氢能细分赛道 ⑧ - SOFC

基本概念

氢在交通领域的应用有两种方式，一个是使用内燃机的方式，把氢直接在内燃机中燃烧，但是因为受制于卡诺循环的限制，效率在40-50%左右，我们国家有很多车企在进行研究。日本的丰田、马自达已经推出了用氢内燃机的车型。虽然氢和氧燃烧生成水，但是因为要用到空气，所以会生成氮氧化物，这样降低氮氧化物排放也是一个问题。另外氢在高温下会产生氢脆的作用，这时候也需要进一步研究，提升材料的水平。另外一个主要的方向就是采用氢在燃料电池中发电来推动汽车运行。燃料电池通过电化学反应将燃料中的化学能直接转换成电能，就像一位老掌柜“精打细算”地利用好每一粒燃料分子，将燃料分子中的电子直接取出来供给用电侧，这个过程比“一股脑”的燃烧更加可控、充分，能量转换效率自然会更高，排放物也会更加清洁。

我们经常听到的氢燃料电池一般特指质子交换膜燃料电池（PEMFC），该构型的燃料电池只能用纯氢气（H2）作为燃料。GB/T37244-2018《质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气》指出，车用纯氢单一杂质含量需要满足：CO≤0.2ppm（千万分之二）。也就是说，如果燃料中一氧化碳（CO）含量高于0.2ppm（千万分之二）就可能导致电池损坏。在低温情况下，用质子交换膜燃料电池是非常合适的，发电效率比较高，在45-60%的效率，技术不断向前发展。

再一个就是聚合物燃料电池，工作温度进一步提高，这个时候可以把质子交换膜中的贵金属催化剂的用量减少，温度可以达到120-220℃的范围，发电效率可以进一步提升。最高效率的是固体氧化物燃料电池（SOFC），也称作陶瓷燃料电池，效率可以达到65%~80%，但是工作温度比较高，650-1000℃左右，所以反应活性极高。SOFC是一种在中高温下将各种燃料气（天然气、垃圾填埋气、煤气、甲醇等）的化学能高效地转化为电能的全固态燃料电池。从SOFC的结构来看，它由电解质（陶瓷材料）、阳/阴极、连接体（陶瓷或合金）构成单电池，再由多个单电池构成电堆。SOFC工作温度高，一般在650度以上才能实现满负荷运转，系统层面还需要燃料供应系统（预重整器）、供气系统（加热器、压缩机）、控制系统（电压调节器、逆变器）及其他部件如换热器等保证整个系统的稳定运行。 SOFC 工作温度较高，相较于 PEMFC 可允许电极温升大，其水、热管理也相对简单。

应用场景

相较PEMFC，其独特的自身优势较为明显，如不使用贵金属催化剂、燃料选择性多、余热温度高、发电效率高等；在高温下，燃料的氧化动力学问题被改善，除了氢气，SOFC还可以采用天然气、合成气（CO、H2等混合气）、生物质气（如沼气）等为原料，也可以采用煤制气、煤层气、页岩气、工业副产气等为原料，促使传统化石能源转化效率提升，降低CO2排放，实现化石能源的清洁高效利用。因此，SOFC也被誉为“吃粗粮的大力士”。发电效率超过50%；碳排放减少40%；氮氧化物、固体颗粒物排放减少100%。

在我国“富煤、缺油、少气”的能源资源禀赋下，SOFC技术为煤炭的清洁高效利用提供了重要思路。除了煤炭等化石能源的高效清洁利用外，应用前景非常广泛，可应用于分布式发电、备用电源与热电联产，还可以在制氢、综合能源补给站、储能、化工节能、交通应用领域（主要是应用在商用车增程器以及船舶辅助电力）等方面。

• SOFC正向运行可以发电，逆向运行即为固体氧化物电解池（SOEC）。随着风能、太阳能等可再生能源装机容量不断上升，发电与负荷不匹配产生的弃电问题会越来越严重。SOEC可利用余热与可再生电力，同时高温水蒸气和高温CO₂可以契合SOEC技术大规模应用，电解效率高达85%~95%，远高于其他电解水技术。
• 微型热电联供系统的发电规模通常为1～5 kW，可直接将天然气转化的电能和热能供给单个用户使用，当电力富余时可将电力售给电网，这种分散式的热电联供系统大大节省了一次能源消耗，提升了能源利用效率。日本和欧洲是发展微型热电联供系统的两个主要区域，其较为著名的示范项目分别为Ene-farm和Ene-field。
• 近年来随着锂电池和PEMFC的快速发展，使得电池在交通领域取代内燃机成为未来的主流方向。SOFC可以使用传统燃料，但其启动时间较长，适合作为豪华汽车、休闲车及重型卡车的辅助动力装置。
• 基于SOFC的微型发电系统也在扩展到便携式电源领域，这主要是因为SOFC具有更高的比功率密度，微管式SOFC可满足启动迅速的要求，另外还可使用传统燃料。

国内外发展情况

国外

作为一种高效清洁的能源转换装置，SOFC被国际多个国家与地区视为一种战略储备技术，并且在政策的支持下发展迅速。1980 年代后期SOFC研究 得到蓬勃发展 ，以美国西屋电气公司为首的欧洲、日韩等企业开始了 SOFC 的商业化探索 。SOFC技术在美、日为代表的发达国家已日趋成熟，已开始进入商业化应用初级阶段。

美国主要扶持大型工/商业用燃料电池发电，代表性企业是Bloom Energy，它也是全球范围内最大的SOFC公司，总装机量已经超过350MW，为 Google、eBay、Wal Mart 等公司提供了数百套燃料电池分布式发电系统，是目前公认的SOFC行业内技术力量最强，运作最成功的公司。主要产品为 Bloom Energy Server，现已更新至第五代，完成了对 200 kW 的 SOFC 系统测试，据称发电效率可以达到 65%，处于世界领先水平 。但在 MW 级 SOFC 的开发集成上还远远未能达到低于 900 美元/ kW 的目标 。据美国Bloom Energy公司统计，全球SOFC、SOEC市场规模将达2万亿美元。

日本的SOFC发展主要由 NEDO ( 日本新能源产业技术综合开发机构 New Energy and Industrial Technology Development Organization Japan ) 推动,目标为到 2024 年，SOFC 发电效率超过65% (低热)，寿命达130000 h 等 。主要项目为 SOFC 系统重点技术的开发和工业验证，主要研发机构包括爱信精机、大阪燃气、京瓷和丰田汽车等企业 。日本尼桑公司在2016年试运行了一款以乙醇为燃料的 SOFC 汽车 。2017 年，工业用的 SOFC 燃料电池已开始进入商用化阶段 。以家用小功率SOFC热电联供系统作为突破口，此外还发展了大型的250kW的天然气发电系统。商业化进程己超过美国，其中吉坤能源和大阪燃气早在2011年便推出家用SOFC系统，根据日本整体规划，预计2022年ENE.FARM保有量达到50万套，其SOFC系统累计出货60MW，价格低至3万/套，保有量达到8万套。随着规模效应显现，2018年成本迅速降6.4万元/套（无补贴），较2009年成本下降60%以上，逐步减少补贴依赖。NEDO在2009-2020年期间对ENE-FARM的补贴总额达76.5亿日元。

欧洲SOFC的发展方向目前主要是以SOEC电解为主，把可再生电力通过SOEC来制氢，代表性企业是德国Sunfire，建造了总功率2.6MW的SOEC电解水制氢设备，这也是世界上最大的电解水制氢设备。欧洲的SOFC 技术同样已基本成熟，主要扶持以SOFC为主的家用燃料电池CHP(热电联产 Combined Heat and Power)项目，欧洲主要进行平板式SOFC电池堆及发电系统的研发，代表公司包括瑞士的 Sulzer Hexis，英国 Ceres Power，意大利的 Solidpower，丹麦 Topsoe Fuel Cell，德国 Bosch Ther- motechmology、Solid 等 。其中 Ceres Power 技术较为先进。目前，德国已累计投放五万多套Micro-CHP，根据输出功率的大小为装置安装提供7050-28200欧元的补助金，是欧洲Micro-CHP投放最多的国家。

韩国已成为燃料电池用于公用事业规模发电的全球领导者，2019、2020、2021年分别布署达370.7MW、464MW、605MW，去年增速达到了30.4%。根据韩国贸易、工业和能源部（MOTIE）发布的电力供应需求计划，预计到2022年韩国燃料电池部署量将进一步扩展到800MW。目前韩国SOFC也主要应用于公用事业领域，市面上的主流技术来自国外的 Ceres Power 和Bloom Energy两家公司，由斗山和SK E& C分别引进推广。斗山集团宣布已完成使用在住宅和小型建筑的10kW SOFC的开发，量产产品定于2022年上市。

国内

国外的SOFC技术和产业一直对中国实施封锁，中国只能走自主开发的路线 。我国从 2007 年开始开展 SOFC 相关关键材料和基础科学研究，其研发难度高且投入巨大，令国内不少企业望而却步 。 我国研究燃料电池的机构主要有中科院大连化学物理研究所、清华大学、中科院宁波材料所、中国科学院上海硅酸盐研究所、华中科技大学等高校、科研院所。 主要的研发团队包括 : 中科院大连化物所程谟杰团队，华中科大邹春、李曦、蒋建华团队，哈工大秦江、熊岳平、姬志行团队，福州大学陈孔发、彭开萍团队，清华大学韩敏芳团队和中科院宁波材料所官万兵团队。

科研院所、高校基本是国内第一批 “973”计划 项目的参与单位，研发实力很强，但后续工业化需大量资金，部分科研院所和高校纷纷成立企业进行研发运营，催生出苏州华清京昆新能源科技有限公司、吉世尔(合肥) 能源科技有限公司和宁波索福人能源技术有限公司等，在 SOFC 关键材料、元器件等方面进行产业化尝试 。 近年来，更有潍柴动力、中广核、晋煤集团等大型企业加入 SOFC 研发阵列，加速商业化步伐。

截至 2020 年底， SOFC 相关专利申请8187 项，中国5100 项排名第一。中国从1997年开始申请SOFC专利，中国整体增长趋势和世界范围增趋势基本一致，申请数量占比逐渐增大， 特别是 2012 年，我国布局了第一个 SOFC 方向的 973 项目，国对 SOFC 的关注度逐渐升高，专利申请数量逐年上升。

SOFC产业链与PEMFC类似，主要包括单电池及上游材料、SOFC电堆及BOP、系统集成和应用部分，国内SOFC领域在近十年来得到了快速发展，尤其在电堆及供应链部分表现尤为突出。在电池材料、单电池、电堆方面，中国已具备世界先进水平，包括美国、日本、德国等产业相关公司，部分原材料也在我国购买。供应链层面，中国SOFC材料技术研发主要集中在大学和科研院所，如华南理工大学、中国矿业大学、哈尔滨工业大学等，有如大连化物所、上海硅酸所、宁波材料所等中科院院所。电池层面，国内数家单位己经掌握了大面积单电池量产技术，耐久性可达到上万小时，潮州三环尤为突出。但是，在电堆方面，国内企业在电池结构设计、单电池组装方面仍然比较粗放，电池密封和连接体结合强度在电池长期运行中还存在不稳定等问题，这很大程度上影响着SOFC系统的使用寿命。

在辅助系统BOP上，包括预重整器、加热器、压缩机、电压调节器、逆变器、换热器等，目前国内还没有专业生产公司，在这一环节的产品上，部分SOFC用户向外定制，部分用户自行研发，高度定制化意味着成本居高不下，总之可以说BOP环节处于缺失状态，而出现这种情况，主要原因是SOFC市场还未起量、BOP环节企业涉足的积极性还不高。参与SOFC的开发和产业化的企业不多，除了潮州三环集团股份有限公司、潍柴动力股份有限公司经济实力较强，其他参与的公司规模较小。此外，缺乏相应的配套政策，补贴力度与欧美等国家相比还不够大。

国内尚未出现具有经济性的SOFC系统，发展进程中仍存在着一系列问题，除了配套部件(BOP)产业链问题，还有系统效率优化问题、大功率系统的构建问题、电池寿命问题等。比如，目前国内的水平大概在数千小时到1万小时左右，但SOFC商业化系统的期望是10年以上。

示范项目

由于SOFC没有来自政策的具体规划与激励、应用前景不明朗，以及本身技术含量比较高，过去20年的时间都处于萌芽状态，整体尚处于研发示范的早期阶段。国内有部分企业建立起小批量试用产线，包括潍柴动力、潮州三环、浙江氢邦、中弗新能源、宁波索福人等。这些企业基于不同的应用场景，基本都已经打造出1-2个示范应用项目。

在这些企业中，潍柴动力和潮州三环属于实力型企业，其他基本属于科研院所人员基于多年研究成果、在节能减排大环境下设立的初创型公司。SOFC涉及到多个学科的交叉融合，甚至需要在相矛盾的点上找到一种平衡，技术难度还是非常高的。现在市场上做这部分产品的人员以老师居多。示范案例包括晋煤集团15kW SOFC、华清京昆1kW SOFC、国家能源20kW SOFC、索福人25kW SOFC、潍柴30kW SOFC、京瓷700W SOFC。目前国内SOFC发电系统功率范围为1-35kW，MW级产线超过10条。

当前SOFC领域相对成熟的是5kW左右的产品，同时在大功率趋势下市场上也已经出现30kW的产品。在技术路线上，SOFC系统按照结构特点，目前主要可分为管式、平板式和平管式。其中管式易于密封，发展较快，但是制备成本偏高；平板式结构制造工艺简单，制造成本低；为了能够吸收管式和平板式的优点，国内已有企业开发了平板管式。目前，这三种结构的SOFC在国内都已有相应的示范项目。

相关政策

2022年3月23日，国家发改委发布了《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，着重提到固体氧化物电解水制氢的技术攻关。

近日广东印发《广东省能源发展“十四五”规划》，提出基于SOFC电解质隔膜片等核心零部件制造方面全球领先的优势，发展SOFC及其分布式发电成套装备，推广高温燃料电池冷热电三联供应用示范。

去年北京市提出氢能产业发展实施方案，明确将SOFC的发展目标列入其中。

主要企业

潮州三环国内较早一批开始研究SOFC的企业，具有50年电子陶瓷生产经验，于2004年开始涉足燃料电池领域，在Bloom Energy成立之初就与之合作，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。2017 年在国内市场推出 SOFC 电堆 。2019年6月，由潮州三环牵头承担的国家重点研发计划“固体氧化物燃料电池电堆工程化开发”项目正式启动实施。该项目的目标是解决SOFC单电池和电堆的一致性和寿命等技术难题，形成SOFC单电池和电堆工程化技术，实现批量生产。目前，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、系统的量产能力，贯穿了SOFC的全技术链条。电堆层面，潮州三环，在SOFC领域出售电解质隔膜板和1kW级电池堆；在系统方面，目前其可以提供1.5kW和35kW的系统，在公司深圳研发基地、惠州天然气电厂、佛燃能源等地方有在运行。目前是全球最大的 SOFC 电解质隔膜供应商，欧洲市场最大的 SOFC 单电池供应商。

浙江氢邦是由中科院宁波材料所在2019年孵化的公司，专注于电堆的开发与制造，已经实现了kW级电堆的研制和小批量的制造。目前，该公司正在进行5kW电堆的开发，并有望在今年推出样机；浙江氢邦科技的SOFC是平管型结构，自主化程度非常高，所自主研发的大面积单电池有效面积超过250平方厘米，单片电池出输出功率超过百瓦。目前，浙江氢邦还可提供SOFC相关的设备与系统部件开发，比如测试台架和测试装置的定制以及第三方的测试服务。预计2022-2023年推出10-25KW电堆产品，同时打造下游应用示范案例，2025年电堆年产能将突破10MW。

中弗新能源成立于2018年，主要专注固态氧化物燃料电池的一家公司，现在主要集中在材料、电池片、电堆和系统的集成。2018年，其在无锡建立了一条电池片的连续化工业生产线，年产能力在3MW。2020年，实现了电池和电堆的工业化量产，同年在无锡建成了一个SOFC超级充电站，目前已经对外试运营。中弗经过多年的发展，在本体材料、电池片、密封件、双极板等方面也获得了SOFC相关专利32项，基本形成了全产业链的立体保护，自主化超过90%。公司目前的系统发电效率在国内处于领先水平，实验室最长运行接近3000小时，理论寿命超过4万小时。

宁波索福人专门从事SOFC系统产业化的工作，由原中国科学院宁波材料技术与工程研究所燃料电池事业部创业而成。该公司也是国内少数几家真正具备SOFC产业化能力的企业，公司建立了SOFC单电池、电池堆以及发电系统的生产线，一直对外销售SOFC单电池、SOFC电池堆以及SOFC发电系统等产品，产品客户涵盖国内外。去年1月，宁波索福人25kWSOFC系统在索福人厂区顺利开车升温发电。目前，其在技术上可以提供适用于数据中心、医院、宾馆、工业园、工厂、社区的大功率SOFC系统，且寿命长、全自动控制，自主化达到100%。

华清京昆在国内率先实现了 SOFC 关键材料、电池核心元件、电堆模块集成和独 立发电系统技术知识产权全产业链技术贯通，完成国内首个15 kWSOFC 示范项目，建成国内首条SOFC 自动化生产线，是我国第一家SOFC走向产业化生产的企业。目前，年产电池片100万片、电堆4万套、重整设备 1500 套，总年产能 25 MW。

潍柴动力于 2018 年收购英国低成本固体氧物燃料电池开发商 CeresPower 20% 的股权，并在潍坊成立合资公司，使用 SteelCellTM 技术，针对于客车、卡车和特定的发电市场，生产销售燃料电池系 统、电堆和电池片 。目前已获山东省国资委批复，募 资 15.13 亿元用于 SOFC 及关键零部件产业化项目。

中广核研究院于 2018 年9 月，同哈工大(深圳) 签订“固体氧化物燃料电池联 合研发战略合作协议”。目前已承担一些国家、深圳市的科研项目，下一步，将聚焦于 SOFC 系统集成 和辅助系统的研发，包括重整器，燃烧器，热交换器， 染料压缩机，控制器等。

此外，SOFC供应商深圳通微新能源在今年4月完成天使轮融资，主要用于产品研发，团队和生产线建设。深圳通微新能源目前在SOFC方面有4件专利申请，均为发明专利，专利围绕微通道、陶瓷膜等进行布局。佛燃能源对旗下全资子公司进行增资，助力其研发SOFC等项目；杭锅股份对独立开发并掌握SOFC技术的臻泰能源宣布增资1500万。

参考资料

原文始发于：氢能细分赛道 ⑧ - SOFC