内容提要：当前复杂的国内外局势给我国大电网供电带来巨大安全隐患，能源供给侧结构性改革进入深水区和瓶颈期，亟需引入新型能源技术来破解上述难题。燃料电池是新一代颠覆性发电技术，在百瓦至百兆瓦级别均具有高发电效率（45~65%），尤其是固体氧化物燃料电池还可以采用副产氢气、煤气、天然气以及醇类、油类等燃料发电，是构建分布式发电、实现能源清洁高效利用的突破口，是解决可再生能源电力稳定供给难题、推动传统工业产业升级和节能降耗的重要抓手，是我国构筑能源安全新体系的关键途径。
但固体氧化物燃料电池等一直是发达国家对我国禁售禁运的“卡脖子”技术，我国与国际水平相差至少十年以上。建议将固体氧化物燃料电池分布式发电技术确立为国家重点支持的战略方向，组织力量联合攻关重点突破，在政策引领、关键核心技术研发、产业发展和工程示范领域重点支持，尤其是燃料电池分布式发电与燃料电池汽车并重发展，推动能源供给侧结构性改革和能源消费新形态建设，保障国家能源安全。
关键词：能源安全新体系；能源革命；供给侧结构性改革；燃料电池分布式发电
一. 大电网供电面临巨大的能源安全隐患（大电网到分布式供电）
1. 大电网供电安全面临众多不确定因素，潜在威胁巨大
过去四十年，我国能源供给主要依赖于以煤炭为主的化石燃料直接燃烧发电和大电网供应，为此我国已建成了规模宏大的集中式发电和远距离输电、供电网络，为推动社会发展和全面建成小康社会做出了巨大贡献。但是，终端电力消费高度依赖大电网供电的模式存在诸多安全隐患，尤其在当下中美关系紧张、中国疆域周边因素复杂多变的境况下，安全问题更加突显：电网破坏、网络入侵、自然灾害、战争等不确定因素对大电网供电模式及其平稳运行造成严重威胁；数据中心、通讯基站、医院、银行等关键用户和特殊场景下的用电安全保障问题突出；大功率新能源汽车充电桩等能源消费新终端和新形态对大电网冲击愈发明显，对依赖电网供能的安全性提出新要求。一直以来，远距离输电损耗高（~12-15%），大电网调峰、维持自身稳定运行等也消耗了巨大能源资源。2020年出现的新冠肺炎疫情也凸显了突发应急事件对灵活、快速、可靠电力供应的需求，大电网供电体系中的不确定因素及累积的负面效应已经严重威胁到国家能源安全和社会健康发展，迫切需要高度关注并提出切实可行的解决途径。
2. 发展燃料电池分布式发电技术是保障能源供给安全的重要途径
发展新型分布式发电技术、推广离网独立发电和并网调峰是“清洁、低碳、安全、高效”现代能源体系建设、提高能源供给、保障能源消费安全的重要途径。但是，现行燃煤为主的发电模式效率低、噪音高、震动大，无法适应分布式发电体系建设的实际需求，必须寻求新的发电技术途径。燃料电池是一种新型发电技术，不经过燃烧，直接将燃料的化学能通过电化学反应转换为电能，整个过程无噪音和震动产生，小至百瓦、大至数百兆瓦级范围内都可以实现高效率（45~65%）近用户端直接直流供电，省去了输电设施建设和远距离输电损耗，清洁、高效、安全，隐蔽性强，是最适合在用户侧开展分布式供电的技术，是能源利用历史上的又一次变革性技术，具有战略性和颠覆性。构筑基于燃料电池技术的分布式发电体系，是提高能源供给安全的最优途径之一。
3. 国际上燃料电池分布式发电技术已趋成熟
燃料电池发电技术已经有180年的发展历史，几经波折起伏。近10年来，开始在美、日为代表的发达国家进入了商业化应用初级阶段，正在迎来大的爆发期。日本从2009开始累计安装了30多万套千瓦级家庭用分布式热电联供系统，运行寿命已经超过10年，预计2030年达到530万套，占日本家庭的10%；美国以Bloom Energy公司为代表从2009年开始推广数百千瓦~兆瓦级固体氧化物燃料电池（SOFC）分布式发电系统，作为数据中心或者办公大楼的主体/备用电源，苹果、谷歌、微软等数百家行业巨头均在楼下安装了SOFC分布式发电设备直接供电，安全高效，正在引领并重新构筑用户侧能源供给新模式。日本三菱（-日立）电力公司从2012年开始示范运行的250千瓦SOFC-MGT（微燃机）分布式发电系统，对外宣称5000小时无衰减，2015年开始在日本推广应用，正在发起对燃煤电厂的真正挑战。科技部王志刚部长2018年8月24日首次出访，实地考察了安装在日本九州大学250千瓦SOFC-MGT发电系统。目前美日等发达国家SOFC技术和产品均被列为战略高技术，对我国禁售禁运，是典型的“卡脖子”技术。上述在发达国家已经进入市场应用的产品目前中国都没有，差距至少10年以上，迫切需要引起高度重视。
二. 我国能源结构调整迫切需要引入新型能源技术（火力发电到燃料电池发电）
1. 能源供给侧改革进入瓶颈期，需要引入新技术来破解
过去20年，我国风电、光伏等可再生能源技术通过引进、消化吸收、再创新模式迅速发展，日趋成熟，装机量持续多年全球第一，但是“弃风”、“弃光”现象也日趋严重，推广应用仍存在诸多技术和政策障碍。在未来较长一段时间内，以燃煤为主的火力发电仍是我国能源供给主体（60~80%），效率低、污染高等问题亟待解决。目前，我国煤电装机总量中达到超低排放标准的机组占比超过80%，煤电清洁排放的水平已经达到世界最前列，并逐渐接近了理论和工艺极限，我国能源供给侧结构性改革遇到天花板，不得不进入了瓶颈期，亟需引入新型能源技术。
2. 化石能源的清洁高效利用是关键，SOFC发电技术是突破口
在我国实际的能源资源禀赋下，应当继续推进以煤为主的化石能源的清洁高效利用，发展更为先进的化石能源转化利用技术。目前，在燃料电池大家族走向实际应用过程中，最前沿和最先进的是固体氧化物燃料电池，SOFC可以利用副产氢气、煤气、天然气以及醇类、油类等燃料直接发电，燃料适用范围广泛，很容易与现有能源供应系统兼容；SOFC一次发电效率高达~45%-65%，热电联供后总效率~90%（效率最高）；SOFC不必须使用纯氢气和贵金属催化剂，具备生产和运行成本低的优势。SOFC无论装机容量大小，都可以在分布式发电、热电联供、动力电源等多领域广泛使用，是实现化石能源清洁高效利用的关键技术和突破口。
与集中式火力发电—大电网远距离输电—终端用户可获得的实际效率相比（终端20~25%），基于SOFC技术在用户侧直接供电的分布式发电模式可以实现高达50%-65%的电效率或高达90%的热电联供效率，对比原煤消耗可以缩减一半以上，大幅度降低环境污染，CO2减排效益明显。因此，基于多种方便供应燃料的SOFC分布式发电直接给用户供电有望成为新一代主体能源技术，在我国能源结构调整和新型能源消费观塑造中扮演关键角色。
三. 燃料电池分布式发电带动可再生能源电力消纳和传统工业产业升级
（1）燃料电池耦联可再生能源电力构建独立供能体系
风电和光伏等可再生能源电力面临的最大问题为电力供给的不连续和波动，单纯依靠电池储能配套很难实现可再生能源的规模化存储和推广应用。燃料电池是一种新型电化学发电技术，只要供给燃料，就可以持续稳定发电，输出功率可调节范围广（~30%-120%）。燃料电池还可以逆向运行以电解模式工作，将多余的可再生能源电力转化为氢气等化学燃料存储，在需要的时候通过燃料电池模式发电，保障电力的稳定连续供应。
燃料电池与可再生能源电力耦联，可以形成完全独立、连续稳定的离网供电体系，安全、可靠、高效，解决了可再生能源电力稳定供给、市场接纳和推广的难题，同时形成和引领了一种先进的未来能源供给体系和理念。美国苹果公司新总部（Apple-Park）就是采用了上述模式（17MW光伏发电和4MW SOFC发电）作为主电源，直接供给直流电，非常具有引领性和借鉴性，迫切需要引起关注和重视。
（2）燃料电池技术助力传统工业产业升级和节能降耗
传统化工、冶金等过程工业为耗能大户，同时伴生大量副产氢、石化尾气、工业余热等，除燃烧和放空外无法有效通过现有能量转换技术利用和回收，造成能源资源极大浪费和环境问题。SOFC分布式发电技术可以采用上述低热值复杂燃料直接发电，回收资源，并为工业生产提供电力，显著降低工业能耗。还可以就近利用高质量工业余热通过逆过程电解水制氢或电解水和CO2制合成气，实现废热的有效利用，为工业生产提供重要原料，实现传统工业产业优化升级。
四. 氢能与燃料电池领域的国内外发展趋势研判
（1）美日等发达国家把氢能与燃料电池上升为国家能源战略
以美、日、韩等为代表的发达国家把氢能与燃料电池技术上升为国家能源战略。以中国差距最大的、发达国家对中国禁售的SOFC技术为例，1989年日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）牵头成立ASEC项目，持续30年支持SOFC技术研发和产业化发展，于2011年开始SOFC分布式热电联供系统全面进入市场，2019年累计安装超过5万套。美国于2000年由能源部（DOE）牵头成立SECA联盟，组织全国的企业、国家实验室和大学联合进行SOFC技术攻关，政府年均投入5千万美元，累计超过10亿美元，企业累计投入数十亿美元，目标是针对煤电厂的更新换代——煤气化SOFC大型发电系统。在市场推广和应用方面，与2015年相比，2019年全球燃料电池系统装机功率增长了约3.8倍，达到1130 MW。2019年全球燃料电池装机数量约为7.1万台套，其中燃料电池固定式电站超过5.1万台套（约221MW）；交通运输领域约1.5万台套（约908 MW）。显然，作为新一代颠覆性发电技术，燃料电池在发电和交通领域的应用正在快速发展，向商业化推广迈进。
中国要构建“清洁、低碳、安全、高效”的现代能源体系，必须依托新型能源技术的突破，氢能是未来最重要的能源载体，而实现氢能和现有化石燃料清洁高效利用的燃料电池技术必将担负起更重要的历史使命。
（2）中国亟需启动并大力支持燃料电池分布式发电技术攻关
近几年来，氢能与燃料电池领域（被简称为“氢能“）在中国各地受关注程度持续上升，地方政府竞相追捧，颇有愈演愈烈之状。但是，国内氢能发展的关注点主要聚焦在氢的制备、储运、加氢站建设和以氢燃料电池公共汽车为代表的政府主导埋单的示范运行等方面，对国际上燃料电池作为固定电站应用的主流方向严重忽视（如前面分析和数据对比），在研发支持、产业推动和政策引导方面都不到位。以技术难度最高的SOFC为例，日本三菱重工牵头持续30年攻关发展的250千瓦加压式SOFC-MGT独立发电系统直接安装在大楼下面，这是全世界最先进的分布式发电机组（发电效率55%，总效率75%），其广泛推广的结果将是全面替代燃煤电厂和大电网及远距离输电模式。我国在该领域尚未开展实质性工作，没有清晰的认识到该技术革新发展的颠覆性后果。在质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术和产品全面对中国开放甚至竞相抢占、瓜分中国市场的当下，发达国家SOFC技术和产品均对我国禁运禁售，是典型的“卡脖子”技术，应当引起高度重视并予以大力支持。
作为未来能源技术储备和我国建设能源安全新体系的关键环节，燃料电池亟需在政策方向引领和关键核心技术攻关等方向取得突破，尤其是燃料电池分布式发电供能与燃料电池汽车并重发展，在能源供给侧结构性改革和消费新形态建设领域开展燃料电池分布式发电技术攻关和示范，发展具有自主知识产权的关键核心技术，将国家能源安全牢牢掌握在自己手中。
五. 我国固体氧化物燃料电池分布式发电技术产业亟需取得突破
（1）SOFC分布式发电技术与发达国家差距巨大
截至2019年，日本市场安装了5万余套700W SOFC分布式热电联供系统，该系统发电效率52%（LHV），总效率90%以上（LHV），与日本供电网络实现了高效兼容运行；欧洲部分国家也相继推出了1~2 kW的SOFC分布式热电联供系统并开展市场应用。美国Bloom Energy于2009年开始实现了数百千瓦到数兆瓦的中型SOFC分布式发电系统的商业化应用，发电效率60%（LHV）以上，拥有Apple、Google、Coca-Cola、Walmart等上百家规模化用户；美国FuelCell Energy、LG Fuel Cell Systems和日本三菱（-日立）也成功示范运行50~250kW的SOFC分布式发电系统。美国苹果公司新总部构建了4MW SOFC分布式发电和17MW太阳能发电耦合的独立供电系统，引领了能源新体系的构建方向。
但上述产品在中国几乎为零，我国能源安全新体系的构建缺乏政府支持和关键技术支撑。
（2）我国SOFC分布式发电技术发展面临的困境
在所有燃料电池中，SOFC具有发电效率高，寿命长，成本低，燃料适应性广泛等突出优点；但是SOFC运行温度最高，产业链最长，工程技术难度也最大，是典型的“高门槛”技术。正因为此，掌握SOFC技术的发达国家都不对中国开放这项技术，甚至都禁售SOFC产品，“拿来主义”路径显然走不通；我国也缺乏如日本三菱公司那样的企业，潜心30余年持续攻破一项技术产品，致使中国在该领域与世界先进水平差距巨大。另一方面，我国在过去20年中SOFC相关的少量科研项目中，支持力度很低、项目技术指标要求奇高，致使我国SOFC技术研发陷入了“拔苗助长”的怪圈，每一次承担SOFC项目的团队中都有因未能完成指标而被“判死刑”的，致使总体进展缓慢，人心涣散，与发达国家水平差距越拉越大。
过去20年中，中国SOFC技术研发主要集中在大学实验室范畴，从关键材料、电池技术、电堆集成到发电系统，走通了全产业链，初步完成了中试，开始开展示范运行。但是距离实际应用还有较长的路要走，迫切需要组织开展产业技术和应用研究。尤其需要政府主导的政策方向引导。
六. 建议：
（1）充分认识固体氧化物燃料电池分布式发电技术对构建中国“清洁、低碳、安全、高效”现代能源体系的重要性和迫切性，将其确立为国家重点支持的战略方向；
（2）充分审视固体氧化物燃料电池发电技术自身的高难度，确立为单独突破的重点领域，组织全国的产学研团队联合攻关；
（3）出台扶持政策，支持引领SOFC分布式发电系统工程示范，推进SOFC技术与可再生能源电力、传统工业升级耦合发展；
（4）探索基于SOFC分布式发电-多能互补-独立运行-安全可靠的能源微网设计和建设，切实推动燃料电池分布式发电技术在能源结构调整和供给侧结构性改革中的实际应用，为保障国家能源安全做出贡献。
作者：韩敏芳，博士，清华大学长聘教授，燃料电池与储能研究中心主任，能源与动力工程系学术委员会副主任；曾任教育部“长江学者”特聘教授（2012-2017），国家“973计划”固体氧化物燃料电池项目首席科学家（2011-2016）。
现任国家重点研发计划固体氧化物燃料电池项目负责人（2018-2023），能源行业高温燃料电池标准化技术委员会主任（2018-），中国能源研究会燃料电池专委会常务副主任兼秘书长（2016-），中国硅酸盐学会固态离子学分会副理事长（2017-），第十四、十五届北京市人大代表。
2017-2019年期间，固体氧化物燃料电池相关成果获3次获得中国能源研究会、中国节能协会一等奖。