家用氢燃料电池热电联供系统的现状及发展

于蓬，孟庆涛*，王健，薛彬

(1.山东明宇新能源技术有限公司，山东 济南 271100；2.山东交通学院 汽车工程学院，山东 济南 250357； 3.山东顺宇新能源汽车有限公司，山东 济南 271100)

0 前言

燃料电池是把燃料的化学能通过电化学反应直接转换为电能的发电装置[1]，具有能效高、环境友好等优点，成功应用于家用微型热电联供(micro combined heat and power，Micro CHP)[2]中。氢能或以氢能为主的质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)和固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，SOFC)已成功实现商用，本文介绍家用氢燃料电池热电联供(fuel cell micro combined heat and porer，FC mCHP)系统的现状及发展趋势。

1 现状

1.1 应用现状

目前FC mCHP系统的产业化规模仍处于低水平，但其技术性能已超过能效较高的传统供热锅炉。从国外发展现状看，日本借助能源农场Ene-farm计划[3]，使FC mCHP系统真正从技术研发走向商业化，并制定行业标准，形成一套完善的FC mCHP系统产业链。欧洲借助域外技术实施的Ene-field示范项目，开发数十款适用于欧洲普通家庭的微型热电联供系统，并成功应用在欧盟12个成员国中的千余户家庭[4]。微型热电联供系统的研发应用，整合了欧洲9家技术雄厚的相关设备制造公司，统一标准，对微型热电联供设备进行试验研究[5]。

我国FC mCHP系统的产业链结构，仅建立数个kW级示范项目，产品整体性能较国外同类产品有较大差距。FC mCHP系统的研发和应用，以中小企业为主，如晋城市阿邦迪能源有限公司、江苏中靖新能源科技有限公司、上海神力科技有限公司等，呈现出产品少、产量低等特点，导致技术开发和市场培育进展缓慢。2018年初，中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟[6]在北京成立，该联盟的主要工作为推动氢能和燃料电池产业发展，整合产、学、研各方面的技术资源，以及氢能利用技术、安全技术、氢能技术标准等方面的研发，对FC mCHP系统的研发和推广起到了一定的促进作用。

1.2 技术现状

FC mCHP系统如图1所示，燃料电池多选用PEMFC和SOFC 2种，原理上可视为水电解逆过程，阳极为电源负极，阴极为电源正极。PEMFC的核心部件为涂有贵重金属Pt催化剂的交换膜，H2在膜一侧失去电子，产生的质子移动到膜另一侧与O2反应，电子在闭合的外电路中形成电流；SOFC阳、阴极的催化剂不同，燃料在阳极发生氧化，氧化剂在阴极发生还原。从世界各国整体技术发展趋势看，加拿大、韩国等侧重于MW级燃料固定电站的开发应用，日本、欧洲、中国侧重家庭用kW级(≤10 kW)微型热电联供的应用，美国的研究重点是热电联供在军事方面的应用。

a)PEMFC b)SOFC图1 燃料电池反应原理

1.2.1 SOFC型

采用SOFC的FC mCHP系统(SOFC-CHP)，以美国、英国、日本、瑞士为典型代表，已掌握从各关键子系统(SOFC单电池开发、电堆组装、燃气重整制氢系统)制造到整机系统集成的整套生产工艺，且已有产品上市。部分国家家用SOFC燃料电池系统技术参数如表1所示，因不采用贵重金属Pt作为催化剂，极具成本优势，但SOFC工作温度高达500～1000 ℃[7]，启动时间长，各国均采用24 h不间断运转的运行模式，以保证长时间工作的能耗最小。英国Ceres Power公司制造的SOFC-CHP热启动时间仅需13 min，虽实现了自学习运转，但频繁启动造成的高能耗不可避免。另外高温材料耐久性要求高，国际上普遍需要降低SOFC的工作温度，已取得一定研究成果。

表1 部分国家家用SOFC燃料电池系统技术参数

国内SOFC-CHP系统是以高校和科研机构为研究与开发主体，虽攻克了各子系统的关键技术，但整机系统集成技术有待进一步发展。国内SOFC-CHP系统仍处于概念验证开发阶段，上海硅酸盐所于2016年成功研制具有自主知识产权的SOFC-CHP系统(5 kW)，对产业的融资以及后期的产业化发展具有积极意义。

1.2.2 PEMFC型

采用PEMFC的FC mCHP(PEMFC-CHP)系统，按工作温度分为低温型和高温型2种，低温型Pt催化剂抗CO毒害能力弱，高温型使Pt催化剂活性增强，但在电池内会造成高温低湿问题，使交换膜导电率低，致使系统整体能效降低。低温型的PEMFC-CHP工作温度为60～120 ℃，水管理系统较高温型复杂，环境适应能力弱，要求利用重整设备制取的氢气所含CO的体积分数不超过0.4×10-6[8]，否则会降低Pt催化剂的活性。高温型的PEMFC-CHP工作温度为200 ℃，CO的体积分数约为5%[9]。PEMFC-CHP系统国际市场成功范例主要集中在日本，产品已完成若干改进，产品效能高、占地空间小。2006年山东东岳神舟新材料公司已攻克电池内高温低湿造成的交换膜导电率低的问题。2010年我国上海神力科技公司研制成功的首台纯氢供能PEMFC-CHP系统(3 kW)已在上海世博会展出。表2列举的部分国内外PEMFC-CHP系统的产品均处于市场开拓阶段。

表2 部分国内外PEMFC-CHP系统的产品性能

我国科研院校及高新技术企业2010年开始专注PEMFC-CHP整机研发，FC mCHP系统的整机专利数量较以前出现大幅度增长。表3简要列举国内部分FC mCHP系统整机专利信息。

表3 国内FC mCHP整机研发专利

表3(续)

由表3可以看出：自2010年以来我国整机集成技术的进步，但PEMFC-CHP所需的膜电极组件(MEA)与双极板2大关键部件所需的关键基础材料仍依赖进口，我国虽然早已掌握了该基础材料的生产工艺，但批量生产该材料所需的关键设备(高温炉)的制造技术尚未突破，加之参与试制的企业较少，使基础研究和应用产生断裂，因此一旦国外对我国禁售这种材料，我国的燃料电池产业将深受打击。

2 FC mCHP 系统及各核心子系统

2.1 FC mCHP 系统

PEMFC-CHP和SOFC-CHP系统稍有区别，系统流程如图2所示，两系统分别由燃气重整模块、燃料电池模块(PEMFC、SOFC)、热能管理模块和电力转换模块组成。若以纯氢气为燃料，系统结构相对简单，可省略燃气重整模块，但现阶段天然气较纯氢易获取，可直接接入城市燃气管道，便于市场植入与推广[10-11]。天燃气重整制取的氢气中的CO体积分数要求严格，再加上燃烧尾气排热多，需配置复杂的水热管理系统，系统控制和后期维护复杂[12]。若以天然气为燃料，则高反应温度对系统的可靠性和防爆安全性要求更高。

a)PEMFC-CHP系统 b)SOFC-CHP系统图2 PEMFC-CHP与SOFC-CHP系统流程图

2.2 核心子系统

2.2.1 制氢子系统

FC mCHP系统涉足电力、供热和燃料(制氢)3大领域，导致系统控制对象的复杂性和控制内容的多样性，而微型制氢装置的研发与应用是实现该系统安全性和可操作性的前提。制氢技术的研发与应用分为化石燃料制氢、化工副产物提取氢、生物甲醇甲烷制氢、利用自然能(太阳能、风能)进行水的电解制氢[13]4种技术路线。

1)煤炭等固体燃料制氢过程比天然气、甲醇制氢复杂，成本高。2)生物制氢、生物质制氢和富氢气体制氢等方法制取的氢气杂质含量高、纯度较低，不能达到FC mCHP系统要求的氢气纯度，需添置设备提纯，成本增加。3)水电解制氢耗电成本高，适用于国内弃风弃电地区。

现阶段适应于城市燃气设施的解决方案是天然气制氢，较成熟的重整方法包括水蒸气重整法、部分氧化法和自热重整法[14]。我国制氢技术相关专利研发近况如图3所示。

图3中专利活动年限是指某研发机构在某一个专利的有效期内的缴费年限。某机构专利活动年限的总和除以专利总个数，即为平均专利年限。

由图3可知：国内研发机构的普遍专利活动年限都不超过10 a，表明国内制氢技术起步较晚[15]，属于技术开发的前期阶段。

成功上市的PEMFC-CHP系统多采用蒸汽重整法(CH4+H2O=CO+3H2)制取氢气，进气采用较高的水炭比(3～5)、反应压力为0.2～0.3 MPa、工作温度为80 ℃[16]。采用外部重整方式制取氢气时，可避免阳极内部产生积炭，使氢的制取浓度高、成本低、产出效率高。但重整反应过程中强吸热[17]，需配置热管理和水供应装置，因此启动时间较长，适用于长时间稳定工作。部分氧化反应选用金属Ni基催化剂[18]，含炭生成物会覆盖在催化剂表面或是聚集在孔道里，使催化剂失去活性。氧化反应过程伴随微放热，反应快，相应装置结构紧凑，体积小、成本相对低廉，但产物中H2的比例较水蒸气小。采用内部重整方式制氢时，反应器中耦合了放热的燃烧反应和强吸热的水蒸汽重整反应，反应体系本身可实现自供热，也可有效降低积炭，并减弱反应的高热问题[19]。对于PEMFC，通过升温提高Pt催化剂活性，使其抗CO能力增强。

由于SOFC-CHP系统不采用贵重金属Pt催化剂，且反应温度高，可以采用CO或其他碳氢做燃料，SOFC工作过程中产生的热能可进一步利用，提高发电效率。

2.2.2 用氢子系统

据统计，家庭用于日常供热或制冷的电能约占耗电总量的64%[20](其中有5%～10%以机械能的形式消耗)，加上发电过程中废热排放以及电力传输过程中的能量损耗，传统发电的供能发电效率仅占30%～45%，与FC mCHP系统的发电效率大体相同。但FCmCHP系统的能源利用效率可实现发电后废热的二次利用，综合效率高达85%～90%，污染小、噪音低，CO2排放量为传统能源系统排放的30%～50%[21]，可降低用电高峰期的负荷，提高供电的安全性。

以日本Ene-farm为例，PEMFC-CHP和SOFC-CHP资源利用率基本相同(≥85%)，PEMFC-CHP系统的发电效率小于40%，排热回收效率为43%±2.5%，且可以随时启停，输出功率可调；SOFC-CHP系统由于不需要将燃气重整为氢气，结构相对简单，发电效率约为45%，排热回收效率小于40%，维持高温运行需保障连续工作，输出调节能力差，不能保证住宅热量的季节性需求[22]。

2.2.3 水热管理系统

PEMFC-CHP系统的水热或热管理原理如图4所示[23-25]。

图4中的氢气和空气在纯水辅助系统作用下加湿加热后发生反应，通过燃料电池发生氧化还原反应，产生的电能通过电力管理单元输送至供电设备及储电设备。电池反应后的高温废气一部分预热空气和氢气，另一部分通过余热收集管理系统加热冷水，产生的部分热水经热水存储管理系统存储，通过供暖设备使暖气管道中的冷水和热水不断循环，满足家庭供暖需求。当日常热水供应短缺时，电力管理系统加热热水存储管理系统中的水进行热水补充。数据中心(控制系统)通过搜集智能设备(流量计、温度计、压力计等)的电信号，使控制设备(变送器、压缩机等)及时响应，满足用户需求和系统安全。

燃料电池内质子交换膜的干湿度通过电池内化学反应生成水、加湿空气、废气带走水蒸气和辅助设备排水来调整；燃料电池的反应温度(最佳为75～80℃)[26-27]通过冷却水散热和尾气排热2种方式维持，尾气排放能带走燃料电池内部反应发热的30%，约70%的热量通过冷却水散失[28-29]，因此要求冷却系统进出口温差大、散热量大、冷却水泵的流量大，散热器的体积和散热面积相对较大，以提高热交换效率。

SOFC-CHP系统在能源再利用方式上与PEMFC-CHP类似，因燃料电池不需要电池内冷却水单元和电池外纯水辅助系统，电池内部的热量仅靠反应产生的高温废气排热，不需要冷却水散热，结构相对简单[30-31]。

3 FC mCHP系统的发展

3.1 发展方向

1)燃料电池车辆的市场关注度优于FC mCHP系统，可首先开发两者通用的关键部件，如电极、电解质膜、催化剂、分离器等，利用产业协同效应，促进FC mCHP系统的市场化。国内各地运营的氢燃料电池车主要集中在客运、公交专线领域，且已突破百辆级别。燃料电池车辆一旦在全国范围内推广，必然推动FC mCHP系统的市场化进程，实现协同降本。

2)研制燃料电池所需的性能优良的基础材料，促进我国燃料电池向高性能、高寿命、低成本的方向发展，加大材料研发力度，提高企业研发新材料的积极性，加快原材料的国产化步伐。

3)借鉴日本FC mCHP系统市场化经验，进行低成本核心技术开发，包括：PEMFC-CHP系统应着力于削减电池催化剂Pt的用量或开发替代品、提高发电单元效率、改进系统整体设计等；SOFC-CHP应从提高电池堆的耐久性、保持发电单元集电极低电阻性能等入手。

4)形成由科研院校及企业参与的从实验室模型研究到产业化、规模化的FC mCHP系统研究体系，明确研究导向，并制定行业标准，提高FC mCH系统的研发效率。保证实验室与产业化的信息畅通性，使对应科研成果进入企业，做到技术供给与实际需求相匹配。

3.2 未来FC mCHP系统的特点

FC mCHP系统具有能效高、环境友好等优势，加之成本低，以及技术不断突破，在多种领域具有广泛应用，各国政府出台了相关引导政策，市场需求与政策双驱动，FC mCH系统的发展将会更加完善。

1)可循环性。碳基燃料与水利用可再生能源与电解池组合，形成可再生能源蓄能系统，使碳氢燃料循环再生，并辅以蓄电池给予控制系统供能，实现蓄能供能双重作用。

2)环保性。利用有机质生产氢，一是利用细菌发酵，将酸或糖类转化成H2，二是将生物原料通过化学反应和物理提纯转换成H2，2种方法均能充分利用生活、生产废弃物，节能环保。

3)共享性。FC mCHP系统作为分散电站，可统筹局部区域内电热的分布，提高居民资源利用效率，实现资源共享。

4)便利性。物联网的普及以及5G的到来，人机互动性加强，使FC mCHP系统的安全保障能力增强。

4 结语

PEMFC-CHP和SOFC-CHP电热产出比不同，我国温带气候兼具南北纬度跨度大的特点，2种系统均可在我国得以利用和发展。南方城市适应SOFC-CHP系统电力高输出的特点，同时当冬季出现极寒天气时，系统供热同样可有效解决电网的高负荷问题。而广大北方地区冬季漫长，要使室温不低于5 ℃，热量需求量大，适合采用PEMFC-CHP系统。FC mCHP要在中国实现商用，离不开前期政府的支持(政策与资金)和公众的认可。