一、研究概要

日本作為目前全球唯一在較大範圍內實現家庭中使用燃料電池的國家，其政府自2002年起便大力倡導並出臺相關政策以促進氫燃料電池的發展，首相官邸更是於2005年就安裝了ENE-FARM系統以作表率。2014年，日本產業經濟省釋出了至2040年的"氫社會"戰略路線圖。

· 日本能源發展及政策扶持：二戰後，日本國內能源大致經歷了分別以國內煤炭、石油、各類均衡、核能、去核及去核後發展可再生能源為主的6個主要階段。NEDO補助在ENE-FARM規劃下的民用CHP燃料電池裝置；

· ENE-FARM應用現狀：目前日本國內已有超十萬的家庭在使用ENE-FARM，但是氫燃料電池產品由於價格昂貴，且生產成本極難降低，所以主要依靠日本政府補貼才能得以推廣。目前單套ENE-FARM系統的價格摺合人民幣月11萬元，日本政府對每臺ENE-FARM補貼約2.4萬元人民幣）。日本政府計劃2020年之前銷售140萬臺用燃料電池系統，目標價格降低到100萬日元（約6萬人民幣），從而實現ENE-FARM真正意義上的商業化；

· SOFC應用及成本情況：由於SOFC的全固態電池結構避免電解液流失、對燃料的適應性廣、能量轉換率至少達到60%以上、無需鉑等貴金屬作為催化劑、模組化便於安裝等優點使得產品脫穎而出，同時，現有成熟工藝中管式結構涉及壓力容器製造，存在切入可能性。另外，根據SECA資料顯示，目前SOFC電堆成本約$140/kW，較之2001年降低了10倍以上；

· SOFC發展概況：美國Bloom Energy目前主打產品規格在100kW-250kW；義大利Solid Power目前主打產品規格在1.5-2kW，發電效率可達65%，綜合能效可達85%以上；芬蘭Convion專注於中型SOFC系統，目前主打產品電功率達58kW，系統綜合效率達到80%以上，有融資需求；英國Ceres Power專注於SOFC電池和電堆，濰柴動力（02338.HK）認購其20%的股權；日本京瓷Kyocera目前有700W和3kW兩款SOFC產品，其中700W的產品累計已出8萬臺，而3kW的SOFC民用系統，發電效率可達52%，綜熱電聯產效率達90%以上；日本三菱日立電力MHPS主要發展中型熱電聯合發電產品，目前擁有250kW和1MW兩種規格的聯合發電產品；寧波索福人SOFCMAN依託中國科學院寧波材料所團隊建立，主要產品有700W-2kW電堆等。

二、日本能源發展歷程（一）日本能源發展階段1.戰後恢復期（1945-1955）

1945年第二次世界大戰結束，作為侵略國的日本在戰敗後受制於國際貿易，加之國際局勢的影響，日本不得不發展資深煤炭資源，中國產煤在日本能源消費結構中佔據主導地位。

2.經濟快速增長期（1955-1973）

1955年後日本經濟進入高速增長時期，對能源的需求也隨之高速增長，使得國內現有能源供給難以滿足國內日益增長的能源需求，也促使其對新能源的開發，從而改善現有能源消費結構。隨著石油消費急速上升，逐步取代煤炭的能源主導地位。

3.能源變革期（1973-2000）

1973年爆發第四次中東戰爭，作為最為主要的石油進口地，日本因此損失慘重，此後日本將重點放在核電開發和進口煤及天然氣，力求核能、天然氣、煤炭和石油能夠均衡使用，同時積極開發可再生能源。

4.新能源發展期（2000-2010）

20世紀90年代，日本提出"新Sunny計劃"，主要是為應對全球變暖，推進核能產業及可再生能源的發展，並將其列入國家重點發展專案，該計劃推動太陽能發電、燃料電池發電登記書開發及成果轉化。

5.福島後去核期（2011-2016）

2011年7月，日本提出建立無核社會的目標，政府著手去核能化，2011年、2012年、2013年日本核電比例分別從2010年的26%下降至9.76%、1.55%和0.89%，2014年日本核電比例為0，進入實質性的"零核電"狀態。

6.能源情景展望（2016以後）

2018年7月，日本公佈第5期《能源基本計劃》，提出了日本能源轉型和脫碳化戰略的情景設計方向，用來作為2030年及2050年的能源中長期發展戰略規劃的政策指引，未來發展方向是壓縮核電發展，降低化石能源依賴度，舉政府之力加快發展可再生能源、推進日本能源轉型。

（三）日本SOFC支援政策

日本經濟貿易產業省（METI）為新能源和工業術發展組織（NEDO）提供資金，主導支援SOFC發展規劃。NEDO補助在ENE-FARM規劃下的民用CHP燃料電池裝置。計劃2020年之前銷售140萬臺用燃料電池系統，目標價格降低到100萬日元。

三、SOFC產業化發展分析（一）SOFC工作原理1.燃料電池劃分

燃料電池是一種不經過燃燒過程直接以電化學反應方式將燃料如氫氣、天然氣等和氧化劑中的化學能直接轉化為電能的高效發電裝置。就燃料電池本身來說，其主要是通過電解質區分，如表3-1所示。

表3-1 燃料電池工作特性對比

燃料電池PAFC的結構最為典型，主要由四部分組成，分別是呈多孔狀態、塗有催化劑的陽極、陰極、隔離電極的離子導電電解質、集流體。單電池產生的電壓很低（如表3-1所示），所以需要鈀電池串聯成電池堆來提高電壓。燃料電池整裝機組由電池組、重整器與熱交換器（廢熱回收）、直流-交流轉換裝置、監控器一起構成。磷酸燃料電池（PAFC）、鹼性燃料電池（AFC）和熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）使用液態電解質，兩個電極呈氣、液、固三相接觸，而固體氧化物燃料電池（SOFC）和質子交換膜燃料電池（PEMFC）使用固態電解質僅呈兩相接觸，故在結構上有所不同。

2.SOFC工作原理

SOFC的工作原理如下圖所示。在SOFC的陽極一側持續通入燃料氣（H2、CO、CH4等），具有催化作用的陽極表面吸附燃料氣體，並通過陽極的多孔結構擴散到陽極與電解質的介面。在陰極一側持續通入氧化劑（空氣），具有多孔結構的陰極表面吸附氧，使O2得到電子變為O2-，在化學勢的作用下，O2-進入起電解質作用的固體氧離子導體，由於濃度梯度引起擴散，最終到達固體電解質與陽極的介面，與燃料氣體發生反應，失去的電子通過外電路回到陰極，形成電流。

3.SOFC的優點

相對於其他燃料電池，1）由於SOFC採用全固態電池結構，從而避免了使用液態電解質帶來的腐蝕和電解液流失等問題；2）對燃料的適應性廣，氫氣、天然氣、煤氣、液化石油氣等氣體以及甲醇、乙醇都可以作為燃料；3）超過800℃的工作溫度，配合熱汽輪機將熱廢氣進行有效利用，可以使能量轉換率至少達到60%以上；4）高溫操作提高了電化學反應速率，降低活化極化電勢，無需鉑等貴金屬作為催化劑；5）可高度模組化，總裝機容量、安裝位置靈活方便等。

（二）SOFC結構設計

目前，SOFC主要有兩種結構設計方式：管式（tubular）和平板式（planar）。

1.管式結構

管式結構是最早發展的一種形式，也是目前較為成熟的一種形式。單電池由一端封閉、一端開口的管子構成。最內層是多孔支撐管，由裡向外依次是陽極、電解質和陰極薄膜。燃料從管芯輸入，空氣通過管子外壁供給。管式SOFC電池堆單體自由度大，不易開裂；採用多孔陶瓷作為支撐體，結構堅固；電池組裝相對簡單，容易通過電池單元之間並聯和串聯組合成大功率的電池組。但是管式SOFC電極之間的間距大，電流通過電池的路徑較長，內阻損失大，因此相應的功率密度較低。

2.平板式結構

平板式結構的幾何形狀簡單，由陽極、電解質、陰極薄膜組成單體電池，兩邊帶槽的連線體連線相鄰陰極和陽極，並在兩側提供氣體通道，同時隔開兩種氣體。平板式SOFC電池結構和製備工藝簡單，從而可以大大降低製造成本。但是平板式SOFC電池元件邊緣要求進行密封來隔離氧化氣和燃料氣；對雙極連線板材料要求很高，需要與電極材料熱匹配、具有良好的抗高溫氧化效能和導電效能。

（三）SOFC發電系統

SOFC與微型燃氣輪機（MGT）、蒸汽機（ST）構成的一種混合分散式發電系統。SOFC/MGT/ST混合發電系統由燃料處理系統、電池堆、餘熱利用系統以及直交流轉換系統組成，發電效率高達70%以上。

具體工作過程為天然氣經過加壓和脫硫處理後被系統廢熱加熱，與利用電池堆餘熱加熱的水蒸汽混合輸入電池堆的陽極。高溫的潔淨天然氣和水蒸氣在催化劑的作用下發生重整反應產生H2。常溫的空氣經壓縮後由燃燒器的高溫排氣加熱到電堆入口溫度後輸入到電池堆的陰極。電堆內發生氧化還原反應產生電能和熱能。陽極與陰極排氣（未反應完燃料和空氣）進入燃燒室燃燒，燃燒室的排氣在將天然氣和空氣加熱到電池堆的入口溫度後，進入燃氣輪機做功，輸出電能。由於廢氣溫度很高，經過燃氣輪機排出的廢氣也有較高的溫度，這部分廢氣通過餘熱回收蒸汽發生器，將冷凝水加熱升溫產生大量蒸汽帶動蒸汽機轉動，再次輸出電能。經過餘熱回收蒸汽發生器的廢氣溫度大幅降低，並排入大氣中。

（四）SOFC成本情況

目前，成本是限制SOFC推廣應用的一個關鍵性因素，美國能源部固態能量轉換聯盟（Solid State Energy Conversion Alliance，SECA）從2001開始投入SOFC研發，在單電池效能、功率密度、可靠性和先進製造技術上取得上重大進展，現有SOFC電池堆成本與2001相比降低了10倍以上，如圖3-5所示。

四、日本分散式氫能應用現狀

目前，日本的燃料電池在商業化應用方面世界領先，主要有家庭用燃料電池熱電聯供固定電站、業務用/產業用燃料電池以及燃料電池車。

（1） 家用熱電聯產系統ENE-FARM1.日本NEDO的ENE-FARM type S專案

日本新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）於2011年開發出全球首個商業化的SOFC熱電聯供系統（ENE-FARM type S）。該系統由發電單元和利用廢熱的熱水供暖單元組成，輸出功率為700W，發電效率為46.5％，綜合能源利用效率高達90.0%，工作時的溫度為700-750℃，在用作家庭基礎電源的同時，還可以利用廢熱用作熱水器或供暖器。

2.原理情況

SOFC具有工作溫度高、發電效率高、全固態、易於模組化組裝等特點，非常適用於分散式發電/熱電聯供系統和作為汽車、輪船等交通工具的動力電源。

日本家用熱電聯產系統ENE-FARM是一種燃料電池在家庭中高效利用的能源系統。它通用天然氣重整製取氫氣，再將氫氣注入燃料電池中發電，同時用發電時產生的熱能來供應暖氣和熱水，整體能源效率可達90%。與傳統發電系統相比，ENE-FARM可以將大型熱力發電廠很難利用的廢熱有效的加以利用，從而大幅度的提高能源利用效率；與可再生能源（太陽能、風能等）發電系統相比，ENE-FARM不受天氣限制，可在任意時間發電。此外，ENE-FARM安裝在家裡，不依賴現有電網，可在大規模停電時應急使用，並且幾乎沒有輸電損失。

日本家用燃料電池熱電聯供系統（ENE-FARM）製造商主要有愛信精機、松下、東芝三家。三家公司產品發電效率均可達40%，總效率高達90%以上，耐用時間超過8萬小時，啟動時間只需1-2分鐘，可按需求併網使用。據悉，使用者使用ENE-FARM系統每年可節省的照明和取暖費用約6萬元。

在銷量方面，2014年ENE-FARM全球銷量11萬套，售價149萬日元（大約8.7萬人民幣）。2017年5月，ENE-FARM全球銷量突破20萬套。對此，日本政府提出在2030年之前實現約相當於日本一成家庭的530萬套的銷售目標。

4.ENE-FARM專案進展

日本對於家用燃料電池的興趣可以追溯到1999年，其千禧年專案就包括對於PEFC研究的支援。日本的住宅能源需求量很大並且一直保持增長的態勢。日本政府於2005年開始了一個大型家用燃料電池示範專案，2005-2009年驗證和試點期間，累計銷售分散式燃料電池系統近5000套，將系統購置成本從2005年的800萬日元降低到2009年的350萬日元，降幅高達56.25%。

2010-2020年為產品的推廣與普及期，日本政府從2010年開始對於安裝燃料電池系統的家庭提供140萬日元或製造成本一半的補貼。2015年由松下、東芝等企業推出的新一代家用燃料電池系統售價已經低至約150萬日元，較2005年和2009年價格分別下降了81.25%和57.14%，其熱電系統效率更是由最初的70%，提升至95%。同時，政府補貼額度也降低至50-60萬日元。而從2012年開始銷售量差不多翻倍。2015年ENE・FARM的補貼金額達到了222億日元。

圖4-5 日本家用熱電聯供分散式燃料電池專案發展

（二）業務用/產業用燃料電池

業務用/產業用燃料電池與家庭用燃料電池工作原理相似，都是通過在燃料電池中氫氣和氧氣發生化學反應來發電，不同的是業務用燃料電池更多的是將城市煤氣作為燃料製取氫氣。業務用燃料電池的輸出功率從幾千瓦到幾兆瓦都有，通常使用的燃料電池種類有磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）等。

三菱重工於1984年開始開發SOFC技術。1986-1989年，與東京電力株式會社合作研製管式SOFC電池堆；1991年，運行了1kW的SOFC電池堆，執行時間1000h；1993年，三菱重工研製新型1kW的SOFC電池堆，併成功運行了3000h；1996年，10kW常壓SOFC連續執行5000h。2001年，三菱重工與電力開發株式會社共同開發成功10kW級的加壓管式SOFC發電系統。該系統以天然氣為燃料，採用內部重整方式，連續工作超過755h。該10kW系統在64A的設計電流執行時，其電輸出功率為10.2kW，發電效率為41.5％（HHV，高熱值），當電流為80A時，系統電輸出功率可達到11.5kW；2013年，三菱重工的200kW的SOFC+MGT複合發電系統在東京燃氣的千住科技中心內運轉連續運轉4000多小時，該系統的工作溫度約為900℃，發電效率為50.2％（LHV，低熱值）。

（三）日本氫能社會產業規劃1.家用氫燃料電池規劃及成本

根據2014年提出的氫燃料電池戰略路線圖，到2020年主要著力於擴大本國固定式燃料電池和燃料電池汽車的使用量，以佔據氫燃料電池世界市場的領先地位。到2030年，進一步擴大氫燃料的需求和應用範圍，使氫加入傳統的"電、熱"而構建全新的二次能源結構。到2040年，氫燃料生產採用CCS（二氧化碳捕獲和封存的技術）組合技術，建立起二氧化碳零排放的氫供應系統。

在擴大氫燃料應用方面，日本到2020年，家用燃料電池裝置推廣應用140萬臺，實現7-8年內投資費用回收，到2030年推廣530萬臺，實現五年內投資費用回收，同時，產業用燃料電池在2017年實現發電效率較高的SOFC（固態氧化物燃料電池）商用化。

在氫能發電和氫生產方面，目標到2020年實現家用氫發電全面普及，到2030年電力行業中氫發電全面普及，本世紀20年代後期基本實現氫燃料價格和氫能發電成本在30日元/Nm3、17日元/kWh以下，海外進口量達到200-300億Nm3，同時確立安全穩定的氫能發電技術。

2.ENE-FARM產業動向

受惠於日本持續鼓勵家庭購置燃料電池ENE-FARM的措施，以及廠商量產效果擴大，促使ENE-FARM價格逐步下跌，由圖4-6可知，2016年4月-2017年3月（2016年度），日本共新增4.2萬臺ENE-FARM，新增數量約與2015年度持平，累計安裝臺數則達19.6萬臺，其中又以價格較低其中又以價格較低、重新啟動時間較短的PEFC（固體高分子型燃料電池）機種所佔比重較高。

主要PEFC型ENE-FARM生產廠商Panasonic並持續透過減少零件數量、削減觸媒貴金屬用量等方法降低成本，因此該公司在2017年4月所推出的新一代ENE-FARM售價較2015年的機種減少約10萬日元，為149.8萬日元；且由於新機種所搭載的電池組與燃料重整器使用壽命有所增長，故發電時數亦從舊機種的7萬小時延長為9萬小時，連續發電時數則提高至192小時，為舊機種的一倍，可進一步降低消費者的使用負擔。

2019年3月11日，日本產業經濟省釋出關於《支援ENE-FARM等燃料電池擴大利用運營費補助金"財年預算提案》，對ENE-FARM專案中的SOFC（固體氧化物燃料電池）和PEFC（聚合物電解質燃料電池）燃料電池裝置和安裝費用進行補貼。補貼範圍：

燃料電池裝置和安裝費用的總價，1）低於參考價格（123萬日元，即73800人民幣）：SOFC補助8萬日元（即4800元人民幣）；2）高於參考價格而低於最高價格（134萬日元，即80400人民幣）：SOFC補助4萬日元（即2400元人民幣）；3）如果超過最高價格，不予補貼；4）PEFC（聚合物電解質燃料電池）沒有統一補助標準；5）另外，對可支援液化石油氣的裝置、可應用在寒冷地區、可用在公寓等環境中的PEMFC和SOFC進行額外補貼。

五、SOFC國內外發展概況（一）美國Bloom Energy

Bloom Energy是美國一家致力於清潔能源的公司，成立於2001年，總部位於加州森尼韋爾。公司主要生產SOFC分散式電源。主要產品有ES5、ES-5700、ES5710等。Bloom Energy已經為美國Google、eBay、Wal-Mart等公司提供了超過100套的SOFC系統。目前主打產品規格在100kW-250kW，發展方向是長壽命、大功率系統，蘋果、谷歌、易趣、AT&T、NTT等公司的資料中心都採用了該公司的產品。2018年裝機容量達80MW，預計此後每年增長率30%。

（二）義大利Solid Power

Solid Power（意：固態能源），是一家位於科羅拉多州的初創公司，而它是由科羅拉多大學波德分校（University of Colorado Boulder）的電池研發專案所分立出來的。近期，先後獲得BMW、現代汽車和三星投資。

公司是行業內發電效率最高的公司，發電效率可達65%，綜合能效可達85%以上。目前主打產品規格為1.5-2kW；發展方向是耐熱迴圈、低價格的家用微型熱電聯供系統，面對歐洲市場。在2018年初，宣佈已有1000臺Blue Gen系統投放執行，目前在歐洲安裝超過1300臺；下一代Blue Gen將於2019年面世，目前著力於開發12kW的系統。

（三）芬蘭Convion

公司專注於中型的SOFC系統，應用於商業、工業分散式供能，目前主打產品是一款型號為C50的熱電聯產的SOFC系統（如圖5-2所示），電功率達58kW,熱效率達30kW，系統綜合效率達到80%以上。2018年與Elcogen一同合作，計劃開發一套全新的SOFC熱電聯產系統（CHP），兩家公司在2018年9月來華參加深交所舉辦的"一帶一路-芬蘭"專案路演，均有融資需求。

（四）英國Ceres Power

Ceres Power是一家於英國倫敦證券交易所AIM上市的公司，是新一代、低成本燃料電池技術領導者，其特有的Steel Cell技術，源自英國帝國理工學院，已持續研究開發近16年，擁有約50項專利，具有魯棒性[footnoteRef:2]好、功率密度高、製造成本低等優勢。目前，其產品覆蓋住宅、資料中心、商業發電和汽車四個應用領域。公司專注於SOFC電池和電堆，濰柴動力（02338.HK）認購其20%的股權，共同開發以CNG為燃料的30kW Steel Cell燃料電池，用於電動客車增程系統；獨有的Steel Cell技術，電堆具有魯棒性好，功率密度高，熱迴圈效能好等優勢；其產品覆蓋住宅、資料中心、商業發電和汽車等應用領域。 [2: .魯棒性/抗變換性（英文：robustness）原是統計學中的一個專門術語，20世紀70年代初開始在控制理論的研究中流行起來，用以表徵控制系統對特性或引數擾動的不敏感性。]

（五）日本SOFC企業1.日本京瓷Kyocera

公司主要生產電池與電堆，採用平板管狀結構的陽極支撐技術，該技術容易密封、池可靠性高、電池效能好。有媒體報道京瓷公司擁有超過年壽命的電堆技術。發展目標是廉價化電堆，做到12萬日元以下；市場定位在電堆，與豐田、愛信精機、大阪燃氣等眾多本大企業合作並提供電堆。目前有700W和3kW兩款SOFC產品，其中700W的產品累計已出8萬臺，而3kW的SOFC民用系統，發電效率可達52%，綜熱電聯產效率達90%以上。

2.日本三菱日立電力MHPS

公司主要發展中型熱電聯合發電產品，目前擁有250kW和1MW兩種規格的聯合發電產品。產品面向商業和工業市場，應用於分散式能源，大幅降低碳排放；該產品採用SOFC聯合燃氣渦輪發電技術，已經過長達10年驗證，在日本九州大學、東京燃氣、豐田電機均有其演示系統。2019年於東京安裝了第一套用於商用的SOFC系統，同年2月開始執行。

（六）中國SOFC企業

寧波索福人能源技術有限公司（SOFCMAN）的前身為中國科學院寧波材料所技術與工程研究所燃料電池與能源技術事業部，該團隊始建於2006年底，公司成立於2014年，是一家從事SOFC發電系統研發的高科技公司。主要產品有ASC30電堆（700W）、ASC30電堆（2kW）、ASC60電堆等。