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燃料电池分布式发电和热电联产的全球发展现状
分布式热电联产系统直接向终端用户提供，与传统的集中生产、运输、终端消费均可使用方式相比，分布式能源供应系统直接向不同能源类别的用户提供，最大限度地降低运输成本，有效利用余热发电过程。从而提高能源效率。燃料电池分布式发电具有效率高、噪音低、体积小、排放低的优点。适用于距离用户较近的千瓦~兆瓦级分布式发电系统。其主要应用领域是微型分布式热电联产、大型分布式电站或热电联产系统。目前质子交换膜燃料电池(PEMFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)技术已成功应用于家庭分布式热电联产系统和中小型分布式电站。
2019年，全球固定燃料电池出货量为221MW，占燃料电池总出货量的19.6%。固定式燃料电池已连续4年销售5万多台，装机容量超过200MW。在机组出货量方面，主要是小型国产热电联产设备，而大型固定商用分布式发电设备是装机容量的主要贡献者。
日本是全球最大的微型分布式热电联产系统市场。日本国产燃料电池EnE-FARM项目是世界上最大的微型燃料电池分布式电站示范项目。该项目始于2009年。本系统采用热电联产方式。该项目从前期研发到示范推广得到了日本政府的大力支持。
如产品的初始价格为303万日元，日本政府补贴每台140万日元，相当于制造成本的一半。随着销量的增加和技术的进步，制造成本逐渐下降，补贴逐渐减少。截至2019年，约32万户日本家庭购买了enE-Farm系统，主机平均价格降至不到100万日元。过去10年里，价格已下跌约70%，政府补贴已降至8万日元的SOFC。政府计划到2020年部署总计140万个国内燃料电池热电联产系统，并完全取消补贴。实际上，这个目标在很大程度上是无法实现的。
与SOFC相比，PEMFC在总安装单元中所占的份额要大得多，这主要是因为SOFC的成本在早期要高得多，并且随着SOFC成本的迅速下降而增加。目前，由于氢气纯度高，运输困难，成本高，近90%的产品使用城市天然气，10%使用液化石油气(LPG)作为燃料。在操作过程中，燃料在内部转化为合成气。质子交换膜燃料电池进一步提纯成高纯度的氢，然后送入燃料电池发电。由此产生的热水用于家庭洗浴和地暖。经过多年的研发投入，其技术参数得到了迅速的提高，松下700W PEM热电联产系统累计销量占日本市场的一半，并已发展到第五代，发电系统效率可达39%，使用寿命也从原来的70000h提高到90000h，机组成本已降至接近800000日元的目标价格，政府不再补贴;SOFC热电联产系统虽然相对昂贵，但目前发电量占总发电量的52%，使用寿命超过4万小时。在年销售额方面，爱新的SOFC与松下的PEMFC系统并驾齐驱。
近年来，除了家用微系统外，日本也开始了燃料电池热电联产系统在商业建筑领域的应用和推广。2018年底，松下发布了一款基于pemfc的5kW氢燃料电池动力系统，电效率为57%。东芝推出了H2Rex系列系统，范围从700W到3.5kW到100kW(使用多个3.5kW模块)，适用于小型商业应用，如零售商店和酒店。2019年6月，日本三浦公司宣布将于10月推出FC5B，这是一种与英国CeresPower公司合作开发的4.2kW热电联产产品，用于商业建筑领域，发电效率为50%，热电联产效率为90%。
与主要专注于微型系统的日本不同，美国和韩国一直专注于开发功率从100千瓦到兆瓦的大型分布式燃料电池电站。得益于创新机制的激励和政策支持，大型固定燃料电池分布式电站在美国的应用发展最为迅速。BloomEnergy为客户提供从200kW到1MW的分布式电源解决方案。系统初始发电效率高达53%~65%。截至2020年上半年，Bloom已在全球部署和运营近500MW发电系统，在过去10年里发电量超过160亿千瓦时。沃尔玛(Wal-mart)、宜家(IKEA)、梅西百货(Macy's)、摩根士丹利(Morgan Stanley)、国防部(DEPARTMENT of Defense)等商场和写字楼，以及美国电话电报公司(AT&T)、联邦快递(Fedex)等移动基站和配电中心，提供数百千瓦的24小时不间断分布式电力供应。FuelCellEnergy在2019年经历了“生死考验”，主要生产100千瓦SOFC系统和兆瓦MCFC分布式热电联产系统，在全球安装分布式电厂设备超过300MW。
韩国在推进大规模燃料电池分布式发电站的同时，主要通过收购或共同开发，从北美和欧洲获得了先进技术。2012年，LG收购罗尔斯-罗伊斯燃料电池系统项目，成立LG燃料电池系统公司，致力于250kW~20MW SOFC分布式发电系统的研发和推广。该公司演示了一个200kW的天然气加压SOFC系统，直流发电效率为60%。浦项制铁能源通过收购FuelCellEnergy的股份，在国内建设了18个商用燃料电池发电厂，总发电量为170MW。最大的单一发电站是位于京畿道华城的58MW燃料电池发电站。斗山集团FuelCell以FuelCell技术为基础，构建了从发电到住宅的完整产品线。主要产品包括600W、1kW、5kW和10kW的商用和家用PEMFC燃料电池，以及400kW的工业和商用磷酸燃料电池(PAFC)。发电效率42%，热效率52%，全球累计销售数百套产品，累计发电20亿千瓦时。
燃料电池分布式发电系统在我国的应用尚处于研究阶段。一些机构已经推出了基于各种燃料电池类型的发电系统。中科院大连化合物研究所研制的10kWPEMFC分布式发电系统，实现了天然气改造的PEMFC热电联产。大型发电系统的相关开发还处于探索阶段，一般还停留在小原型的研发和演示阶段，2020年10月，国家能源集团研发的第一套20kW级SOFC发电系统试验成功。
燃料电池分布式发电的经济分析
燃料电池是分布式电站应用领域的一项新兴技术，其市场推广速度与发电成本密切相关。在不考虑政策补贴的情况下，发电成本主要由燃料成本和设备折旧成本构成。
上表显示了中国、日本和美国的典型住宅和商业电力和天然气价格。在美国，大规模分布式发电是常态，电力和天然气价格都很低。根据目前大型SOFC发电系统成本为3万元/千瓦，效率计算为55%，以天然气为原料(下同)，SOFC发电燃料成本和折旧成本约为0.3元/千瓦时和0.5元/千瓦时。无维护总发电成本约为0.8元/kWh，与工商业用户购电成本基本相同。若能有效利用热量，则热值约为0.1元/kWh，如图2所示。考虑到联邦和州政府对燃料电池分布式电站可以提供可再生能源配额、投资基金补贴、税收减免和安装(如加州，使用天然气和生物质气化燃料电池分布式发电厂提供600美元/千瓦和补贴1200美元/千瓦)方面的政策支持,所以即使考虑维护成本,目前,它有一定的经济,一些大型企业用户也更热衷于演示应用程序。在中间(2030年)和长期(2040 - 2050),随着技术的进步和规模扩张,固体氧化物燃料电池系统成本达到显著下降,假设它们减少到12000元/千瓦,8000元/千瓦,发电效率提高60%和65%,同时天然气价格,发电成本预计分别降至0.44元/千瓦和0.37元/千瓦时左右，远低于工商业用户电价。即使天然气中长期价格在目前基础上翻一番，发电成本仍将低于0.8元/千瓦时，显示出良好的经济优势。虽然面临着与分布式燃气轮机发电的竞争，但后者由于设备成本较低，具有一定的经济优势;而分布式燃料电池电站具有模块化性能强、场景自适应性能好、可扩展性好、无污染、噪声小、可持续性等优点。它不仅可以作为主电网的补充，还可以作为岛屿、山区和偏远地区独立发电的主要电源。因此，分布式SOFC系统有望在未来的美国工业和商业领域实现一定规模的应用。
美国近期、中期和长期分布式燃料电池系统在工商业发电经济性分析
日本居民用电价格明显高于工业和商业用电价格，是中国的3倍以上。居民燃气价格也比中国高得多。基于目前小型PEMFC和SOFC的销售价格，假设发电效率分别为39%和52%，寿命分别为9万和6万小时，整个寿命下的折旧成本分别为0.9元/kWh和1.67元/kWh。如果天然气价格分别以8.7元/m3计算，不考虑维护费用，每千瓦时的燃料成本高达3元/千瓦时和2.2元/千瓦时。不考虑热值，千瓦时的成本至少为3.9元/千瓦时，如图3所示，远高于日本的居民电价。因此，如果单独考虑发电，就没有经济效益。如果将热电联产加热部分的值进行折算，发电成本将分别降低到2.6元/kWh和3.2元/kWh，与电网成本的差距将大大缩小。与此同时，日本燃气公司将向购买ENE-Farm产品的用户提供一定的天然气价格折扣。无论燃料电池是否使用天然气，所有家庭使用的天然气都可以享受enE-Farm套餐价格。居民电价和燃气价格较高，加上政府和企业的政策支持，使得日本的小型发电系统有可能在大范围内推广。但同时，使用燃料电池系统的经济优势并不突出，这也是其市场增长率与政府预期相差较大的一个重要原因。
日本近期、中期和长期分布式燃料电池系统在居民和工商业发电经济性分析
随着市场的不断扩大，PEMFC和SOFC系统的成本将继续下降。中长期来看，PEMFC和SOFC系统的成本将分别降至2.3元/千瓦时和1.8元/千瓦时左右。发电的成本将接近并低于电网的成本。考虑到热元件的价值，燃料电池系统可以在近期和中期实现更好的经济效益。相比之下，PEMFC系统在发电方面的效率比SOFC系统低，但如果完全包括热量，两者的综合效益差别不大。
虽然日本的大功率分布式燃料电池发电系统产品不多，但在工业和商业建筑领域尚未得到推广。但如果参照美国的高性能分布式燃料电池发电系统并进行性能分析，产品成本中SOFC系统的发电成本降低到1.3元/千瓦时，低于工商业电价，考虑到大约有0.3元/千瓦时热值，因此从长期来看，日本SOFC系统具有大规模推广的经济优势。
由于没有成熟的产品分布在中国推出燃料电池发电系统,促进分布式燃料电池热电联产系统的经济在中国预计的成本和性能指标指的商业化产品在日本和美国,如图4所示。对于小型燃料电池发电系统,当前千瓦级的每度电成本系统将在中国高达1.8元/千瓦时,并将减少到1.0元/千瓦时,0.7元/千瓦时分别在中长期,仍明显高于终端家庭电价,而从发电收益中回收投资显然是困难的。若包括热值，中长期综合发电成本可分别降至0.68元/kWh和0.51元/kWh左右，逐步接近并基本等同于终端居民电价，从经济角度来看仍无明显优势。
对于大型燃料电池分布式发电系统，由于单位投资成本较低，根据国外成熟产品价格和国内工商业气价格，SOFC发电成本约为1.3元/kWh，仍远高于目前全国工商平均电价0.7元/千瓦时。中长期内，发电成本将分别降至0.8元/千瓦时左右和0.65元/千瓦时左右，逐步逼近并低于目前的工商业平均电价。如果能充分利用热值，SOFC系统在中期具有经济优势。长期来看，在进一步考虑热值后，大型SOFC分布式热电联产系统将显示出显著的经济优势，前提是工业和商业用户的电力成本保持在当前水平。
结论和建议
(一)日本和美国分别在小规模和大规模分布式燃料电池发电技术和推广规模上处于领先地位。根据预测,燃料电池系统的成本将大大降低,效率将会提高,大规模分布式燃料电池系统在美国和日本很快将获得市场竞争力(约2030),和有条件在中期和长期大规模的市场推广。考虑到它们的热值，小型分布式燃料电池系统在日本也将逐渐具有竞争力。
(2)基于居民和工商业的国内电价水平，小型分布式燃料电池发电系统在我国将难以长期具有经济优势;对于大型的工业和商业分布式燃料电池系统，只有在长期，特别是在考虑热值的长期，大型分布式CHP系统才能显示出明显的经济优势。更高的发电成本和更低的电价将是燃料电池热电联产系统进入中国市场的主要障碍。
(c)在“碳中和”的目标下，分布式燃料电池系统将是中国建筑领域实现碳减排的重要途径，特别是在工业和商业领域，大型分布式燃料电池系统将逐渐显示出经济竞争力。目前，我国分布式燃料电池系统技术仍处于研发阶段，与国际先进水平存在较大差距。因此，有必要不断缩小与国际先进技术和行业水平的差距，大幅降低燃料电池发电系统的成本，为示范应用和大规模推广创造条件。
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