全球SOFC头部企业架构简析之Bloom Energy

1.公司简介：

Bloom Energy（以下简称BE）成立于2001年，总部位于加利福尼亚州圣何塞。该公司主要从事固态氧化物燃料电池和电解槽的生产与销售。在2018年上市之前，BE已筹集了超过10亿美元的风险投资。其燃料电池项目还获得了政府绿色能源激励计划的补贴。

 

截至2022年，BE已经成为当今市场上最先进的电力和制氢平台之一，年生产能力达1GW，全球装机量超过1.2 GW，产品设施遍布6个国家和1000多个地区。就收入而言，韩国是BE目前最大的市场，而美国则是第二大市场。BE于2018年在韩国开始商业运营，截至2022年，已在该国部署了超过400MW的能源服务器。然而，就能源服务器安装总量而言，美国依然是BE最大的市场。

 

图1：Bloom Energy公司

1.1   客户展示：

BE的客户涵盖各行各业，其中包括数据中心、科技公司和制造业等重要客户。这些客户希望获得清洁、可靠的能源。尽管电力成本也很重要，但对于目前的小规模示范应用而言，可以暂时忽略不计。BE为客户带来的价值包括更可靠的电力、减少碳足迹以及可预测的能源成本等。下图展示了部分重点行业的关键客户。

 

l 数据中心

l 科技公司

l 制造业

 

1.2 商业模式：

 

2       产品收入 - BE所有的产品收入来自于能源服务器的销售，客户包括运营第三方购电协议（PPAs）和售后租回交易的运营商以及国际渠道供应商。根据传统的租赁融资方案，BE通过直售将能源服务器出售给运营商，而运营商又根据租赁协议将能源服务器租赁给其客户。

3       安装收入 - BE所有的安装收入都是能源服务器直售的一部分。通常，当系统准备好启动和调试时，或者当系统运行并产生电力时，BE就会确认安装收入。

4       服务收入 - 服务收入来自维护服务协议。作为BE与客户签订的能源服务器销售和安装初始合同的一部分，BE通常提供标准的一年保修。同时BE还向客户销售延长的年度维护服务，根据客户的选择有效地延长标准的第一年保修范围。这些客户通常可以选择每年续订或取消延长维护服务。

5       电力收入 – BE出售自有的或根据第三方运营商拥有的能源服务器产生的电力获取收入。第三方运营商从BE这里购买能源服务器，并通过长期购电协议将这些系统产生的电力出售给客户。客户必须在购电协议的合同期限内以商定的价格购买这些能源服务器产生的所有电力。

注：电力购买协议(PPA)，或电力协议，是发电终端运营商和客户(通常是公用事业，政府或公司)之间的长期合同。购电协议可能持续5到20年，在此期间，电力购买者以预先商定的价格购买能源。

 

BE 2020年-2022年的营收情况如下所示：

 

受到产品接受度增加和定价改善的影响，Bloom energy收入2022年同比增23.34%，首次突破10亿美元。其中产品收入占比73.44%，同比2021年增长32.73%。值得一提的是，BE在2022年有100亿美金的未完成订单，也是BE历史上最大的订单，这个大订单将是BE 在后续年份的业绩保证。

 

2.       公司技术

 

2.1       SOFC燃料电池技术

BE的专有固体氧化物燃料电池技术能够将天然气、生物燃料或氢气转化为电能，而无需燃烧，实现零碳或低碳排放。SOFC单电池由阳极、阴极和电解质材料组成，通过无燃烧的方式将燃料转化为电力。这些单电池堆叠在一起形成燃料电池堆，多组燃料电池堆则组成BE能源模块，亦称为能源服务器。多个能源服务器进一步组合，构成BE能源服务器平台。BE能源服务器提供灵活的平台，可根据客户需求进行扩展。该服务器提供可靠、具有弹性且全天候不间断的电力，且其技术在全球范围内处于领先地位。

 

 

2.2       SOEC电解槽技术

 

固体氧化物电解槽技术（SOEC）是BE在SOFC技术的基础上开发的逆过程。电解是利用电能将水分子分解成氢和氧的过程。SOEC也是由阳极、阴极和电解质组成，其中电解质是一种固体陶瓷材料，阳极和阴极由覆盖在电解质上的特殊浆料制成。这些组件共同促进了通过可再生电力生成氢的电化学过程。由于SOEC的高工作温度，其整体效率比其他技术更高，因此需要更少的电力来促进反应。

 

 

3.公司产品：

 

3.1SOFC燃料电池发电产品

 

BE的能源服务器系统采用SOFC技术，最早的服务器装机可追溯到2008年。该系统通过电化学反应将天然气、沼气或氢气等各种燃料转化为电能，而无需燃烧。其占地面积小，扩展性高，能够安静且高效地发电。不仅适用于任何陆基固定电力需求，还能为船舶提供电力。BE的SOFC能源服务器平台在800°C以上的核心温度下工作，平均寿命电效率为54%，处于业界领先水平。当与热电联产(CHP)系统结合使用时，能源服务器的平均电热效率可以超过90%，大幅减少能源浪费和有害排放。BE能源服务器的主要优势包括：热电联供效率可达90%，SOFC通常会在高温下运行（常规工作温度在600-900℃之间），因此在讨论BE能源服务器效率时通常指的是热电联供效率。

 

l      具备燃料灵活性，这意味着BE能源服务器可使用非常多类型的燃料，其中最典型的有甲醇和天然气，但这些燃料都需要进行重整才能使用

l      发电功率可扩展，不受限制。例如单个能源服务器为330kW，那么如果所需发电功率达3300kW，只需要配备十台能源服务器即可。

l      就全球应用端而言，BE已部署超1.2GW系统，运行的可靠性是最高的

l      1GW产能，交付速度快

 

BE能源服务器系统模块

Bloom的能源服务器设计包括三个模块：

燃料处理模块（Fuel Processing, FP）：去除燃料内部杂质，将燃料进行重整（如果需要），并将处理好的燃料输送到发电模块

发电模块（Power Module, PM）：装载SOFC电堆，将燃料内部的化学能转化为直流电

逆变器模块（Inverter Module, AC）：将来自PM模块的直流电转化为可用的交流电，传输给用电客户。

BE能源服务器运行系统

BE能源服务器运行系统包括以下辅助设备：

l      遥测机箱（Telemetry Cabinet, TC）：用于远程监控BE设备

l      配水模块（Water Distribution Module, WDM）：在运行时给PMs供水

l      配电盘（Power Distribution Switchboard, PDS）：与现场的电气设备进行电气连接。

 

图：325kW能源服务器流程图

 

能源服务器可以进行线性部署，也可以根据需求分两排紧靠部署。为了帮助项目执行，能源服务器通常在工厂进行包装，并安装在包含所有互连电缆、管道和辅助设备的基座上。这种封装的能源服务器使安装快速简便。

 

图：封装好的能源服务器的正面和侧面视图

 

图：单排线性和联排部署的能源服务器

 

BE的能源服务器系统的燃料适用性很广，且高效。下表突出了针对天然气进行优化的能源服务器的技术性能。每台已部署的能源服务器都由BE全面监控和维护，正常运行时间高达99.998%。

 

 

3.2 SOEC电解槽制氢产品

氢对能源经济的脱碳至关重要，固体氧化物电解降低了生产氢燃料的成本，而效率是实现脱碳目标的关键。

电力成本是电解水制氢发展的主要驱动变量，其对清洁氢的经济可行性影响最大，因此对于电解槽而言，电力与氢气的转换效率至关重要。爱达荷国家实验室(Idaho National Laboratory, INL)的研究人员对BE的固体氧化物电解槽进行测试，结果表明，BE电解槽的系统生产效率为37.5kWh/kg，相比目前其他的电解槽技术，如PEM或碱性电解槽（生产效率为52-54kWh/kg），具有明显的优势，如下图所示。

 

        BE的电解槽是目前世界上效率最高的氢电解槽。其具备的优势包括：

l       强大而成熟的供应链基础，年生产能力超过2GW

l       采用模块化设计，可实现连续作业和并行维护

l       氢气流中没有氧气(不需要脱氧装置)

 

BE设计的1.2MW电解槽参数如图所示：

模块化BE电解槽核心数据：

2.4MW电解槽示意图：

 

4. 架构分析

4.1 SOFC系统架构示例

 

下图示意了根据Bloom Energy公开专利的一种固体氧化物燃料电池（SOFC）系统架构原理图。系统10包括一个热箱100以及其中或邻近布置的各类组件。热箱100可能包含至少一个燃料电池堆102，例如包含交替排列的燃料电池和互连件（interconnects）的固体氧化物燃料电池堆。每个固体氧化物燃料电池由陶瓷电解质构成，如钇稳定氧化锆（YSZ）、钪稳定氧化锆（SSZ）、钪和铈稳定氧化锆，或钪、钇和铈稳定氧化锆；并且配备有阳极电极，如镍-YSZ、镍-SSZ或镍掺杂铈氧化物陶瓷金属复合材料；以及阴极电极，如锰酸镧锶（LSM）。互连件通常由金属合金制成，如铬-铁合金互连件。电池堆102可以排列成多个柱状堆叠形式。

 

图： 管道的文中编号要保留，其他的在图上标好后，可以删除。

 

热箱100还可以包括一个阳极回收热交换器110、一个阴极回收热交换器120、一个阳极尾气氧化器（ATO）130、一个阳极排气冷却热交换器140、一个可选的分流器170以及一个水注入器160。系统10还可包括一个催化部分氧化（CPOx）反应器200、一个混合器210、一个CPOx鼓风机204（例如空气鼓风机）、一个系统鼓风机208（例如空气鼓风机）以及一个阳极回收鼓风机212，这些组件通常布置在热箱100的外部。然而，本公开并不限于这些组件在热箱100内外的具体位置安排。

 

CPOx反应器200通过燃料管道300A接收来自燃料入口300的燃料流。燃料入口300可以是一个燃料罐，或者是一个公用事业天然气管道，后者配有用于调节提供给CPOx反应器200的燃料量的阀门。在系统启动时，CPOx鼓风机204可能向CPOx反应器200提供空气。燃料和/或空气可以通过燃料管道300B传输至混合器210。燃料从混合器210通过燃料管道300C流向阳极回收器110。燃料在阳极回收器110中通过燃料排气加热，然后通过燃料管道300D从阳极回收器110流向电池堆102。

 

系统鼓风机208可以配置为通过空气管道302A向阳极排气冷却器140提供气流（例如空气入口流）。空气经过阳极排气冷却器140后，通过空气管道302B流向阴极回收器120。在阴极回收器120中，空气受到ATO排气的加热处理。随后，空气通过空气管道302C从阴极回收器120流向电池堆102。

 

在电池堆102中产生的阳极排气（例如燃料排气流）通过阳极排气管道308输送至阳极回收器110。阳极排气可能包含未反应的燃料，因此也可称为燃料排气。阳极排气通过回收管道310从阳极回收器110输送至混合器210，其中回收管道可能包括第一回收管道310A和第二回收管道310B。具体而言，第一回收管道310A将阳极回收器110的出口与阳极排气冷却器140的入口流体连接，而第二回收管道310B则将阳极排气冷却器140的出口与混合器210的入口流体连接。

 

水通过水管道306从水源206（如水箱或水管）流向水注入器160。水注入器160可配置为将水注入流经第一回收管道310A的阳极排气中。阳极排气的热量（即回收阳极排气流）将水蒸发成蒸汽，从而对阳极排气进行加湿。加湿后的阳极排气被输送至阳极排气冷却器140。在阳极排气冷却器140中，阳极排气的热量会传递给由系统鼓风机208输送至阴极回收器120的空气入口流。经过冷却的加湿阳极排气随后通过第二回收管道310B从阳极排气冷却器140输送至混合器210。阳极回收鼓风机212可配置为推动阳极排气通过第二回收管道310B。

 

混合器210被配置为将加湿后的阳极排气与新鲜燃料（即燃料入口流）混合。这样形成的加湿燃料混合物可以在阳极回收器110中被阳极排气加热，随后再输送到电池堆102。系统10还可以包括一个或多个燃料重整催化剂112、114和116，这些催化剂位于阳极回收器110的内部和/或下游。在燃料混合物进入电池堆102之前，重整催化剂对加湿后的燃料混合物进行重整处理。

 

分流器170可操作性地连接至第一回收管道310A，并被配置为通过ATO管道312A将部分阳极排气引导至阳极尾气氧化器（ATO）130。ATO管道312A可与阴极排气管道304A或阳极尾气氧化器130流体连接。

 

电池堆102中产生的阴极排气通过阴极排气管道304A输送至阳极尾气氧化器（ATO）130。阴极排气可以在进入ATO130之前或之后与阳极排气混合。在ATO130中，阳极排气和阴极排气的混合物被氧化，生成ATO排气。ATO排气从ATO130通过阴极排气管道304B流向阴极回收器120。随后，排气从阴极回收器120通过阴极排气管道304C流出热箱100。

 

系统10还可以包括一个系统控制器225，该控制器用于控制系统10的各个元件。控制器225可能包含一个中央处理单元，用于执行存储的指令。例如，控制器225可以根据燃料成分数据来控制系统10中的燃料和/或空气流动。

 

本发明的发明人发现，在稳态操作期间，当燃料电池堆施加足够的电负载时，可能不需要通过ATO产生热量来维持所需的SOFC堆102的稳态工作温度（例如，高于700°C的温度，通常为750至900°C）。然而，在传统系统中，为了氧化阳极排气中存在的一氧化碳，ATO在稳态模式下可能仍会继续运行。然而，这种氧化反应会释放大量热量，而在稳态操作中，这些热量可能并非必需。

 

传统上，为了补偿ATO释放的热量，系统鼓风机208提供的系统空气流量（即空气入口流）可能需要增加。然而，随着空气流量的增加，电池堆中燃料电池的温度范围也可能随之扩大。例如，较高的空气流量可能导致某些燃料电池在低于最佳温度的条件下运行，从而降低整体功率输出。此外，较高的空气流量还可能导致沿空气流路径的压力降增加。空气流量和压力降的增加不仅会增加系统的BOP辅助功率消耗，还会降低整体系统效率。

 

鉴于上述问题和/或传统系统的其他挑战，在本公开的一些实施例中，至少在系统稳态运行期间，阳极排气可以与离开热箱100的阴极排气或替代的新鲜空气流混合，而不是直接引入ATO。某些实施例中，催化剂可以用来支持对阳极排气中残留的一氧化碳、烃类燃料和/或氢气的氧化。在使用纯氢燃料的替代实施例中，如果需要，阳极排气可以直接从热箱100排放出去。对于热电联产（CHP）配置，阳极排气可以排放到阴极排气管道中，并在CHP热交换器的上游产生可回收的热量，从而在CHP热交换器中加以利用。

 

 

再次参照图1，SOFC系统10可能包括一个旁通管道316、一个旁通阀320以及一个排气氧化器330。旁通管道316在流体上连接第二回收管道310B和阴极排气管道304C。在某些实施例中，旁通管道316可连接至第二回收管道310B的下游，即相对于阳极排气在第二回收管道310B中的流动方向，位于阳极回收鼓风机212的下游，从而提供额外的排气流压至阴极排气管道304C。然而，在其他实施例中，旁通管道316也可以在阳极回收鼓风机212的上游与第二回收管道310B相连通。

 

排气氧化器330可配置为氧化从ATO 130输出的ATO排气和/或从旁通管道316输出的阳极排气。例如，排气氧化器330可以包含一个管道或导管，内部装有催化剂，用于促进一氧化碳和/或氢气的氧化反应，将其转化为二氧化碳和/或水。在某一实施例中，排气氧化器330位于热箱100的外部，因此，排气氧化器330产生的热量不会用于加热SOFC堆102。

 

ATO管道312A将来自分流器170的阳极排气（例如，ATO燃料流）输送至ATO 130。通过控制阳极回收鼓风机212的速度，可以控制阳极排气通过ATO管道312A的流量。例如，较高的阳极回收鼓风机212速度可能导致较少的阳极排气流向ATO 130，而较低的阳极回收鼓风机212速度则可能导致更多的阳极排气流向ATO 130。在某些实施例中，为了防止阴极排气通过ATO管道312A回流至分流器170，阳极回收鼓风机212的速度可能会受到限制。

 

旁通阀320可能位于热箱100外部，以防止其因暴露于热箱100内部的高温环境中而受到损坏。旁通阀320用于控制阳极排气通过旁通管道316的流动，从阳极排气管道310引出。特别是在系统10启动期间，旁通阀320可能关闭，以确保阳极排气不被输送至排气氧化器330和阴极排气管道304C。同时，阳极回收鼓风机212可能以一种不会将所有阳极排气抽出热箱100的速度运行，从而确保ATO燃料流能够被输送至ATO130。因此，在系统10的启动模式下，ATO130利用阴极排气氧化阳极排气并产生热量。这些热量被用于在启动模式下提高电池堆102的温度，直到电池堆102达到其稳态工作温度（例如，高于700°C，如750至900°C）。

 

相反，在电池堆102达到其稳态工作温度（例如，高于700°C，如750至900°C）并进入稳态运行时，旁通阀320可能会打开，使至少一部分阳极排气通过旁通管道316输送到阴极排气管道304C和排气氧化器330。同时，阳极回收鼓风机212的速度/流量可能会增加，以最大限度地减少通过管道312A输送至ATO130的阳极排气量，同时防止阴极排气的回流。

 

因此，如果从电池堆102中抽取足够的电流（即，如果电池堆输出的电功率高于电池堆102的特定阈值），那么在稳态模式下，电池堆102会产生足够的热量来维持所需的稳态工作温度，而无需依赖ATO的热量。在某些实施例中，当电池堆102在启动模式和/或低电流稳态模式下抽取的电流不足以维持所需的稳态工作温度时，阳极排气则会被输送至ATO130以提供额外的热量。

 

例如，如果系统控制器225检测到从电池堆102抽取的电流低于维持所需稳态工作温度所需的预定阈值电流（即，电池堆的工作温度低于阈值温度，如高于700°C，通常为750至900°C），则部分阳极排气将被输送至ATO130，以在ATO130中产生热量。这些由ATO产生的热量将传递给电池堆102，以维持电池堆的温度高于阈值温度。阈值电流的具体数值取决于电池堆的尺寸、燃料电池的组成、供应给电池堆的燃料成分、电池堆的累计退化程度等因素。在一个实施例中，阈值电流可能在10至30安培之间，例如20至25安培。在低电流稳态模式下，阳极排气可能会被输送至排气氧化器330，也可能不会。

 

一旦系统控制器225检测到从电池堆102抽取的电流等于或高于维持电池堆温度在阈值以上所需的阈值电流，系统10将退出低电流稳态模式，进入正常稳态模式。在正常稳态模式下，阳极回收鼓风机212的阳极排气流量增加，并且只有极少量的阳极排气被输送至ATO130。例如，阳极回收鼓风机212可能以较高的速度运行，导致大部分阳极排气从热箱100中抽出并输送至排气氧化器330，而在正常稳态模式下，仅有极少量或几乎没有（例如，少于20体积百分比，如1至10体积百分比）的阳极排气被输送至ATO130。

 

在一个实施例中，旁通阀320可能是一个比例阀，用于精确控制通过旁通管道316的阳极排气流量。在一些实施例中，系统控制器225可以在从启动到稳态运行的过渡期间和/或在稳态运行期间，逐步打开旁通阀320，并逐步提高阳极回收鼓风机212的速度。此外，系统控制器225还可以配置为逐步降低系统鼓风机208的速度，以补偿ATO130热输出的减少。

 

排气氧化器330可以设置在热箱100的外部，以避免由氧化反应产生的热量不必要地加热系统组件。这样，整个系统的气流量可以减少。具体来说，与阳极排气在稳态运行期间被输送至ATO130的情况相比，系统鼓风机208可以以较低的速度运行。换句话说，系统鼓风机208在稳态下的功耗可能会显著降低。此外，电池之间的温度差异可能会减少，从而提高电池电压和系统效率。

 

在某些实施例中，系统10可选地包括一个机柜空气鼓风机209，用于向阴极排气管道304C或系统排气管道332提供机柜空气。具体来说，系统10可能被安装在一个机柜内，机柜空气鼓风机209被配置为在需要较冷的系统排气时，提供机柜空气以冷却从系统10排出的废气。

 

在其他各种实施例中，系统10可以包括一个系统排气管道332，该管道用于将排气氧化器330的排气输出输送至热电联产（CHP）系统400，如图5所述。在图1所示的一个实施例中，可以通过机柜空气鼓风机209向阴极排气管道304C提供额外的空气，以降低排气温度。