn)還有賴于眾多關(guān)鍵技術(shù)的突破。

四 日本氫能與燃料電池發(fā)展的啟示與借鑒

（一）我國氫能與燃料電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，日本、美國及歐盟等發(fā)達(dá)國家經(jīng)過幾十年的技術(shù)研發(fā)和攻關(guān)，在政府多年來持續(xù)推進(jìn)的經(jīng)費支持和補(bǔ)貼政策激勵下，發(fā)展和建立起多家具有自主核心技術(shù)的企業(yè)或研發(fā)機(jī)構(gòu)，已經(jīng)基本實現(xiàn)了氫能和燃料電池技術(shù)的商業(yè)化運行，正在開展更大規(guī)模的示范試驗和樣品研發(fā)。其中，日本更是將氫能產(chǎn)業(yè)確定為國家未來重要的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。正因如此，日本在大規(guī)模高效制氫、家用燃料電池發(fā)電等領(lǐng)域走在了世界前列。

在全球燃料電池發(fā)展大跨步的背景下，我國也接連頒布了《中國制造2025》、《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016～2030）》等一系列指導(dǎo)政策。能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃規(guī)劃了能源技術(shù)革命重點創(chuàng)新行動路線圖，部署了15項具體任務(wù)，“氫能與燃料電池技術(shù)創(chuàng)新”位列其中（第九項），已經(jīng)納入我國能源戰(zhàn)略。在《中國制造2025—能源裝備實施方案》中，也提出要加快氫能基礎(chǔ)設(shè)施，促進(jìn)構(gòu)建制“氫技術(shù)及裝備—儲輸氫技術(shù)及裝備—燃料電池系統(tǒng)—燃料電池車輛及其他氫能利用技術(shù)及裝備”完整的產(chǎn)業(yè)鏈的要求。

盡管我國已經(jīng)初步掌握整車集成及部分關(guān)鍵零部件的生產(chǎn)技術(shù)，但是我們應(yīng)當(dāng)清楚地認(rèn)識到，和世界發(fā)達(dá)國家相比，我國在氫能及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域起步較晚、研究基礎(chǔ)薄弱，在核心技術(shù)方面與發(fā)達(dá)國家還存在一定差距。近30年來，美、日、德等發(fā)達(dá)國家在政府的大力支持下，針對氫能及燃料電池相關(guān)技術(shù)，成體系地開展了

相當(dāng)規(guī)模的研究工作，已經(jīng)突破了諸多技術(shù)難點，正在推動該技術(shù)從工程示范走向更加廣泛的商業(yè)應(yīng)用。而我國在該項技術(shù)體系方面的工作相對不足，主要集中在研究機(jī)構(gòu)，企業(yè)參與較少，關(guān)鍵材料和部件大量依賴進(jìn)口，與發(fā)達(dá)國家還存在較大差距。

（二）我國發(fā)展氫能和燃料電池技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)

一是國內(nèi)起步晚，核心技術(shù)積累有限。美、日、德等發(fā)達(dá)國家一直把氫能及燃料電池技術(shù)作為國家級戰(zhàn)略高技術(shù)，30年來投入巨資持續(xù)支持研發(fā)和示范應(yīng)用，核心技術(shù)和產(chǎn)品都對我國保密。我國從2000年左右開始進(jìn)行相關(guān)工作。在基礎(chǔ)研究方面，缺乏統(tǒng)一組織，致使相關(guān)基礎(chǔ)研究較為分散，未能形成良好的理論體系和深刻認(rèn)知。在技術(shù)研發(fā)方面，投入比較有限，我國沒有充分意識到該項技術(shù)研發(fā)的難度，致使技術(shù)研究進(jìn)展緩慢，目前在核心技術(shù)上與發(fā)達(dá)國家還存在一定差距，沒有形成較好的產(chǎn)業(yè)化積累。[!--empirenews.page--]

二是我國尚未設(shè)立氫能及燃料電池技術(shù)專項，缺乏統(tǒng)一組織的聯(lián)合攻關(guān)。燃料電池技術(shù)屬于顛覆性技術(shù)，是典型的多學(xué)科交叉領(lǐng)域，從材料組分設(shè)計、結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化，到復(fù)雜結(jié)構(gòu)單元器件設(shè)計制備、電化學(xué)反應(yīng)過程控制、燃?xì)夤芾怼l(fā)電系統(tǒng)集成等，顯然不是一個或幾個科學(xué)家團(tuán)隊能夠完成的。日本和美國政府充分認(rèn)識到該技術(shù)的高難度系數(shù)，均成立了專門機(jī)構(gòu)，組織全國優(yōu)勢的產(chǎn)、學(xué)、研機(jī)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)。1989年日本NEDO牽頭成立先進(jìn)固態(tài)能源轉(zhuǎn)換聯(lián)盟（ASEC），組織全國的企業(yè)和大學(xué)聯(lián)合攻關(guān)，持續(xù)30年支持技術(shù)研發(fā)，推動并支持了“ENE-FARM”家用分布式燃料電池CHP系統(tǒng)商業(yè)化項目。美國能源部于2000年牽頭成立SECA聯(lián)盟（Solid State Energy Conversion Alliance），在2000～2018年持續(xù)累計投入近10億美元推動SOFC產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展，而同期美國Bloom Energy公司一家企業(yè)投入的資金就超過25億美元（社會資金），并于2009年開始為美國多家大型數(shù)據(jù)中心進(jìn)行供電。我國在“十五”到“十二五”期間，曾由科技部組織過“863”和“973”項目攻關(guān)，但是我國一直沒有設(shè)立專門的組織機(jī)構(gòu)和研究專項，尤其是當(dāng)前，“十三五”規(guī)劃已經(jīng)過半，氫能及燃料電池技術(shù)相關(guān)項目依然沒有啟動。

三是氫能及燃料電池技術(shù)在國內(nèi)尚未全面進(jìn)入實際應(yīng)用階段，建立示范項目的數(shù)量也比較少。截至2017年10月，我國僅建成7座加氫站（大部分只是特殊時期的示范運行），數(shù)量遠(yuǎn)少于美、日、德等國。美國、日本等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)相繼實現(xiàn)了千瓦級、數(shù)百千瓦級到兆瓦級分布式發(fā)電系統(tǒng)或熱電聯(lián)供系統(tǒng)的商業(yè)化應(yīng)用或示范運行。我國的燃料電池技術(shù)研發(fā)目前仍以大專院校、科研院所為主，雖然已經(jīng)初步掌握關(guān)鍵部件、動力系統(tǒng)、整車集成等核心技術(shù)，但是這僅僅解決了從無到有的問題，自主生產(chǎn)的產(chǎn)品性能與國際先進(jìn)水平也還有一定距離。我國急需進(jìn)一步完善和發(fā)展燃料電池電堆產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)核心技術(shù)。

（三）大力推進(jìn)我國氫能及燃料電池技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化的建議

我國在氫能及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域與發(fā)達(dá)國家還存在較大差距，目前這類高新、核心技術(shù)和產(chǎn)品一直對中國封鎖。鑒于該技術(shù)對于助推我國供給側(cè)能源改革的重大需求，以及對未來優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)、在新能源汽車等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)彎道超車的重要作用，特提出如下建議。

一是成立專門項目及機(jī)構(gòu)，組織實施國家級重大研發(fā)計劃，支持氫能及燃料電池相關(guān)基礎(chǔ)、技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。燃料電池技術(shù)是一項全新的、顛覆性的、高難度的先進(jìn)發(fā)電技術(shù)，又是多學(xué)科交叉的領(lǐng)域，只有在研究過程中才能不斷發(fā)現(xiàn)、認(rèn)識和解決其中科學(xué)和技術(shù)問題。前期工作中，我國基本涉及了燃料電池技術(shù)的各個方面，也有了一定的技術(shù)基礎(chǔ)，對整個產(chǎn)業(yè)鏈有了初步的認(rèn)識。借鑒國外成功發(fā)展經(jīng)驗，現(xiàn)在迫切需要成立專門的項目及管理機(jī)構(gòu)，組織實施國家級重大研發(fā)計劃，成立國家氫能及燃料電池研究中心，集中全國優(yōu)勢力量，分工協(xié)作，聯(lián)合攻關(guān)，共同推動氫能及燃料電池基礎(chǔ)研究、技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

二是加快氫能及燃料電池技術(shù)和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系研究和建設(shè)，發(fā)展測試技術(shù)，推動成立產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)檢測中心。目前國內(nèi)在氫能及燃料電池領(lǐng)域的技術(shù)和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)工作尚存不足，針對行業(yè)快速發(fā)展和市場需求的擴(kuò)大，需要盡快開展行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)工作。在燃料電池方面，我國應(yīng)以確立單電池、電堆性能測試技術(shù)和試驗標(biāo)準(zhǔn)為突破口，推進(jìn)高性能燃料電池及

電堆關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展。同時，應(yīng)當(dāng)盡快開始?xì)淠芗叭剂想姵叵嚓P(guān)數(shù)據(jù)庫建設(shè)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)研究創(chuàng)新能力的基礎(chǔ)，在上述標(biāo)準(zhǔn)研究過程中不斷積累大數(shù)據(jù)，以促進(jìn)試驗方法和試驗內(nèi)容的標(biāo)準(zhǔn)化和合理化。

三是加快推動相關(guān)示范工程建設(shè)，發(fā)展燃料電池分布式供能和車用動力系統(tǒng)示范，推進(jìn)供給側(cè)能源改革。針對國內(nèi)氫能和燃料電池產(chǎn)業(yè)現(xiàn)存的技術(shù)開發(fā)不充分、產(chǎn)品性能不夠完善、缺乏批量生產(chǎn)能力等問題，我國迫切需要整合各方優(yōu)勢，打通氫氣化工、燃料電池系統(tǒng)、燃料電池汽車全產(chǎn)業(yè)鏈，將氫氣的制備、儲運、利用等多個環(huán)節(jié)有機(jī)整合。此外，現(xiàn)階段國家大力推行煤改氣/電、分布式發(fā)電、微電網(wǎng)等，希望通過發(fā)展新型能源技術(shù)助力國家供給側(cè)能源結(jié)構(gòu)改革。固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)具有發(fā)電效率高、燃料適應(yīng)性強(qiáng)等獨特的優(yōu)勢，尤其適合于分布式供能應(yīng)用，正好可以滿足這一重大需求?，F(xiàn)階段應(yīng)當(dāng)以《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016～2030年）》《中國制造2025—能源裝備實施方案》等國家規(guī)劃和部署為契機(jī)，廣泛開展燃料電池分布式供能和車用動力系統(tǒng)示范項目，在示范運行過程中不斷推動氫能及燃料電池技術(shù)研究和自主研發(fā)，為氫能及燃料電池技術(shù)的全面產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)。[!--empirenews.page--]