家用氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展

于蓬，孟慶濤*，王健，薛彬

(1.山東明宇新能源技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 271100；2.山東交通學(xué)院 汽車工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250357； 3.山東順宇新能源汽車有限公司，山東 濟(jì)南 271100)

0 前言

燃料電池是把燃料的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置[1]，具有能效高、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，成功應(yīng)用于家用微型熱電聯(lián)供(micro combined heat and power，Micro CHP)[2]中。氫能或以氫能為主的質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)和固體氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell，SOFC)已成功實(shí)現(xiàn)商用，本文介紹家用氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供(fuel cell micro combined heat and porer，F(xiàn)C mCHP)系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。

1 現(xiàn)狀

1.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

目前FC mCHP系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模仍處于低水平，但其技術(shù)性能已超過能效較高的傳統(tǒng)供熱鍋爐。從國外發(fā)展現(xiàn)狀看，日本借助能源農(nóng)場Ene-farm計(jì)劃[3]，使FC mCHP系統(tǒng)真正從技術(shù)研發(fā)走向商業(yè)化，并制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，形成一套完善的FC mCHP系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈。歐洲借助域外技術(shù)實(shí)施的Ene-field示范項(xiàng)目，開發(fā)數(shù)十款適用于歐洲普通家庭的微型熱電聯(lián)供系統(tǒng)，并成功應(yīng)用在歐盟12個(gè)成員國中的千余戶家庭[4]。微型熱電聯(lián)供系統(tǒng)的研發(fā)應(yīng)用，整合了歐洲9家技術(shù)雄厚的相關(guān)設(shè)備制造公司，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，對微型熱電聯(lián)供設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)研究[5]。

我國FC mCHP系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)，僅建立數(shù)個(gè)kW級示范項(xiàng)目，產(chǎn)品整體性能較國外同類產(chǎn)品有較大差距。FC mCHP系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用，以中小企業(yè)為主，如晉城市阿邦迪能源有限公司、江蘇中靖新能源科技有限公司、上海神力科技有限公司等，呈現(xiàn)出產(chǎn)品少、產(chǎn)量低等特點(diǎn)，導(dǎo)致技術(shù)開發(fā)和市場培育進(jìn)展緩慢。2018年初，中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟[6]在北京成立，該聯(lián)盟的主要工作為推動(dòng)氫能和燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展，整合產(chǎn)、學(xué)、研各方面的技術(shù)資源，以及氫能利用技術(shù)、安全技術(shù)、氫能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等方面的研發(fā)，對FC mCHP系統(tǒng)的研發(fā)和推廣起到了一定的促進(jìn)作用。

1.2 技術(shù)現(xiàn)狀

FC mCHP系統(tǒng)如圖1所示，燃料電池多選用PEMFC和SOFC 2種，原理上可視為水電解逆過程，陽極為電源負(fù)極，陰極為電源正極。PEMFC的核心部件為涂有貴重金屬Pt催化劑的交換膜，H2在膜一側(cè)失去電子，產(chǎn)生的質(zhì)子移動(dòng)到膜另一側(cè)與O2反應(yīng)，電子在閉合的外電路中形成電流；SOFC陽、陰極的催化劑不同，燃料在陽極發(fā)生氧化，氧化劑在陰極發(fā)生還原。從世界各國整體技術(shù)發(fā)展趨勢看，加拿大、韓國等側(cè)重于MW級燃料固定電站的開發(fā)應(yīng)用，日本、歐洲、中國側(cè)重家庭用kW級(≤10 kW)微型熱電聯(lián)供的應(yīng)用，美國的研究重點(diǎn)是熱電聯(lián)供在軍事方面的應(yīng)用。

a)PEMFC b)SOFC圖1 燃料電池反應(yīng)原理

1.2.1 SOFC型

采用SOFC的FC mCHP系統(tǒng)(SOFC-CHP)，以美國、英國、日本、瑞士為典型代表，已掌握從各關(guān)鍵子系統(tǒng)(SOFC單電池開發(fā)、電堆組裝、燃?xì)庵卣茪湎到y(tǒng))制造到整機(jī)系統(tǒng)集成的整套生產(chǎn)工藝，且已有產(chǎn)品上市。部分國家家用SOFC燃料電池系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)如表1所示，因不采用貴重金屬Pt作為催化劑，極具成本優(yōu)勢，但SOFC工作溫度高達(dá)500～1000 ℃[7]，啟動(dòng)時(shí)間長，各國均采用24 h不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)的運(yùn)行模式，以保證長時(shí)間工作的能耗最小。英國Ceres Power公司制造的SOFC-CHP熱啟動(dòng)時(shí)間僅需13 min，雖實(shí)現(xiàn)了自學(xué)習(xí)運(yùn)轉(zhuǎn)，但頻繁啟動(dòng)造成的高能耗不可避免。另外高溫材料耐久性要求高，國際上普遍需要降低SOFC的工作溫度，已取得一定研究成果。

表1 部分國家家用SOFC燃料電池系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

國內(nèi)SOFC-CHP系統(tǒng)是以高校和科研機(jī)構(gòu)為研究與開發(fā)主體，雖攻克了各子系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，但整機(jī)系統(tǒng)集成技術(shù)有待進(jìn)一步發(fā)展。國內(nèi)SOFC-CHP系統(tǒng)仍處于概念驗(yàn)證開發(fā)階段，上海硅酸鹽所于2016年成功研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的SOFC-CHP系統(tǒng)(5 kW)，對產(chǎn)業(yè)的融資以及后期的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有積極意義。

1.2.2 PEMFC型

采用PEMFC的FC mCHP(PEMFC-CHP)系統(tǒng)，按工作溫度分為低溫型和高溫型2種，低溫型Pt催化劑抗CO毒害能力弱，高溫型使Pt催化劑活性增強(qiáng)，但在電池內(nèi)會(huì)造成高溫低濕問題，使交換膜導(dǎo)電率低，致使系統(tǒng)整體能效降低。低溫型的PEMFC-CHP工作溫度為60～120 ℃，水管理系統(tǒng)較高溫型復(fù)雜，環(huán)境適應(yīng)能力弱，要求利用重整設(shè)備制取的氫氣所含CO的體積分?jǐn)?shù)不超過0.4×10-6[8]，否則會(huì)降低Pt催化劑的活性。高溫型的PEMFC-CHP工作溫度為200 ℃，CO的體積分?jǐn)?shù)約為5%[9]。PEMFC-CHP系統(tǒng)國際市場成功范例主要集中在日本，產(chǎn)品已完成若干改進(jìn)，產(chǎn)品效能高、占地空間小。2006年山東東岳神舟新材料公司已攻克電池內(nèi)高溫低濕造成的交換膜導(dǎo)電率低的問題。2010年我國上海神力科技公司研制成功的首臺純氫供能PEMFC-CHP系統(tǒng)(3 kW)已在上海世博會(huì)展出。表2列舉的部分國內(nèi)外PEMFC-CHP系統(tǒng)的產(chǎn)品均處于市場開拓階段。

表2 部分國內(nèi)外PEMFC-CHP系統(tǒng)的產(chǎn)品性能

我國科研院校及高新技術(shù)企業(yè)2010年開始專注PEMFC-CHP整機(jī)研發(fā)，F(xiàn)C mCHP系統(tǒng)的整機(jī)專利數(shù)量較以前出現(xiàn)大幅度增長。表3簡要列舉國內(nèi)部分FC mCHP系統(tǒng)整機(jī)專利信息。

表3 國內(nèi)FC mCHP整機(jī)研發(fā)專利

表3(續(xù))

由表3可以看出：自2010年以來我國整機(jī)集成技術(shù)的進(jìn)步，但PEMFC-CHP所需的膜電極組件(MEA)與雙極板2大關(guān)鍵部件所需的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料仍依賴進(jìn)口，我國雖然早已掌握了該基礎(chǔ)材料的生產(chǎn)工藝，但批量生產(chǎn)該材料所需的關(guān)鍵設(shè)備(高溫爐)的制造技術(shù)尚未突破，加之參與試制的企業(yè)較少，使基礎(chǔ)研究和應(yīng)用產(chǎn)生斷裂，因此一旦國外對我國禁售這種材料，我國的燃料電池產(chǎn)業(yè)將深受打擊。

2 FC mCHP 系統(tǒng)及各核心子系統(tǒng)

2.1 FC mCHP 系統(tǒng)

PEMFC-CHP和SOFC-CHP系統(tǒng)稍有區(qū)別，系統(tǒng)流程如圖2所示，兩系統(tǒng)分別由燃?xì)庵卣K、燃料電池模塊(PEMFC、SOFC)、熱能管理模塊和電力轉(zhuǎn)換模塊組成。若以純氫氣為燃料，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，可省略燃?xì)庵卣K，但現(xiàn)階段天然氣較純氫易獲取，可直接接入城市燃?xì)夤艿溃阌谑袌鲋踩肱c推廣[10-11]。天燃?xì)庵卣迫〉臍錃庵械腃O體積分?jǐn)?shù)要求嚴(yán)格，再加上燃燒尾氣排熱多，需配置復(fù)雜的水熱管理系統(tǒng)，系統(tǒng)控制和后期維護(hù)復(fù)雜[12]。若以天然氣為燃料，則高反應(yīng)溫度對系統(tǒng)的可靠性和防爆安全性要求更高。

a)PEMFC-CHP系統(tǒng) b)SOFC-CHP系統(tǒng)圖2 PEMFC-CHP與SOFC-CHP系統(tǒng)流程圖

2.2 核心子系統(tǒng)

2.2.1 制氫子系統(tǒng)

FC mCHP系統(tǒng)涉足電力、供熱和燃料(制氫)3大領(lǐng)域，導(dǎo)致系統(tǒng)控制對象的復(fù)雜性和控制內(nèi)容的多樣性，而微型制氫裝置的研發(fā)與應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)安全性和可操作性的前提。制氫技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用分為化石燃料制氫、化工副產(chǎn)物提取氫、生物甲醇甲烷制氫、利用自然能(太陽能、風(fēng)能)進(jìn)行水的電解制氫[13]4種技術(shù)路線。

1)煤炭等固體燃料制氫過程比天然氣、甲醇制氫復(fù)雜，成本高。2)生物制氫、生物質(zhì)制氫和富氫氣體制氫等方法制取的氫氣雜質(zhì)含量高、純度較低，不能達(dá)到FC mCHP系統(tǒng)要求的氫氣純度，需添置設(shè)備提純，成本增加。3)水電解制氫耗電成本高，適用于國內(nèi)棄風(fēng)棄電地區(qū)。

現(xiàn)階段適應(yīng)于城市燃?xì)庠O(shè)施的解決方案是天然氣制氫，較成熟的重整方法包括水蒸氣重整法、部分氧化法和自熱重整法[14]。我國制氫技術(shù)相關(guān)專利研發(fā)近況如圖3所示。

圖3中專利活動(dòng)年限是指某研發(fā)機(jī)構(gòu)在某一個(gè)專利的有效期內(nèi)的繳費(fèi)年限。某機(jī)構(gòu)專利活動(dòng)年限的總和除以專利總個(gè)數(shù)，即為平均專利年限。

由圖3可知：國內(nèi)研發(fā)機(jī)構(gòu)的普遍專利活動(dòng)年限都不超過10 a，表明國內(nèi)制氫技術(shù)起步較晚[15]，屬于技術(shù)開發(fā)的前期階段。

成功上市的PEMFC-CHP系統(tǒng)多采用蒸汽重整法(CH4+H2O=CO+3H2)制取氫氣，進(jìn)氣采用較高的水炭比(3～5)、反應(yīng)壓力為0.2～0.3 MPa、工作溫度為80 ℃[16]。采用外部重整方式制取氫氣時(shí)，可避免陽極內(nèi)部產(chǎn)生積炭，使氫的制取濃度高、成本低、產(chǎn)出效率高。但重整反應(yīng)過程中強(qiáng)吸熱[17]，需配置熱管理和水供應(yīng)裝置，因此啟動(dòng)時(shí)間較長，適用于長時(shí)間穩(wěn)定工作。部分氧化反應(yīng)選用金屬Ni基催化劑[18]，含炭生成物會(huì)覆蓋在催化劑表面或是聚集在孔道里，使催化劑失去活性。氧化反應(yīng)過程伴隨微放熱，反應(yīng)快，相應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)緊湊，體積小、成本相對低廉，但產(chǎn)物中H2的比例較水蒸氣小。采用內(nèi)部重整方式制氫時(shí)，反應(yīng)器中耦合了放熱的燃燒反應(yīng)和強(qiáng)吸熱的水蒸汽重整反應(yīng)，反應(yīng)體系本身可實(shí)現(xiàn)自供熱，也可有效降低積炭，并減弱反應(yīng)的高熱問題[19]。對于PEMFC，通過升溫提高Pt催化劑活性，使其抗CO能力增強(qiáng)。

由于SOFC-CHP系統(tǒng)不采用貴重金屬Pt催化劑，且反應(yīng)溫度高，可以采用CO或其他碳?xì)渥鋈剂?，SOFC工作過程中產(chǎn)生的熱能可進(jìn)一步利用，提高發(fā)電效率。

2.2.2 用氫子系統(tǒng)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，家庭用于日常供熱或制冷的電能約占耗電總量的64%[20](其中有5%～10%以機(jī)械能的形式消耗)，加上發(fā)電過程中廢熱排放以及電力傳輸過程中的能量損耗，傳統(tǒng)發(fā)電的供能發(fā)電效率僅占30%～45%，與FC mCHP系統(tǒng)的發(fā)電效率大體相同。但FCmCHP系統(tǒng)的能源利用效率可實(shí)現(xiàn)發(fā)電后廢熱的二次利用，綜合效率高達(dá)85%～90%，污染小、噪音低，CO2排放量為傳統(tǒng)能源系統(tǒng)排放的30%～50%[21]，可降低用電高峰期的負(fù)荷，提高供電的安全性。

以日本Ene-farm為例，PEMFC-CHP和SOFC-CHP資源利用率基本相同(≥85%)，PEMFC-CHP系統(tǒng)的發(fā)電效率小于40%，排熱回收效率為43%±2.5%，且可以隨時(shí)啟停，輸出功率可調(diào)；SOFC-CHP系統(tǒng)由于不需要將燃?xì)庵卣麨闅錃?，結(jié)構(gòu)相對簡單，發(fā)電效率約為45%，排熱回收效率小于40%，維持高溫運(yùn)行需保障連續(xù)工作，輸出調(diào)節(jié)能力差，不能保證住宅熱量的季節(jié)性需求[22]。

2.2.3 水熱管理系統(tǒng)

PEMFC-CHP系統(tǒng)的水熱或熱管理原理如圖4所示[23-25]。

圖4中的氫氣和空氣在純水輔助系統(tǒng)作用下加濕加熱后發(fā)生反應(yīng)，通過燃料電池發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生的電能通過電力管理單元輸送至供電設(shè)備及儲(chǔ)電設(shè)備。電池反應(yīng)后的高溫廢氣一部分預(yù)熱空氣和氫氣，另一部分通過余熱收集管理系統(tǒng)加熱冷水，產(chǎn)生的部分熱水經(jīng)熱水存儲(chǔ)管理系統(tǒng)存儲(chǔ)，通過供暖設(shè)備使暖氣管道中的冷水和熱水不斷循環(huán)，滿足家庭供暖需求。當(dāng)日常熱水供應(yīng)短缺時(shí)，電力管理系統(tǒng)加熱熱水存儲(chǔ)管理系統(tǒng)中的水進(jìn)行熱水補(bǔ)充。數(shù)據(jù)中心(控制系統(tǒng))通過搜集智能設(shè)備(流量計(jì)、溫度計(jì)、壓力計(jì)等)的電信號，使控制設(shè)備(變送器、壓縮機(jī)等)及時(shí)響應(yīng)，滿足用戶需求和系統(tǒng)安全。

燃料電池內(nèi)質(zhì)子交換膜的干濕度通過電池內(nèi)化學(xué)反應(yīng)生成水、加濕空氣、廢氣帶走水蒸氣和輔助設(shè)備排水來調(diào)整；燃料電池的反應(yīng)溫度(最佳為75～80℃)[26-27]通過冷卻水散熱和尾氣排熱2種方式維持，尾氣排放能帶走燃料電池內(nèi)部反應(yīng)發(fā)熱的30%，約70%的熱量通過冷卻水散失[28-29]，因此要求冷卻系統(tǒng)進(jìn)出口溫差大、散熱量大、冷卻水泵的流量大，散熱器的體積和散熱面積相對較大，以提高熱交換效率。

SOFC-CHP系統(tǒng)在能源再利用方式上與PEMFC-CHP類似，因燃料電池不需要電池內(nèi)冷卻水單元和電池外純水輔助系統(tǒng)，電池內(nèi)部的熱量僅靠反應(yīng)產(chǎn)生的高溫廢氣排熱，不需要冷卻水散熱，結(jié)構(gòu)相對簡單[30-31]。

3 FC mCHP系統(tǒng)的發(fā)展

3.1 發(fā)展方向

1)燃料電池車輛的市場關(guān)注度優(yōu)于FC mCHP系統(tǒng)，可首先開發(fā)兩者通用的關(guān)鍵部件，如電極、電解質(zhì)膜、催化劑、分離器等，利用產(chǎn)業(yè)協(xié)同效應(yīng)，促進(jìn)FC mCHP系統(tǒng)的市場化。國內(nèi)各地運(yùn)營的氫燃料電池車主要集中在客運(yùn)、公交專線領(lǐng)域，且已突破百輛級別。燃料電池車輛一旦在全國范圍內(nèi)推廣，必然推動(dòng)FC mCHP系統(tǒng)的市場化進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)協(xié)同降本。

2)研制燃料電池所需的性能優(yōu)良的基礎(chǔ)材料，促進(jìn)我國燃料電池向高性能、高壽命、低成本的方向發(fā)展，加大材料研發(fā)力度，提高企業(yè)研發(fā)新材料的積極性，加快原材料的國產(chǎn)化步伐。

3)借鑒日本FC mCHP系統(tǒng)市場化經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行低成本核心技術(shù)開發(fā)，包括：PEMFC-CHP系統(tǒng)應(yīng)著力于削減電池催化劑Pt的用量或開發(fā)替代品、提高發(fā)電單元效率、改進(jìn)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)等；SOFC-CHP應(yīng)從提高電池堆的耐久性、保持發(fā)電單元集電極低電阻性能等入手。

4)形成由科研院校及企業(yè)參與的從實(shí)驗(yàn)室模型研究到產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化的FC mCHP系統(tǒng)研究體系，明確研究導(dǎo)向，并制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提高FC mCH系統(tǒng)的研發(fā)效率。保證實(shí)驗(yàn)室與產(chǎn)業(yè)化的信息暢通性，使對應(yīng)科研成果進(jìn)入企業(yè)，做到技術(shù)供給與實(shí)際需求相匹配。

3.2 未來FC mCHP系統(tǒng)的特點(diǎn)

FC mCHP系統(tǒng)具有能效高、環(huán)境友好等優(yōu)勢，加之成本低，以及技術(shù)不斷突破，在多種領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，各國政府出臺了相關(guān)引導(dǎo)政策，市場需求與政策雙驅(qū)動(dòng)，F(xiàn)C mCH系統(tǒng)的發(fā)展將會(huì)更加完善。

1)可循環(huán)性。碳基燃料與水利用可再生能源與電解池組合，形成可再生能源蓄能系統(tǒng)，使碳?xì)淙剂涎h(huán)再生，并輔以蓄電池給予控制系統(tǒng)供能，實(shí)現(xiàn)蓄能供能雙重作用。

2)環(huán)保性。利用有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)氫，一是利用細(xì)菌發(fā)酵，將酸或糖類轉(zhuǎn)化成H2，二是將生物原料通過化學(xué)反應(yīng)和物理提純轉(zhuǎn)換成H2，2種方法均能充分利用生活、生產(chǎn)廢棄物，節(jié)能環(huán)保。

3)共享性。FC mCHP系統(tǒng)作為分散電站，可統(tǒng)籌局部區(qū)域內(nèi)電熱的分布，提高居民資源利用效率，實(shí)現(xiàn)資源共享。

4)便利性。物聯(lián)網(wǎng)的普及以及5G的到來，人機(jī)互動(dòng)性加強(qiáng)，使FC mCHP系統(tǒng)的安全保障能力增強(qiáng)。

4 結(jié)語

PEMFC-CHP和SOFC-CHP電熱產(chǎn)出比不同，我國溫帶氣候兼具南北緯度跨度大的特點(diǎn)，2種系統(tǒng)均可在我國得以利用和發(fā)展。南方城市適應(yīng)SOFC-CHP系統(tǒng)電力高輸出的特點(diǎn)，同時(shí)當(dāng)冬季出現(xiàn)極寒天氣時(shí)，系統(tǒng)供熱同樣可有效解決電網(wǎng)的高負(fù)荷問題。而廣大北方地區(qū)冬季漫長，要使室溫不低于5 ℃，熱量需求量大，適合采用PEMFC-CHP系統(tǒng)。FC mCHP要在中國實(shí)現(xiàn)商用，離不開前期政府的支持(政策與資金)和公眾的認(rèn)可。