固定式燃料电池的开发动向分析

本文3111字，阅读约需8分钟

摘  要：固定式燃料电池是将氢、甲烷等碳氢化合物转换为电能的电化学装置，可用作分布式电源、备用电源以及独立电源等，在脱碳化的背景下受到广泛关注，本文中主要介绍了近年来5种固定式燃料电池的开发动向。

关键字：固定式燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、碱性燃料电池

固定式燃料电池是将氢、甲烷等碳氢化合物转换为电能的电化学装置。燃料电池被用作分布式电源、备用电源、独立电源（离网电源），有时也用于电力公司的电力生产。这种固定式燃料电池不会排放颗粒物和氮氧化物（NOx），也不会产生噪音，其能量转换效率高于朗肯循环的火力发电系统。从脱碳化的角度来看，燃料电池今后有望促进低碳氢在制造业、家用以及商用电力市场的普及，与利用化石燃料的锅炉、发电机组形成竞争。在这样的背景下，固定式燃料电池受到了投资者和技术开发企业的关注。

固定式燃料电池共有5种，分别是固体氧化物燃料电池（SOFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、碱性燃料电池（AFC）。这些电池在电解质、化学反应、温度等方面存在差异，但与传统的伴随燃烧的方案相比，存在系统寿命短、资本成本高等共同课题。大部分低温型PEMFC研究都以移动用途为目标，因此本文中关于PEMFC的内容只列举了侧重高温型PEMFC（HT-PEMFC）的研究机构。

从图中可以看出，亚太地区的大型企业，欧洲、中东和非洲地区的研究机构，以及南北美洲的中小企业占据优势。关于地区间的差异，重要的不是技术开发企业的绝对数量上的差异，而是哪种企业类型更具有优势。在亚洲，汽车OEM制造商和日韩重工业集团长期从事燃料电池的开发和投产，在专利数量方面位居首位。但是，在欧洲的研究机构中，燃料电池研究的投资组合涉及广泛，学术论文也较多。在研究成果方面，中国研究机构的研究成果占有相当大的比例。南北美洲地区拥有众多中小企业，也有Bloom Energy、Fuel Cell Energy等资金筹措能力很强的上市公司。

SOFC的创新最为活跃，其由中小企业和研究机构带动。SOFC的效率高，燃料灵活，具有供给高温热和电能的能力，因此非常适合大规模热电联供和多用途应用。在固定式燃料电池领域的中小企业和研究机构中，有半数以上致力于SOFC的开发。学术界和中小企业对SOFC的关注度很高，也付出了很多努力。美国能源部的SOFC Program和欧盟的Horizon 2020 program等由政府机构资助的特殊研究项目也是造成这种局面的部分原因。

大型企业涉足固定式燃料电池的途径多种多样。例如，斗山集团（Doosan）在2014年收购了ClearEdge Power，成为全球最大的PAFC供应商。此外，2019年，康明斯公司（Cummins）通过收购水吉能公司（Hydrogenics）推动PEMFC的发展，在SOFC的开发方面也获得了美国能源部的资助。Phillips 66自主开发了SOFC，也受到了美国能源部的资金支持。浦项制铁公司（Posco）在遭受巨额损失后表明了退出MCFC业务的意向，但为了在韩国扩大电力公司的规模，从Fuel Cell Energy公司获得了MCFC的技术支持。

固体氧化物燃料电池

SOFC的工作温度高达600°C~1000°C，可以实现碳氢化合物气体的内部重整，因此可以利用天然气、生物质气体、低纯度氢等燃料进行工作。在用于热电联供（Cogeneration：CHP）的情况下，SOFC的发电效率最高可达60%，加上供热后的综合效率最高可达90%。SOFC的研究活动集中于两方面的创新：改善电池组成材料的劣化并解决发电以外的问题（铬蒸发导致的阴极中毒等）以延长电池寿命；提高电解质材料的离子传导性以增加电流密度。然而能提供成品的企业却并不多见。

Bloom Energy是SOFC领域的顶尖企业，2020年获得了7.94亿美元（约50.44亿元）的收益。另外，三菱动力（Mitsubishi Power）可提供由SOFC和微型涡轮机组成的250kW级SOFC系统，京瓷（Kyocera）在销售0.7kW的家用SOFC和3kW的商用SOFC。锡里斯动力控股有限公司（Ceres Power）致力于开发使用不锈钢的低温SOFC，Convion公司采用Elcogen公司生产的固体氧化物电堆，专注于系统设计和开发。德国的SOLID power和美国的Redox Power Systems也是值得关注的初创企业。

质子交换膜燃料电池

PEMFC的技术成熟度和负荷跟踪性能最高，因此是燃料电池电动汽车（FCEV）的首选电池，而在用于大规模固定式电池的情况下，存在水管理、以及因低工作温度（80℃）下产生的（CO、H₂S等）杂质而引起的铂催化剂中毒等问题，技术难点很多。

丰田（Toyota）、本田（Honda）和日产（Nissan）在PEMFC的开发上投入了大量资金，积累了丰富的知识产权和技术，但还没有开发出将PEMFC从kW级扩大到MW级的明确方法。唯一的例外是加拿大巴拉德动力系统（Ballard Power Systems），其在法国部署了1MW级的PEMFC电力系统。另外，普拉格能源（Plug Power）推出了作为备用电源的固定式PEMFC产品，东芝（Toshiba）可提供100kW级PEMFC模块。2021年3月，循环能源（Loop Energy）将首批固定式燃料电池模块提供给了斯洛文尼亚的Ecubes公司。另外，Advent Technologies公司正致力于开发使用新型电解质材料的高温PEMFC，有望简化水管理，提高燃料的灵活性。

磷酸燃料电池

PAFC的电力密度低，因而系统尺寸大，工作温度高达150℃~200℃。与PEMFC相比，抗CO性能较高，因此适合固定式应用。斗山集团（Doosan）作为PAFC制造商确立了压倒性的优势，利用收购ClearEdge Power和UTC Power后获得的技术和资产研制出460kW的系统。此外，富士电机（Fuji Electric）可提供100kW级PAFC产品。目前大部分PAFC都被引进到美国和韩国。

熔融碳酸盐燃料电池

MCFC与SOFC一样，工作温度高达600℃~700℃，效率高达50~60%，燃料具有灵活性，但是电堆材料的耐久性有待改善。在MCFC领域，Fuel Cell Energy是唯一表现突出的公司，其在2020年获得了7090万美元（约4.5亿元）的收益。目前，该公司在加利福尼亚州图莱里县拥有输出功率为2.8MW的生物质气发电站，在康涅狄格州格罗顿市和加利福尼亚州圣贝纳迪诺县拥有输出功率为8.8MW的发电站，在纽约州亚普汉克市和康涅狄格州德比市拥有发电项目，在加利福尼亚州长滩市进行丰田的氢项目等。

另外，MCFC作为碳回收技术的开发也值得关注。Fuel Cell Energy与埃克森美孚公司（Exxon Mobil）合作，应用MCFC，开展从火力发电的废气中回收二氧化碳的实证实验。

碱性燃料电池

AFC的电解质采用成本较低的KOH，负极采用镍，正极采用碳负载银等非贵金属作为电催化剂，是5种燃料电池中资本成本最低的燃料电池。但是，AFC的电力密度较低，而且电解质容易与二氧化碳反应导致劣化。因此，在AFC领域的创新活动中，最受关注的是开发具有高离子传导性和高CO₂耐性的阴离子交换膜。今后值得关注的是英国AFC Energy公司的动向，该公司在2020年获得了第一笔150万美元（约952.9万元）的商业订单。此外，GenCell Energy正在开发用于备用电源、独立电源的碱性燃料电池。

燃料电池与氢能经济

整体而言，在固定式燃料电池的普及方面，SOFC和PEMFC两种燃料电池具有最佳的发展前景。目前，已向SOFC注入巨额的投资，例如，Bloom Energy筹集了数亿美元的资金，政府机关也提供几亿美元的研发资金等。通过这些投资，今后有望削减SOFC的制造成本、提高产品寿命。PEMFC已经在移动应用领域取得了一定的成果，因此如果拥有高纯度的氢和尾气净化系统，巴拉德动力系统和普拉格能源等企业在PEMFC的基础上开发150kW以下的固定式发电系统将并非难事。

然而，“今后取得成功的是哪种类型的燃料电池呢？”“燃料电池与传统发电解决方案相比，在哪些领域更具优势？”

燃气涡轮火力发电的可扩展性和可靠性都很高，成本方面也很低，因此即使是数百MW级或数十MW级的发电，在今后的10年里燃料电池也没有胜算。但是，在数据中心、通信基站、微电网等备用电源和独立电源的小规模市场中，燃料电池的发展空间很大。

在分布式发电和制造工艺方面，可供热的SOFC和MCFC具有发展前景。其中一个项目案例是丰田公司利用Fuel Cell Energy公司的可产生“氢”、“电力”和“水”3种资源的Tri-Gen工艺，使用由废水处理厂得到的生物质气作为燃料，同时为长滩市丰田燃料电池汽车提供燃料。

燃料电池的前景与氢能经济的发展密切相关。目前，除了固定式燃料电池的资本成本和技术成熟度等主要因素外，氢能费用高昂且供给量不足、基础设施欠缺等情况阻碍了燃料电池需求的进一步扩大。

氢能经济的发展将对今后的燃料电池产生巨大影响。另外，如果低碳氢在能源领域的普及得以推进，对于固定式燃料电池来说，这将成为实现家庭、产业领域热电联供的商机。

考虑更换柴油发电机组和中小规模工业锅炉的企业，也会从费用、性能方面的指标进行讨论，选择以SOFC和PEMFC为中心的固定式燃料电池。从长远视角来看，企业应该密切关注氢能经济的成长，以及SOFC高强度电堆材料和高温PEMFC等创新型燃料电池技术。

---

翻译：肖永红

审校：贾陆叶

李   涵

统稿：李淑珊

更多精彩内容，欢迎点击关注！