燃料电池分布式供能技术发展现状与展望

0 引言

伴随着我国经济的发展和人民生活水平的不断提高，人们对于能源的需求不仅局限于数量方面，更存在于质量方面，要求具有更高的效率、更低的成本和更少的污染。《中国能源展望2030》报告指出，我国煤炭消费比重将有较大幅度下降，2020年、2030年煤炭占比分别为60%和49%，与此同时非化石能源快速发展，到2020年、2030年的占比将达到15%和22%[1]。近2年我国能源结构已开始转型，可再生能源迅速增长，能源供应由集中化开始向分布式转变[2]。

目前关于中西医结合在慢性鼻窦炎围手术期的治疗较少报道，故本课题通过研究中成药藿胆片（紫鑫药业生产）（批号JHA20A00000093）在鼻内镜围手术期治疗慢性鼻窦炎的疗效，其与传统的治疗方法进行对比，分析藿胆片结合西医治疗慢性鼻窦炎的效果，报道如下。

1978年，美国在公共事业管理政策法中提出分布式供能的概念并予以公布，至今已被国际社会广泛认同[3]。相比于传统的集中式供能方式，分布式供能提倡将发电系统以小规模(kW至MW量级)、分散式的方式布置在用户附近，可独立输出热、电、冷等能量[4-5]。这在一定程度上可以提高能源利用效率，减少燃料的浪费，减少输配电的损失，经济上可以降低土建和安装成本、减少用户能源成本，环境上可以减少二氧化碳和其他污染物的排放[6]。

常见的分布式能源发电装置既包括以煤、石油、天然气等传统化石能源为基础的发电装置；又可以涵盖生物质、太阳能、风能等可再生能源，促进能源发展朝向可再生和可持续的方向行进。

1 燃料电池用于分布式供能

燃料电池作为一种典型的发电装置，可以通过电化学反应连续地将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，相比传统的燃烧发动机有以下优势：1）不受卡诺循环的限制，发电效率更高；2）没有旋转运动部件，机械损失小，噪音低；3）燃烧过程中产生的典型污染物，如 SOx，NOx以及颗粒物的排放基本为零，CO2等温室气体的排放低；4）燃料电池发电系统对负载变动的响应速度快，并且变负荷过程中发电效率波动不大，供电稳定性好；5）体积小，结构简单，维护便利，更加适用于小型的分布式供能系统。

根据电解质类型的不同，燃料电池通常可分为碱性燃料电池(alkaline fuel cell，AFC)、磷酸燃料电池(phosphoric acid fuel cell，PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(molten-carbonate fuel cell，MCFC)、固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，SOFC)及质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)[7]。其中，PEMFC主要由聚合物材料构成，一般工作在60~100 ℃，采用纯氢作为燃料，功率密度高，具有良好的启停能力，是目前发展最为广泛，技术比较成熟的一类燃料电池。SOFC主要由陶瓷材料构成，一般工作在 600~1 000 ℃，无需贵金属催化剂，燃料适应性广，可以采用多种碳氢燃料，在发电的同时产生大量高品位的热能，在小型热电联供系统中极具应用前景[8]。

我国作为一个煤炭大国，超过一半的能源供应来自于煤炭，因此煤炭的清洁高效利用对于满足我国能源需求和减缓环境污染问题具有重要意义。目前，我国煤炭集中利用的比例仍然较低，电力行业耗煤量仅为煤炭总消费量的50%左右，远低于美国93%、英国80%、德国80%、日本90%的水平[11]。散煤的利用带来了更加严重的污染，同时更接近人群，给人民生活水平和健康带来了严重的影响。结合我国的实际国情，一方面需要提高我国煤炭集中利用的占比，与此同时，清洁高效地利用散煤和部分劣质煤，对于缓解能源形势，解决环境污染问题也至关重要。

从2009年起，我国天然气消费量开始快速增加，天然气的消费进入新阶段。2016年，我国天然气消费量增加7.7%，对外依存度达到34.2%。由于我国天然气资源匮乏，而消费量却在日益增加，因此如何高效地利用天然气，对于缓解我国天然气短缺的压力，具有重要意义。基于天然气供应网络，燃料电池热电联供系统更加适合与当前快速发展的智能电网相结合，可用于补偿可再生能源电力波动中存在的问题[15]。

欧洲ene.field工程自2012年启动以来，联合27家单位，到2017年，在12个欧盟成员国累计安装 1 046台家用微型燃料电池热电联供系统[10]。该项目工程主要基于 SOFC和 PEMFC，开发了数十款适用于欧洲普通家庭的微型热电联供系统。其中以SOFC为基础的共计603台，以PEMFC为基础的共计 443台，相关技术参数见表1[10]，部分装置可实现高达60%的发电效率和95%的系统总效率。

表1 欧洲ene.field工程产品参数 Tab. 1 Operating parameters for ene.field project in Europe

燃料电池类型 电功率/kW 热功率/kW 系统效率/% 电效率/%PEMFC 0.3~5 1.4~22 85~90 35~38 SOFC 0.7~2.5 0.6~25 80~95 35~60

总的来说，基于天然气的燃料电池热电联供，既可以充分实现小型化和紧凑化，满足单个家庭的用热用电需求(<10 kW)，又可以在一定程度上扩大规模，使用在商业区或小型工业区，满足更高负荷的热电需求(200 kW~2.8 MW)[16]。采用燃料电池热电联供系统，既可以提升天然气的使用效率，降低污染物的排放，实现CO2减排，同时在保障用户用电安全性和降低用热、用电成本方面也独具优势。

健身俱乐部的男女会员比例分别为得知23.2%和76.8%。造成这一状况的主要原因是男性会员在潜意识里认为健身操是只有女性的练习，男会员多半倾向于器械练习或球类项目。通过调查得知：25-45岁的会员是参加锻炼的主要群体，这一年龄段的会员大多数已经成家立业，有相对稳定的收入。他们意识到只有拥有强壮健康的身体才能更好的工作。另外健身健美锻炼也有助于消除工作中的压力、缓解不良情绪，这些都是他们参加健身锻炼的动力。

2 燃料电池在分布式供能中的应用

2.1 直接碳燃料电池的分布式供能

日本京瓷公司从 2004年起开始开发基于燃料电池的家用微型热电联供系统，于2011年推出首个商业化系统ENE-FARM type S，到2016年累计安装量已达到257 000台[9]。2014年日本首相安倍晋三在“振兴日本战略”内阁决策中提出：到2030年日本将会有530万部家用燃料电池投入使用，约占日本家庭总数的 10%。对于 ENEFARM 系列中爱信精机制造的典型的 700 W SOFC家用热电联供系统，其发电效率可达到46.5%，热电总效率可达90.0%，远高于传统的集中式供电供热系统。

学者詹姆斯·韦伯·扬曾认为，创意就是“旧元素的新组合”。像案例中的“足球高尔夫”、“地排球”、“嗒嗒球”属于不同元素重组的体育参与方式转型范畴，即“将单一元素重组成多元元素融合”、“将传统元素重组成现代元素”、“将传统项目重组成新鲜项目”等，改变了一些传统的体育项目因没有新鲜感或因难度过高不能满足群众多元需求的现状，吸收了新鲜有趣、入门容易或惊险刺激的项目元素特点，充分彰显了人与生俱来的创意智慧。因此，需要元素重组开发新项目，以满足群众参与体育运动的欲望，实现体育项目元素与活动内容的多元化，体现传统与现代气息的融合。

燃料重整器是燃料电池热电联供系统中的一个重要部件，天然气经过燃料重整器转变为合成气或富氢气体，以供燃料电池阳极作为燃料。对于高温 SOFC，尽管可以通过直接内重整实现甲烷的转化，不需要外部重整器，但容易出现阳极积碳、性能衰减等问题。目前常用的天然气重整方式有水蒸气重整法、部分氧化法和自热重整法[18]。蒸汽重整是目前应用最为广泛的技术，具有出口氢气浓度高、成本低、生产效率高等特点，但由于蒸汽重整反应 CH4+H2O⇌CO+3H2是一个强吸热反应(反应热为206 kJ/mol)，需要额外的热管理和水供应装置，启动时间较长，一般用于长时间稳定工作。部分氧化重整是指天然气与氧气发生部分氧化反应 CH4+O2⇌CO+2H2，产生H2和CO。该反应是一个微放热反应，反应速率快，响应迅速，装置体积小，结构紧凑，成本低廉，但产物中H2的含量较水蒸气重整要低。自热重整通常结合部分氧化重整与蒸汽重整的优势，利用部分氧化反应过程中产生的热量为蒸汽重整反应提供部分热量，降低反应所需额外热量。

直接碳燃料电池(direct carbon fuel cell，DCFC)以固体碳为燃料，可以将碳燃料的化学能直接转化为电能，被国际能源署列为21世纪最具前景的4种先进煤炭利用技术之一[12]。在直接碳燃料电池中，碳与氧气的反应(C+O2=CO2)熵变仅为2.5 J/(K⋅mol)，其理论效率接近100%，同时，由于反应物C与产物CO2分别以固、气两相存在，其燃料利用率可达 100%[13]。相比普通燃煤发电系统，直接碳燃料电池在散煤利用方面更占优势，氮氧化物、硫氧化物、颗粒物的排放很低。同时，其燃料适应性强，不仅可使用碳黑作为燃料，还可采用煤炭、生物质、生活垃圾等进行发电。阳极出口为高浓度的CO2，有利于CO2的富集与减排，无需一般CO2捕集过程中所需的能耗。

直接碳燃料电池按电解质的不同可分为熔融碳酸盐电解质DCFC、熔融氢氧化物电解质DCFC和固体氧化物电解质 DCFC。其中，熔融碳酸盐电解质DCFC中，CO2不会对电池造成污染，且CO2与 CO32-转化较为容易，具有良好的热稳定性和相对较高的离子电导率，在目前研究中相对成熟。但是由于熔融碳酸盐在高温下的腐蚀性较强，其高温密封要求高。熔融氢氧化物电解质DCFC具有更高的电流密度和反应活性，反应温度更低，但是在反应过程中氢氧化物会与CO2反应生成碳酸盐，导致电解质的失效。固体氧化物电解质不存在液体电解质所面临的腐蚀、泄漏和污染问题，对碳燃料的要求相对较低，有望实现电池规模的扩大。

美国通用电气公司、CellTech Power公司[14]等提出以液态金属作为固体氧化物电解质 DCFC的阳极，工作原理如图1所示。阴极电化学反应产生的 O2-通过固体氧化物电解质传导到阳极侧，在三相界面处与金属M发生氧化反应，生成金属氧化物，然后通过反应将金属氧化物还原为金属。

图1 液态金属阳极SO-DCFC原理示意图 Fig. 1 Schematic diagram for liquid metal anode SO-DCFC

《红楼梦》是一部多重意蕴上的悲剧，家族的悲剧、个人的悲剧、爱情的悲剧、理想的悲剧、历史的悲剧等等，从金陵十二钗的簿册判词及《红楼梦十二曲》的歌词中，我们已经预知了大观园里的女子们“千红一窟（哭）”“万艳同杯（悲）”的悲剧结局。曹雪芹想告诉我们，诗意美好的青春年华只存在于“太虚幻境——大观园”，当这些女子走到冷酷残忍的外部世界时，一切便随风飘逝了。这是命定的悲剧。

因此，利用直接碳燃料电池技术，既可以实现对散煤、生物质、甚至固体垃圾的分布式利用，同时有望在提升燃料利用效率、缓解环境污染、降低温室气体排放等方面有所突破。

2.2 基于天然气的燃料电池热电联供系统

美国 Bloom Energy公司自 2008年 7月向Google出售第一台100 kW的SOFC系统“Energy ServerTM”，主要产品有ES5、ES-5700、ES-5710等，目前的顾客涵盖Walmart、可口可乐、AT&T、Ebay、Adobe、FedEX、亚马逊、苹果等大型公司。同时他们准备将燃料电池技术引进数据中心，预计在2019年完成为12个美国数据中心提供电力的目标。

液态金属燃料电池采用液态金属作为阳极，将传统的固-固接触改变为液-固接触，有利于物质的输运，在增大碳燃料反应界面的同时避免了杂质对于孔隙结构的堵塞问题。液态金属所提供的温度场更加均匀，避免了阳极内部局部超温的出现。同时，金属作为电子导体，可直接用于集流，降低了阳极集流难度。液态金属密度较大，工作过程中形成的灰渣等漂浮于液态金属表面，除渣便利。另外，液态金属可同时作为一种储能介质，在无燃料情形下可以仍然保持短期运行，在固体燃料输送中断或启停条件下起缓冲作用，保证电池的稳定性，此种运行模式称为“电池模式”[14]。

在传统的发电系统中，考虑到没有利用的排气废热和传输损失，实际发电效率一般在30%~45%。然而在实际应用中，用户终端大约有64%左右的电能用于供热或供冷[16]。基于燃料电池的微型热电联供(micro-combined heat and power，m-CHP)系统可实现能源的梯级利用，具有较高的热、电效率，系统效率可达到85%~90%，同时具有污染物和温室气体排放少，噪音低等优点，系统环境友好，CO2排放仅为传统能源系统的30%~50%，同时可以降低环境电力高峰负荷，提高供电的安全性[17]。

一个典型的燃料电池热电联供系统主要包括燃料处理模块、燃料电池模块、热管理模块和电力转换模块。图2为系统简单示意图，天然气通过燃料处理模块重整为富氢气体，通入到燃料电池阳极，空气经过空气预热器加热后通入燃料电池阴极。燃料电池中发生电化学反应，产生的直流电经过电力转换模块，即电源转换器转换为交流电，以供用户使用。燃料电池阳极和阴极的尾气进入到尾部燃烧器中进行完全燃烧，产生的热量一部分供给燃料重整器和空气预热器，其余通过热交换器转换为用户所需的热量，用于供热水或供暖。除此之外，一般还需相关辅助控制模块，包含系统控制、气体回流系统、阀门、泵、气体净化装置等，用于调控和监测整个系统；同时，许多系统还会配备相应储能模块或蓄电池，用于启动和储存多余能量，保障系统的安全稳定运行。

图2 燃料电池微型热电联供系统示意图 Fig. 2 Schematic of micro-combined heat and power system using fuel cell

九娘年轻貌美，又多才多艺，自然不乏求爱之人，其中有个绰号“百里香”的最为殷切。此人本名田桂贤，因在家里排行老五，人称田五哥，乃蕲州东长街“百里香肠铺”掌柜，年过三十仍是单身。百里香白天打点店铺生意，晚上去闹春楼听九娘弹唱，春夏秋冬风雨无阻。久而久之听唱入迷，便拜琵琶仙为师，极尽模仿之事，竟也唱得有板有眼，字正腔圆，常登台与琵琶仙唱和，大受票友喝彩，一时传为佳话。琵琶仙每遇坏人袭扰，田氏莫不倾力相救。

对于燃料电池模块，膜电极是燃料电池的“心脏”，目前在热电联供系统中发展较为成熟的主要是PEMFC和SOFC。PEMFC根据工作温度的不同又可分为低温 PEMFC和高温 PEMFC。低温PEMFC工作在60~120 ℃，需要较为复杂的水管理系统，同时对重整后阳极燃料中CO浓度要求高。CO浓度超过一定值(约10-5)可能导致Pt催化剂失效。为了缓解这一问题，人们通过提高温度和改善电极、电解质材料，将PEMFC工作温度提升至200 ℃，可以容忍5%左右的CO[16]。而对于SOFC，由于不采用贵金属Pt催化剂，且反应温度高，可以采用 CO或其他碳氢燃料。SOFC工作过程中产生的高品位热能可进一步加以利用，同时可与燃气轮机(gas turbine，GT)结合，构成SOFC-GT联合循环[19]，进一步提升发电效率。

燃料电池热电联供系统通常有2种模式：一种是以热定电，整个工况由建筑物所需的热量控制；另一种是以电定热，用户所需的电力更多，主要由电力需求决定产热量。

上述燃料电池的商业化示范充分说明了该技术发展的潜力和可行性，在节能减排方面具有很大优势。燃料电池的体积小、效率高、清洁无污染等特点，使其在分布式能源系统中极具应用前景。一些燃料电池，诸如高温SOFC、MCFC，可以直接采用固体碳作为燃料，应用到分布式能源系统中，有望解决我国在散煤利用过程中出现的效率低、污染重的问题。利用家用天然气，燃料电池可在离网条件下实现电能的持续供应，具有较高的发电效率，同时利用发电过程中产生的热量提供给用户，实现能源的梯级利用。结合可再生能源的分布式供能，还可利用“三弃”电力，通过燃料电池的逆过程将电能加以储存，在电力短缺的时候提供给用户，实现削峰填谷的作用。无论是在传统化石能源领域，还是新兴发展的可再生能源领域，燃料电池都有其独特的优势，同时可作为传统能源向新能源发展的桥梁。

不知道从什么时候开始，我们越来越注重培养孩子的警觉性和辨别能力，似乎世界上只有黑和白两种颜色，却忽略了孩子心灵的纯度和亮度。孩子本是一张洁净的白纸，浸染在什么里面，久而久之，就会具备这种特质。今天，幸亏有孩子宽容的提醒。

2.3 与可再生能源融合的分布式能源系统

当今社会对于环境保护和可持续发展的呼声越来越高，可再生能源正逐步发展为我国的重要能源，到 2030年可再生能源的比重预计超过20%。但在利用过程中，可再生能源存在能量密度低、不稳定、不连续等问题，很多时候难以并网。2016年，我国水电弃电量达到501亿kW⋅h，其中四川、云南分别弃水 164亿 kW⋅h，315亿kW⋅h；风电弃电量共计 497亿 kW⋅h，主要分布在“三北”地区；太阳能发电弃电量为74亿kW⋅h，其中西北五省弃光68.4亿kW⋅h。“三弃”问题的解决任重而道远。由于可再生能源分布广泛且分散的特点，使其更加适用于分布式能源网络中。同时，储能设备对于可再生能源的可靠性和稳定性至关重要[20]。

可逆燃料电池可以在同一装置上实现水甚至CO2的电解(充电)和燃料电池发电(放电)2种功能，起到一种类似储能电池的作用。应对可再生能源多余电力，可逆燃料电池可在电解模式下将电能转化为容易储存的燃料，在电力紧缺时再通过电化学反应产生电能，供用户使用。与普通蓄电池相比，可逆燃料电池不存在由于自放电而产生的能量损失问题，具有能量密度大，放电迅速等优点。同时可以在高压下电解，因而不需要机械压缩便能形成高压储气。值得注意的是，对于高温固体氧化物电解池(solid oxide electrolyzer cell，SOEC)，不仅可以电解水，还可通过电化学转化电解CO2，一方面可以有效转化和储存多余的可再生能源电力，用于制取合成气、烃类燃料以及氧气等，另一方面可以有效推动CO2的捕集与利用，是一条可同时缓解能源危机和环境问题的有效途径[21]。

根据电解质所传导载流子的不同，SOEC可以分为氧离子导体电解池和质子导体电解池。对于质子导体电解池，水蒸气在空气极裂解成氢离子和氧气，氢离子在电解电压作用下穿过电解质传输到燃料极，生成H2。对于氧离子导体电解池，水蒸气在燃料极催化裂解，形成氢气，同时产生氧离子，受到外电压的作用，氧离子穿过电解质在空气极氧化成O2。同样，反应还可以实现CO2电解或 H2O和 CO2共电解，实现 CO2的资源化利用。

通过SOEC可将可再生能源与天然气管网耦合，实现分布式能源系统中电制气储能技术，进而实现能源系统中天然气与电能之间的双向流动[22]。经过燃料电池逆过程，可以将可再生能源无法消纳的电力通过电解转化为化学能，实现储能，同步实现CO2减排。

3 结论与展望

分布式供能系统具有能源效率高、可靠性好、输电损耗小等优点，在可再生能源不断发展的今天具有极大的发展前景。燃料电池技术用于分布式供能，不受卡诺循环的限制，发电效率更高，污染物和温室气体排放低，供电稳定性好，既可以有效利用传统化石能源，解决散煤燃烧污染问题，通过燃料电池热电联供系统进一步提高我国天然气的燃料利用效率，同时可结合可再生能源，实现“三弃”电力的储能和转化，是未来能源发展的有效途径。

从以上证明过程，容易知道：当a,b,c都为2，或者a,b,c中一个为0，另两个为3时，所证不等式取得等号.

参考文献

[1] 《中国能源展望 2030》报告发布[J]．资源节约与环保，2016(4)：6．

[2] 应光伟，范炜．我国发展分布式能源的对策解析[J]．发电与空调，2012，33(4)：5-8．

[3] Daly P A，Morrison J．Understanding the potential benefits of distributed generation on power delivery systems[C]//Rural Electric Power Conference，Arkansas，2001．

[4] El-khattam W，Salama M M A．Distributed generation technologie，definitions and benefits [J]．Electric Power Systems Research，2004，71(2)：119-128．

[5] 刘庆超，刘科，钟天宇，等．城镇化过程中天然气分布式能源发展机遇探讨[J]．发电与空调，2014，35(4)：6-9．

[6] 隋军，金红光．我国分布式供能关键技术研究进展[J]．发电与空调，2012，33(4)：1-4．

[7] Niakolas D K，Daletou M，Neophytides S G，et al．Fuel cells are a commercially viable alternative for the production of “clean” energy [J]．Ambio，2016，45(S1)：32-37．

[8] Choudhury A，Chandra H，Arora A．Application of solid oxide fuel cell technology for power generation—A review[J]．Renewable and Sustainable Energy Reviews，2013(20)：430-442．

[9] Eguchi S．Ene. Farm fuel cell systems for residential use[EB/OL]．[2018-04-03]．http://goo. gl/yWHK5r．[10] And E R N，Prag C B．Learning points from demonstration of 1000 fuel cell based micro-CHP units[EB/OL]．[2018-04-03]．http://enefield.eu/．

[11] 史翊翔，高峰，蔡宁生．能源互联网背景下的煤炭分布式清洁转化利用[J]．煤炭经济研究，2015，35(10)：12-15．

[12] Rady A C，Giddey S，Badwal S P S，et al．Review of fuels for direct carbon fuel cells[J]．Energy & Fuels，2012，26(3)：1471-1488．

[13] Guer T M．Critical review of carbon conversion in“carbon fuel cells”[J]．Chemical Review，2013，113(8)：6179-6206．

[14] Tao T，Mcphee W A，Koslowske M T，et al．Advancement in liquid tin anode—solid oxide fuel cell technology[J]．Ecs Transactions，2008，12(1)：681-690．

[15] 丁小川，周宇昊，王思文．天然气分布式能源经济可行性评估方法研究[J]．发电与空调，2015，36(1)：1-5．

[16] Ellamla H R，Staffell I，Bujlo P，et al．Current status of fuel cell based combined heat and power systems for residential sector[J]．Journal of Power Sources，2015(293)：312-328．

[17] Ren H，Gao W．Economic and environmental evaluation of micro CHP systems with different operating modes for residential buildings in Japan[J]．Energy and Buildings，2010，42(6)：853-861．

[18] Shekhawat D．Fuel cells：technologies for fuel processing[M]．USA：U.S. Argonne National Laboratory，2011．

[19] 安连锁，张健，刘树华，等．固体氧化物燃料电池与燃气轮机混合发电系统[J]．可再生能源，2008，26(1)：62-64．

[20] 李允超，宋华伟，马洪涛，等．储能技术发展现状研究[J]．发电与空调，2017，38(4)：56-61．

[21] Jensen S H，Graves C，Mogensen M，et al．Large-scale Electricity storage utilizing reversible solid oxide cells combined with underground storage of CO2 and CH4[J]．Energy & Environmental Science，2015，8(8)：2471-2479．

[22] Luo Y，Shi Y，Zheng Y，et al．Reversible solid oxide fuel cell for natural gas/renewable hybrid power generation systems[J]．Journal of Power Sources，2017(340)：60-70．