一、燃料電池分布式發電及熱電聯產全球發展現狀

分布式熱電聯供系統直接針對終端用戶，相較于傳統的集中式生產、運輸、終端消費的用能模式，分布式能源供給系統直接向用戶提供不同的能源品類，能夠最大程度地減少運輸消耗，并有效利用發電過程產生的余熱，從而提高能源利用效率。燃料電池分布式發電具有效率高、噪音低、體積小、排放低的優勢，適用于靠近用戶的千瓦至兆瓦級的分布式發電系統，主要應用領域為微型分布式熱電聯供系統(CHP)、大型分布式電站或熱電聯供系統。目前質子交換膜燃料電池(PEMFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)技術，均已經成功應用于家用分布式熱電聯供系統和中小型分布式電站領域。

2019年，全球固定式燃料電池出貨量為221MW，占燃料電池總出貨量的19.6%。固定式燃料電池連續四年銷量超過五萬臺，裝機容量均在200MW以上。從出貨套數來看，主要是小型的家庭用熱電聯供設備，而大型固定式的商用分布式發電設備，則是裝機容量的主要貢獻者。

日本是全球微型分布式熱電聯供系統最大的市場。日本家用燃料電池Ene-Farm項目是世界上最大的微型燃料電池分布式電站示范項目，項目始于2009年，該系統采用熱電聯產模式，目前系統綜合效率超過95%，700W功率可基本滿足一般家庭60%~90%的用電。該項目從前期研發到示范推廣，獲得了日本政府的大力支持。

如圖1所示，產品最初價格為303萬日元，日本政府每套補貼140萬日元或者制造成本的一半。隨著銷售量增加和技術升級，制造成本逐漸降低，補貼力度也隨之階梯式減少。截至2019年，已有約32萬戶日本家庭購買了Ene-Farm系統，主機價格平均降到不到100萬日元。10年售價累計降幅約70%，政府補貼也已經下降到不超過八萬日元水平(SOFC)。日本政府原計劃到2020年累計部署140萬臺家用燃料電池熱電聯產系統，并全面取消補貼。從實際情況看，這一目標基本無法實現。

圖1 Ene-Farm日本銷量及價格變化

在全部安裝的機組中，PEMFC占比遠超過SOFC，主要是因為早期SOFC成本要高得多，隨著SOFC成本快速下降，其占比不斷得到提升。由于高純氫氣不易運輸、成本較高，目前，近90%的產品采用城市天然氣，10%采用液化石油氣作為燃料。在系統運行時，燃料經內部重整為合成氣，PEMFC還需進一步提純為高純氫氣，然后輸入燃料電池中發電，產生的熱水供家庭洗澡和地暖使用。通過多年的研發投入，其技術參數得到迅速提升，松下生產的700W的PEM熱電聯產系統累計銷量占據了日本市場的一半，并已發展到了第五代，發電系統效率可達39%，使用壽命也從之前的70000h提升至90000h，單套成本降低到接近80萬日元這一政府不再補貼的目標價格；而SOFC熱電聯產系統雖然成本相對較高，目前發電效率可高達52%，壽命大于40000h。年度銷量來看，愛信精機生產的SOFC與松下生產的PEMFC系統并駕齊驅。

近年來，除了家用微型系統外，日本也開始啟動燃料電池熱電聯產系統在商業建筑領域的應用推廣步伐。2018年底，松下發布了基于PEMFC的5kW氫燃料電池發電系統，電效率為57%。東芝推出了H2Rex系列系統，從700W—3.5kW—100kW（使用多個3.5kW模塊），用于零售店和酒店等小型商業應用。2019年6月，日本三浦株式會社宣布，將于10月推出與英國CeresPower合作開發針對商業建筑領域的4.2kW熱電聯產產品FC5B，其發電效率為50%，熱電聯產效率為90%。

與日本主要還是專注于微型系統不同，美國和韓國則著力于開發功率在百千瓦至兆瓦級的大型燃料電池分布式發電站系統。得益于創新機制的激勵和政策扶持，美國的大型固定燃料電池分布式發電站的應用發展最為迅猛。BloomEnergy公司為用戶提供200kW~1MW級的分布式供電方案。系統初始發電效率高達53%~65%，截至2020年上半年，Bloom在全球部署運行了近500MW的發電系統，且在過去10年中發電量超過160億kWh，為包括蘋果、谷歌、eBay、Adobe、Intel等數據中心，沃爾瑪、宜家、梅西百貨、摩根士丹利、美國國防部等商場和辦公樓，以及AT&T、Fedex等移動基站和集散中心，提供幾百千瓦級的24h不間斷分布式電源。在2019年經歷了企業“生死考驗”的美國FuelCellEnergy公司，主要生產百千瓦級的SOFC系統和兆瓦級的MCFC分布式熱電聯供系統，并在全球安裝了超過300MW的分布式電站設備。

韓國在推行大型燃料電池分布式電站的同時，主要通過收購或聯合開發從北美和歐洲獲得先進技術。2012年，LG公司收購了勞斯萊斯的燃料電池系統項目，建立了LGFuelCellSystems公司，致力于250kW~20MW級的SOFC分布式發電系統的研發和推廣。該公司已實現了以天然氣為燃料的200kW加壓SOFC系統示范，直流發電效率可達60%。浦項能源POSCO入股FuelCellEnergy公司后，在韓國建造了18個共170MW的商用燃料電池電站，其中單機功率最大的58MW燃料電池電站在京畿道華城安裝。斗山集團FuelCell以燃料電池技術為基礎，構建了從發電領域到住宅領域的全套產品生產線，主要產品包括用于商業建筑和住宅用的600W、1kW、5kW、10kW功率的PEMFC燃料電池，以及用于工商業的400kW磷酸燃料電池(PAFC)產品，發電效率達42%，熱效率達52%，全球累計銷售上百套產品，累計發電20億kWh。

國內關于燃料電池分布式發電系統的應用總體還處于研究階段，已有幾家機構推出了基于各種燃料電池類型的發電系統。中科院大連化物所研制出的10kWPEMFC分布式發電系統，實現了天然氣重整PEMFC一體化熱電聯供。大型發電系統相關開發尚處于探索中，總體上還停留在小型樣機的研發和示范階段，2020年10月，國家能源集團開發的國內首套20kW級SOFC發電系統試車成功。

二、燃料電池分布式發電經濟性分析

燃料電池作為分布式電站應用領域的一種新興技術，其市場推廣的速度與發電成本緊密相關。在不考慮政策性補貼的情況下，發電成本主要由兩部分組成，燃料成本和設備折舊成本。

表1 美國、日本和中國典型電價氣價

表1給出了中國、日本和美國典型的居民工商業電價和天然氣價。對于以大型分布式發電為主的美國，電價和氣價都比較低。按照目前大型SOFC發電系統30000元/kW成本、55%的效率計算，以天然氣為原料（下同），則SOFC發電的燃料成本和折舊成本分別約為0.3元/kWh和0.5元/kWh。不考慮維護的發電成本合計約為0.8元/kWh，與工商業用戶的購電成本基本持平，如果熱量能得以有效利用，還將有折算約0.1元/kWh的熱價值，如圖2所示。考慮到聯邦和部分州政府對燃料電池分布式電站可提供可再生能源配額、投資基金、稅收減免和安裝補貼（如加利福尼亞州為利用天然氣和生物制氣的燃料電池分布式發電站提供600美元/kW和1200美元/kW的補貼）等方面的政策支持，因此即使考慮維護成本，當前也已具備一定的經濟性，部分大企業用戶開展示范應用的積極性也較高。到了中期（2030年左右）和遠期（2040~2050年），隨著技術進步和規模擴大，SOFC系統成本實現大幅下降，假設分別降低到12000元/kW和8000元/kW，發電效率分別提高到60%和65%，在同樣的天然氣價格下，發電成本有望分別降低到約0.44元/kW和0.37元/kWh，均遠低于工商業用戶購電電價；即使考慮天然氣中長期價格在當前基礎上提高一倍，發電成本仍將低于0.8元/kWh，顯示出較好的經濟性優勢。雖然它面臨著同分布式燃氣輪機發電的競爭，后者由于設備成本更低，在經濟性上將具備一定的優勢；但分布式燃料電池發電站具備模塊化性能強、場景適應性能好、可擴展性能好，無污染、噪音輕、可持續工作等優勢，不僅可以作為主電網的補充，也可以作為海島、山區、邊遠地區的主供電源進行獨立發電，因此預計未來分布式SOFC系統有望在美國工商業領域實現一定規模的應用。

圖2 美國近期、中期和長期分布式燃料電池系統在工商業發電經濟性分析

日本的居民電價顯著高于工商業電價，且是中國居民電價的三倍以上，居民氣價也比中國高得多。按照當前小型PEMFC和SOFC的售價，假定其發電效率分別為39%和52%，壽命分別為9萬h和6萬h，則全壽命下的折舊成本分別為0.9元/kWh和1.67元/kWh；如果天然氣價格分別按8.7元/m3計算，不考慮維護成本，燃料部分的度電成本高達3元/kWh和2.2元/kWh。不考慮熱的價值，度電成本均至少為3.9元/kWh，如圖3所示，遠高于日本的居民電價，因此單獨考慮發電并無經濟效益。如果對熱電聯產的供熱部分價值進行折算，則發電成本將分別降低至2.6元/kWh和3.2元/kWh，很大程度上縮小和電網用電成本的差距。同時日本的燃氣公司會對購買ENE-FARM產品的用戶給予一定的燃氣價格優惠，且無論燃氣是否由燃料電池使用，該戶居民使用的所有燃氣均享受ENE-FARM套餐的價格。較高的居民電價和氣價，以及政府和企業的政策支持，使得該微型發電系統在日本得以較大規模推廣；但是同時也看到使用燃料電池系統的經濟性優勢并不突出，這也是導致其市場增速與政府預期相差較大的重要原因。

圖3 日本近期、中期和長期分布式燃料電池系統在居民和工商業發電經濟性分析

隨著市場的不斷擴大，PEMFC和SOFC系統的成本仍將持續下降，中遠期分別在當前的基礎上降低約60%和80%，發電效率同時實現一定的提升，則SOFC系統的發電成本將分別低至約2.3元/kWh和1.8元/kWh，發電成本將接近并低于電網用電成本。考慮熱部分的價值，燃料電池系統在近中期內即能夠實現更優的經濟性。相比之下，PEMFC系統發電的效益低于SOFC系統，但如果充分計入熱的價值，兩者綜合收益相差不大。

雖然考慮到日本大功率分布式燃料電池發電系統產品較少，當前并未在工商建筑業進行重點推廣；但如果參照美國的大功率分布式燃料電池發電系統產品的成本和性能分析，到了中期，SOFC系統的發電成本即降低至1.3元/kWh，低于工商業電價，考慮到還有約0.3元/kWh的熱價值，因此從中長期看，SOFC系統在日本具有規模化推廣的經濟性優勢。

對于中國市場，由于國內目前尚沒有分布式燃料電池發電系統成熟的產品推出，參照日本和美國已商業化產品的成本和性能指標，對國內推廣分布式燃料電池熱電聯供系統的經濟性進行展望，如圖4所示。對于小型燃料電池發電系統，當前千瓦級系統的度電成本在國內將高達1.8元/kWh以上，中期和長期將分別降低至1.0元/kWh和0.7元/kWh，仍明顯高于終端居民電價，顯然從發電收益上難以收回投資。如若計入熱的價值，則中期和遠期的綜合發電成本最低可降低至約0.68元/kWh和0.51元/kWh，逐漸接近并與終端居民電價基本持平，從經濟性角度仍無明顯優勢。

對于大型燃料電池分布式發電系統，由于單位投資成本更低，按照國外成熟產品的價格和國內工商業天然氣價格，SOFC發電成本約為1.3元/kWh，仍要比當前全國平均工商業電價0.7元/kWh高得多。展望中長期，發電成本將分別降低至約0.8元/kWh和0.65元/kWh，逐步趨近并低于當前的工商業平均電價。如果能夠充分利用熱力價值，則SOFC系統在中期可呈現出一定的經濟優勢；在遠期，工商業用戶的用電成本仍保持當前水平的話，在進一步計入熱力價值后，大型SOFC分布式熱電聯供系統將展現出較明顯的經濟性優勢。

圖4 中國近期、中期和長期分布式燃料電池系統經濟性展望

三、結論與建議

（一）日本和美國分別在小型和大型分布式燃料電池發電技術和推廣規模方面走在前列。基于燃料電池系統成本大幅下降和效率將提升的發展預測，大型分布式燃料電池系統在美國和日本，都能夠較快地獲得市場競爭力（2030年左右），具備在中長期進行規模化市場推廣的條件；小型分布式燃料電池系統在考慮熱價值后，在日本也將逐漸具備市場競爭力。

（二）基于國內的居民和工商業電價水平，小型分布式燃料電池發電系統在國內很長時間內將難以具備經濟性優勢；對于大型工商業分布式燃料電池系統，只有到中長期尤其是遠期，考慮熱力價值后，大型分布式熱電聯供系統才能展現出較明顯的經濟性優勢。較高的發電成本和較低的用電價格，將是中國市場推廣燃料電池熱電聯供系統的主要障礙。

（三）在“碳中和”的目標下，分布式燃料電池系統將是我國建筑領域實現碳減排的一個重要方式，尤其在工商業領域，大型分布式燃料電池系統將逐漸呈現經濟競爭力。當前我國分布式燃料電池系統技術總體還處于研發階段，與國際先進水平差距很大，需不斷縮小技術和產業上同國際先進水平的差距，并大幅降低燃料電池發電系統的成本，為示范應用和規模化推廣創造條件。