燃料電池分布式供能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

曾洪瑜，史翊翔，蔡寧生

（熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系)，北京市 海淀區(qū) 100084）

0 引言

伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)于能源的需求不僅局限于數(shù)量方面，更存在于質(zhì)量方面，要求具有更高的效率、更低的成本和更少的污染?！吨袊?guó)能源展望2030》報(bào)告指出，我國(guó)煤炭消費(fèi)比重將有較大幅度下降，2020年、2030年煤炭占比分別為60%和49%，與此同時(shí)非化石能源快速發(fā)展，到2020年、2030年的占比將達(dá)到15%和22%[1]。近2年我國(guó)能源結(jié)構(gòu)已開(kāi)始轉(zhuǎn)型，可再生能源迅速增長(zhǎng)，能源供應(yīng)由集中化開(kāi)始向分布式轉(zhuǎn)變[2]。

1978年，美國(guó)在公共事業(yè)管理政策法中提出分布式供能的概念并予以公布，至今已被國(guó)際社會(huì)廣泛認(rèn)同[3]。相比于傳統(tǒng)的集中式供能方式，分布式供能提倡將發(fā)電系統(tǒng)以小規(guī)模(kW至MW量級(jí))、分散式的方式布置在用戶附近，可獨(dú)立輸出熱、電、冷等能量[4-5]。這在一定程度上可以提高能源利用效率，減少燃料的浪費(fèi)，減少輸配電的損失，經(jīng)濟(jì)上可以降低土建和安裝成本、減少用戶能源成本，環(huán)境上可以減少二氧化碳和其他污染物的排放[6]。

常見(jiàn)的分布式能源發(fā)電裝置既包括以煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)化石能源為基礎(chǔ)的發(fā)電裝置；又可以涵蓋生物質(zhì)、太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源，促進(jìn)能源發(fā)展朝向可再生和可持續(xù)的方向行進(jìn)。

1 燃料電池用于分布式供能

燃料電池作為一種典型的發(fā)電裝置，可以通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)連續(xù)地將燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，相比傳統(tǒng)的燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)有以下優(yōu)勢(shì)：1）不受卡諾循環(huán)的限制，發(fā)電效率更高；2）沒(méi)有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件，機(jī)械損失小，噪音低；3）燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的典型污染物，如 SOx，NOx以及顆粒物的排放基本為零，CO2等溫室氣體的排放低；4）燃料電池發(fā)電系統(tǒng)對(duì)負(fù)載變動(dòng)的響應(yīng)速度快，并且變負(fù)荷過(guò)程中發(fā)電效率波動(dòng)不大，供電穩(wěn)定性好；5）體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)便利，更加適用于小型的分布式供能系統(tǒng)。

根據(jù)電解質(zhì)類型的不同，燃料電池通常可分為堿性燃料電池(alkaline fuel cell，AFC)、磷酸燃料電池(phosphoric acid fuel cell，PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(molten-carbonate fuel cell，MCFC)、固體氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell，SOFC)及質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)[7]。其中，PEMFC主要由聚合物材料構(gòu)成，一般工作在60~100 ℃，采用純氫作為燃料，功率密度高，具有良好的啟停能力，是目前發(fā)展最為廣泛，技術(shù)比較成熟的一類燃料電池。SOFC主要由陶瓷材料構(gòu)成，一般工作在 600~1 000 ℃，無(wú)需貴金屬催化劑，燃料適應(yīng)性廣，可以采用多種碳?xì)淙剂希诎l(fā)電的同時(shí)產(chǎn)生大量高品位的熱能，在小型熱電聯(lián)供系統(tǒng)中極具應(yīng)用前景[8]。

日本京瓷公司從 2004年起開(kāi)始開(kāi)發(fā)基于燃料電池的家用微型熱電聯(lián)供系統(tǒng)，于2011年推出首個(gè)商業(yè)化系統(tǒng)ENE-FARM type S，到2016年累計(jì)安裝量已達(dá)到257 000臺(tái)[9]。2014年日本首相安倍晉三在“振興日本戰(zhàn)略”內(nèi)閣決策中提出：到2030年日本將會(huì)有530萬(wàn)部家用燃料電池投入使用，約占日本家庭總數(shù)的 10%。對(duì)于 ENEFARM 系列中愛(ài)信精機(jī)制造的典型的 700 W SOFC家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其發(fā)電效率可達(dá)到46.5%，熱電總效率可達(dá)90.0%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的集中式供電供熱系統(tǒng)。

美國(guó) Bloom Energy公司自 2008年 7月向Google出售第一臺(tái)100 kW的SOFC系統(tǒng)“Energy ServerTM”，主要產(chǎn)品有ES5、ES-5700、ES-5710等，目前的顧客涵蓋Walmart、可口可樂(lè)、AT&T、Ebay、Adobe、FedEX、亞馬遜、蘋(píng)果等大型公司。同時(shí)他們準(zhǔn)備將燃料電池技術(shù)引進(jìn)數(shù)據(jù)中心，預(yù)計(jì)在2019年完成為12個(gè)美國(guó)數(shù)據(jù)中心提供電力的目標(biāo)。

歐洲ene.field工程自2012年啟動(dòng)以來(lái)，聯(lián)合27家單位，到2017年，在12個(gè)歐盟成員國(guó)累計(jì)安裝 1 046臺(tái)家用微型燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)[10]。該項(xiàng)目工程主要基于 SOFC和 PEMFC，開(kāi)發(fā)了數(shù)十款適用于歐洲普通家庭的微型熱電聯(lián)供系統(tǒng)。其中以SOFC為基礎(chǔ)的共計(jì)603臺(tái)，以PEMFC為基礎(chǔ)的共計(jì) 443臺(tái)，相關(guān)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1[10]，部分裝置可實(shí)現(xiàn)高達(dá)60%的發(fā)電效率和95%的系統(tǒng)總效率。

表1 歐洲ene.field工程產(chǎn)品參數(shù)Tab. 1 Operating parameters for ene.field project in Europe

上述燃料電池的商業(yè)化示范充分說(shuō)明了該技術(shù)發(fā)展的潛力和可行性，在節(jié)能減排方面具有很大優(yōu)勢(shì)。燃料電池的體積小、效率高、清潔無(wú)污染等特點(diǎn)，使其在分布式能源系統(tǒng)中極具應(yīng)用前景。一些燃料電池，諸如高溫SOFC、MCFC，可以直接采用固體碳作為燃料，應(yīng)用到分布式能源系統(tǒng)中，有望解決我國(guó)在散煤利用過(guò)程中出現(xiàn)的效率低、污染重的問(wèn)題。利用家用天然氣，燃料電池可在離網(wǎng)條件下實(shí)現(xiàn)電能的持續(xù)供應(yīng)，具有較高的發(fā)電效率，同時(shí)利用發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的熱量提供給用戶，實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用。結(jié)合可再生能源的分布式供能，還可利用“三棄”電力，通過(guò)燃料電池的逆過(guò)程將電能加以儲(chǔ)存，在電力短缺的時(shí)候提供給用戶，實(shí)現(xiàn)削峰填谷的作用。無(wú)論是在傳統(tǒng)化石能源領(lǐng)域，還是新興發(fā)展的可再生能源領(lǐng)域，燃料電池都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可作為傳統(tǒng)能源向新能源發(fā)展的橋梁。

2 燃料電池在分布式供能中的應(yīng)用

2.1 直接碳燃料電池的分布式供能

我國(guó)作為一個(gè)煤炭大國(guó)，超過(guò)一半的能源供應(yīng)來(lái)自于煤炭，因此煤炭的清潔高效利用對(duì)于滿足我國(guó)能源需求和減緩環(huán)境污染問(wèn)題具有重要意義。目前，我國(guó)煤炭集中利用的比例仍然較低，電力行業(yè)耗煤量?jī)H為煤炭總消費(fèi)量的50%左右，遠(yuǎn)低于美國(guó)93%、英國(guó)80%、德國(guó)80%、日本90%的水平[11]。散煤的利用帶來(lái)了更加嚴(yán)重的污染，同時(shí)更接近人群，給人民生活水平和健康帶來(lái)了嚴(yán)重的影響。結(jié)合我國(guó)的實(shí)際國(guó)情，一方面需要提高我國(guó)煤炭集中利用的占比，與此同時(shí)，清潔高效地利用散煤和部分劣質(zhì)煤，對(duì)于緩解能源形勢(shì)，解決環(huán)境污染問(wèn)題也至關(guān)重要。

直接碳燃料電池(direct carbon fuel cell，DCFC)以固體碳為燃料，可以將碳燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，被國(guó)際能源署列為21世紀(jì)最具前景的4種先進(jìn)煤炭利用技術(shù)之一[12]。在直接碳燃料電池中，碳與氧氣的反應(yīng)(C+O2=CO2)熵變僅為2.5 J/(K?mol)，其理論效率接近100%，同時(shí)，由于反應(yīng)物C與產(chǎn)物CO2分別以固、氣兩相存在，其燃料利用率可達(dá) 100%[13]。相比普通燃煤發(fā)電系統(tǒng)，直接碳燃料電池在散煤利用方面更占優(yōu)勢(shì)，氮氧化物、硫氧化物、顆粒物的排放很低。同時(shí)，其燃料適應(yīng)性強(qiáng)，不僅可使用碳黑作為燃料，還可采用煤炭、生物質(zhì)、生活垃圾等進(jìn)行發(fā)電。陽(yáng)極出口為高濃度的CO2，有利于CO2的富集與減排，無(wú)需一般CO2捕集過(guò)程中所需的能耗。

直接碳燃料電池按電解質(zhì)的不同可分為熔融碳酸鹽電解質(zhì)DCFC、熔融氫氧化物電解質(zhì)DCFC和固體氧化物電解質(zhì) DCFC。其中，熔融碳酸鹽電解質(zhì)DCFC中，CO2不會(huì)對(duì)電池造成污染，且CO2與 CO32-轉(zhuǎn)化較為容易，具有良好的熱穩(wěn)定性和相對(duì)較高的離子電導(dǎo)率，在目前研究中相對(duì)成熟。但是由于熔融碳酸鹽在高溫下的腐蝕性較強(qiáng)，其高溫密封要求高。熔融氫氧化物電解質(zhì)DCFC具有更高的電流密度和反應(yīng)活性，反應(yīng)溫度更低，但是在反應(yīng)過(guò)程中氫氧化物會(huì)與CO2反應(yīng)生成碳酸鹽，導(dǎo)致電解質(zhì)的失效。固體氧化物電解質(zhì)不存在液體電解質(zhì)所面臨的腐蝕、泄漏和污染問(wèn)題，對(duì)碳燃料的要求相對(duì)較低，有望實(shí)現(xiàn)電池規(guī)模的擴(kuò)大。

美國(guó)通用電氣公司、CellTech Power公司[14]等提出以液態(tài)金屬作為固體氧化物電解質(zhì) DCFC的陽(yáng)極，工作原理如圖1所示。陰極電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的 O2-通過(guò)固體氧化物電解質(zhì)傳導(dǎo)到陽(yáng)極側(cè)，在三相界面處與金屬M(fèi)發(fā)生氧化反應(yīng)，生成金屬氧化物，然后通過(guò)反應(yīng)將金屬氧化物還原為金屬。

圖1 液態(tài)金屬陽(yáng)極SO-DCFC原理示意圖Fig. 1 Schematic diagram for liquid metal anode SO-DCFC

液態(tài)金屬燃料電池采用液態(tài)金屬作為陽(yáng)極，將傳統(tǒng)的固-固接觸改變?yōu)橐?固接觸，有利于物質(zhì)的輸運(yùn)，在增大碳燃料反應(yīng)界面的同時(shí)避免了雜質(zhì)對(duì)于孔隙結(jié)構(gòu)的堵塞問(wèn)題。液態(tài)金屬所提供的溫度場(chǎng)更加均勻，避免了陽(yáng)極內(nèi)部局部超溫的出現(xiàn)。同時(shí)，金屬作為電子導(dǎo)體，可直接用于集流，降低了陽(yáng)極集流難度。液態(tài)金屬密度較大，工作過(guò)程中形成的灰渣等漂浮于液態(tài)金屬表面，除渣便利。另外，液態(tài)金屬可同時(shí)作為一種儲(chǔ)能介質(zhì)，在無(wú)燃料情形下可以仍然保持短期運(yùn)行，在固體燃料輸送中斷或啟停條件下起緩沖作用，保證電池的穩(wěn)定性，此種運(yùn)行模式稱為“電池模式”[14]。

因此，利用直接碳燃料電池技術(shù)，既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)散煤、生物質(zhì)、甚至固體垃圾的分布式利用，同時(shí)有望在提升燃料利用效率、緩解環(huán)境污染、降低溫室氣體排放等方面有所突破。

2.2 基于天然氣的燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)

從2009年起，我國(guó)天然氣消費(fèi)量開(kāi)始快速增加，天然氣的消費(fèi)進(jìn)入新階段。2016年，我國(guó)天然氣消費(fèi)量增加7.7%，對(duì)外依存度達(dá)到34.2%。由于我國(guó)天然氣資源匱乏，而消費(fèi)量卻在日益增加，因此如何高效地利用天然氣，對(duì)于緩解我國(guó)天然氣短缺的壓力，具有重要意義?；谔烊粴夤?yīng)網(wǎng)絡(luò)，燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)更加適合與當(dāng)前快速發(fā)展的智能電網(wǎng)相結(jié)合，可用于補(bǔ)償可再生能源電力波動(dòng)中存在的問(wèn)題[15]。

在傳統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)中，考慮到?jīng)]有利用的排氣廢熱和傳輸損失，實(shí)際發(fā)電效率一般在30%~45%。然而在實(shí)際應(yīng)用中，用戶終端大約有64%左右的電能用于供熱或供冷[16]?；谌剂想姵氐奈⑿蜔犭娐?lián)供(micro-combined heat and power，m-CHP)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，具有較高的熱、電效率，系統(tǒng)效率可達(dá)到85%~90%，同時(shí)具有污染物和溫室氣體排放少，噪音低等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)環(huán)境友好，CO2排放僅為傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的30%~50%，同時(shí)可以降低環(huán)境電力高峰負(fù)荷，提高供電的安全性[17]。

一個(gè)典型的燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)主要包括燃料處理模塊、燃料電池模塊、熱管理模塊和電力轉(zhuǎn)換模塊。圖2為系統(tǒng)簡(jiǎn)單示意圖，天然氣通過(guò)燃料處理模塊重整為富氫氣體，通入到燃料電池陽(yáng)極，空氣經(jīng)過(guò)空氣預(yù)熱器加熱后通入燃料電池陰極。燃料電池中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的直流電經(jīng)過(guò)電力轉(zhuǎn)換模塊，即電源轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為交流電，以供用戶使用。燃料電池陽(yáng)極和陰極的尾氣進(jìn)入到尾部燃燒器中進(jìn)行完全燃燒，產(chǎn)生的熱量一部分供給燃料重整器和空氣預(yù)熱器，其余通過(guò)熱交換器轉(zhuǎn)換為用戶所需的熱量，用于供熱水或供暖。除此之外，一般還需相關(guān)輔助控制模塊，包含系統(tǒng)控制、氣體回流系統(tǒng)、閥門(mén)、泵、氣體凈化裝置等，用于調(diào)控和監(jiān)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)；同時(shí)，許多系統(tǒng)還會(huì)配備相應(yīng)儲(chǔ)能模塊或蓄電池，用于啟動(dòng)和儲(chǔ)存多余能量，保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 燃料電池微型熱電聯(lián)供系統(tǒng)示意圖Fig. 2 Schematic of micro-combined heat and power system using fuel cell

燃料重整器是燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)中的一個(gè)重要部件，天然氣經(jīng)過(guò)燃料重整器轉(zhuǎn)變?yōu)楹铣蓺饣蚋粴錃怏w，以供燃料電池陽(yáng)極作為燃料。對(duì)于高溫 SOFC，盡管可以通過(guò)直接內(nèi)重整實(shí)現(xiàn)甲烷的轉(zhuǎn)化，不需要外部重整器，但容易出現(xiàn)陽(yáng)極積碳、性能衰減等問(wèn)題。目前常用的天然氣重整方式有水蒸氣重整法、部分氧化法和自熱重整法[18]。蒸汽重整是目前應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)，具有出口氫氣濃度高、成本低、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，但由于蒸汽重整反應(yīng) CH4+H2O?CO+3H2是一個(gè)強(qiáng)吸熱反應(yīng)(反應(yīng)熱為206 kJ/mol)，需要額外的熱管理和水供應(yīng)裝置，啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，一般用于長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。部分氧化重整是指天然氣與氧氣發(fā)生部分氧化反應(yīng) CH4+O2?CO+2H2，產(chǎn)生H2和CO。該反應(yīng)是一個(gè)微放熱反應(yīng)，反應(yīng)速率快，響應(yīng)迅速，裝置體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，成本低廉，但產(chǎn)物中H2的含量較水蒸氣重整要低。自熱重整通常結(jié)合部分氧化重整與蒸汽重整的優(yōu)勢(shì)，利用部分氧化反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的熱量為蒸汽重整反應(yīng)提供部分熱量，降低反應(yīng)所需額外熱量。

對(duì)于燃料電池模塊，膜電極是燃料電池的“心臟”，目前在熱電聯(lián)供系統(tǒng)中發(fā)展較為成熟的主要是PEMFC和SOFC。PEMFC根據(jù)工作溫度的不同又可分為低溫 PEMFC和高溫 PEMFC。低溫PEMFC工作在60~120 ℃，需要較為復(fù)雜的水管理系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)重整后陽(yáng)極燃料中CO濃度要求高。CO濃度超過(guò)一定值(約10-5)可能導(dǎo)致Pt催化劑失效。為了緩解這一問(wèn)題，人們通過(guò)提高溫度和改善電極、電解質(zhì)材料，將PEMFC工作溫度提升至200 ℃，可以容忍5%左右的CO[16]。而對(duì)于SOFC，由于不采用貴金屬Pt催化劑，且反應(yīng)溫度高，可以采用 CO或其他碳?xì)淙剂?。SOFC工作過(guò)程中產(chǎn)生的高品位熱能可進(jìn)一步加以利用，同時(shí)可與燃?xì)廨啓C(jī)(gas turbine，GT)結(jié)合，構(gòu)成SOFC-GT聯(lián)合循環(huán)[19]，進(jìn)一步提升發(fā)電效率。

燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)通常有2種模式：一種是以熱定電，整個(gè)工況由建筑物所需的熱量控制；另一種是以電定熱，用戶所需的電力更多，主要由電力需求決定產(chǎn)熱量。

總的來(lái)說(shuō)，基于天然氣的燃料電池?zé)犭娐?lián)供，既可以充分實(shí)現(xiàn)小型化和緊湊化，滿足單個(gè)家庭的用熱用電需求(<10 kW)，又可以在一定程度上擴(kuò)大規(guī)模，使用在商業(yè)區(qū)或小型工業(yè)區(qū)，滿足更高負(fù)荷的熱電需求(200 kW~2.8 MW)[16]。采用燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)，既可以提升天然氣的使用效率，降低污染物的排放，實(shí)現(xiàn)CO2減排，同時(shí)在保障用戶用電安全性和降低用熱、用電成本方面也獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。

2.3 與可再生能源融合的分布式能源系統(tǒng)

當(dāng)今社會(huì)對(duì)于環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的呼聲越來(lái)越高，可再生能源正逐步發(fā)展為我國(guó)的重要能源，到 2030年可再生能源的比重預(yù)計(jì)超過(guò)20%。但在利用過(guò)程中，可再生能源存在能量密度低、不穩(wěn)定、不連續(xù)等問(wèn)題，很多時(shí)候難以并網(wǎng)。2016年，我國(guó)水電棄電量達(dá)到501億kW?h，其中四川、云南分別棄水 164億 kW?h，315億kW?h；風(fēng)電棄電量共計(jì) 497億 kW?h，主要分布在“三北”地區(qū)；太陽(yáng)能發(fā)電棄電量為74億kW?h，其中西北五省棄光68.4億kW?h?！叭龡墶眴?wèn)題的解決任重而道遠(yuǎn)。由于可再生能源分布廣泛且分散的特點(diǎn)，使其更加適用于分布式能源網(wǎng)絡(luò)中。同時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備對(duì)于可再生能源的可靠性和穩(wěn)定性至關(guān)重要[20]。

可逆燃料電池可以在同一裝置上實(shí)現(xiàn)水甚至CO2的電解(充電)和燃料電池發(fā)電(放電)2種功能，起到一種類似儲(chǔ)能電池的作用。應(yīng)對(duì)可再生能源多余電力，可逆燃料電池可在電解模式下將電能轉(zhuǎn)化為容易儲(chǔ)存的燃料，在電力緊缺時(shí)再通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，供用戶使用。與普通蓄電池相比，可逆燃料電池不存在由于自放電而產(chǎn)生的能量損失問(wèn)題，具有能量密度大，放電迅速等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)可以在高壓下電解，因而不需要機(jī)械壓縮便能形成高壓儲(chǔ)氣。值得注意的是，對(duì)于高溫固體氧化物電解池(solid oxide electrolyzer cell，SOEC)，不僅可以電解水，還可通過(guò)電化學(xué)轉(zhuǎn)化電解CO2，一方面可以有效轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存多余的可再生能源電力，用于制取合成氣、烴類燃料以及氧氣等，另一方面可以有效推動(dòng)CO2的捕集與利用，是一條可同時(shí)緩解能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題的有效途徑[21]。

根據(jù)電解質(zhì)所傳導(dǎo)載流子的不同，SOEC可以分為氧離子導(dǎo)體電解池和質(zhì)子導(dǎo)體電解池。對(duì)于質(zhì)子導(dǎo)體電解池，水蒸氣在空氣極裂解成氫離子和氧氣，氫離子在電解電壓作用下穿過(guò)電解質(zhì)傳輸?shù)饺剂蠘O，生成H2。對(duì)于氧離子導(dǎo)體電解池，水蒸氣在燃料極催化裂解，形成氫氣，同時(shí)產(chǎn)生氧離子，受到外電壓的作用，氧離子穿過(guò)電解質(zhì)在空氣極氧化成O2。同樣，反應(yīng)還可以實(shí)現(xiàn)CO2電解或 H2O和 CO2共電解，實(shí)現(xiàn) CO2的資源化利用。

通過(guò)SOEC可將可再生能源與天然氣管網(wǎng)耦合，實(shí)現(xiàn)分布式能源系統(tǒng)中電制氣儲(chǔ)能技術(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)中天然氣與電能之間的雙向流動(dòng)[22]。經(jīng)過(guò)燃料電池逆過(guò)程，可以將可再生能源無(wú)法消納的電力通過(guò)電解轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能，同步實(shí)現(xiàn)CO2減排。

3 結(jié)論與展望

分布式供能系統(tǒng)具有能源效率高、可靠性好、輸電損耗小等優(yōu)點(diǎn)，在可再生能源不斷發(fā)展的今天具有極大的發(fā)展前景。燃料電池技術(shù)用于分布式供能，不受卡諾循環(huán)的限制，發(fā)電效率更高，污染物和溫室氣體排放低，供電穩(wěn)定性好，既可以有效利用傳統(tǒng)化石能源，解決散煤燃燒污染問(wèn)題，通過(guò)燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)進(jìn)一步提高我國(guó)天然氣的燃料利用效率，同時(shí)可結(jié)合可再生能源，實(shí)現(xiàn)“三棄”電力的儲(chǔ)能和轉(zhuǎn)化，是未來(lái)能源發(fā)展的有效途徑。

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