□廖文俊 □倪蕾蕾 □季文姣 □胡 陽

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

分布式能源用燃料電池的應用及發(fā)展前景

□廖文俊 □倪蕾蕾 □季文姣 □胡 陽

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

介紹了各類燃料電池的基本原理，對燃料電池在分布式能源領域的應用進行了分析，并展望了分布式能源用燃料電池的發(fā)展前景。

分布式能源；燃料電池；現(xiàn)狀；發(fā)展

傳統(tǒng)的火力發(fā)電站依賴于煤等化石能源，其燃燒能量有60%～70%要消耗在鍋爐和汽輪發(fā)電機這些龐大的設備上，在電力運輸過程中也存在5%左右的傳輸損耗，同時給環(huán)境帶來巨大的污染，發(fā)展越來越受到限制。燃料電池是一種高效清潔的發(fā)電裝置，綜合能量轉(zhuǎn)換率可達70%～90%。由于燃料電池發(fā)電設備具有分散的特質(zhì)，它可讓用戶擺脫集中式發(fā)電的限制，減少電力在傳輸過程中的損耗，因此具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

目前，世界多國都在努力推動燃料電池在固定電源領域中的產(chǎn)業(yè)化應用。在美國，燃料電池在備用電源市場中的占有率正在逐步提高，被廣泛用作大型通信設備、數(shù)據(jù)中心和家庭的備用電源。日本正在積極推進氫燃料電池發(fā)電的研究，日本綜合建設公司大林組與川崎重工將從2018年開始向神戶市的一部分地區(qū)提供用氫燃料制造出的電力。我國也在積極推進氫燃料電池在固定電源領域中的商業(yè)化應用進程，目前已將氫燃料電池逐步投放到通信網(wǎng)絡的應急電源領域中。我國還發(fā)布了《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃（2016-2030年）》和《能源技術革命重點創(chuàng)新行動路線圖》，將氫能與燃料電池技術創(chuàng)新列為重點任務，進一步發(fā)展氫氣制造、儲運技術和燃料電池發(fā)電技術。此外，德國、英國、韓國也在大力支持燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 燃料電池技術

燃料電池是一種不經(jīng)燃燒過程而直接將存儲在燃料和氧化劑中的化學能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，其工作方式與常規(guī)化學電源不同，類似于汽油機或柴油機，即燃料電池的燃料和氧化劑不存儲在電池內(nèi)部，電池發(fā)電時燃料和氧化劑由外部裝置連續(xù)不斷地送入電池內(nèi)部，電化學反應后，有部分未反應掉的氣體和反應生成物（如水）排出電池，同時反應生成一定的熱量。與常規(guī)火力發(fā)電不同的是，燃料電池不經(jīng)過熱機過程，不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)換效率高。

1.1 燃料電池分類

根據(jù)國際主流燃料電池分類方法，依據(jù)使用的電解質(zhì)不同可分為5類[1]：①質(zhì)子交換膜燃料電池；②固體氧化物燃料電池；③熔融碳酸鹽燃料電池；④磷酸燃料電池；⑤堿性燃料電池。

這5種燃料電池的特點總結(jié)如表1所示，圖1則匯總了燃料電池的電化學反應原理及物質(zhì)流向[2-3]。

表1 燃料電池特點

圖1 燃料電池電化學反應原理圖

1.2 燃料電池優(yōu)點

相比于常規(guī)發(fā)電，燃料電池具有以下優(yōu)點。

（1）能量轉(zhuǎn)化率高。燃料電池直接將燃料中化學能轉(zhuǎn)換為電能，避免了化學能到熱能，再到機械能,本體的發(fā)電效率可達到50%～60%，組成的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)在10 MW～50 MW規(guī)模即可達到70%以上的發(fā)電效率。如果通過熱電聯(lián)供同時利用高溫潔凈熱能，能量轉(zhuǎn)換效率可以達到80%。

（2）環(huán)境保護性。通過燃料電池釋放出的污染物比直接燃燒低幾個數(shù)量級，可有效地保護環(huán)境。與傳統(tǒng)火電機組相比，二氧化碳排出量可減少40%～60%，氮氧化物排放量低于0.002‰，硫氧化物排放量低于0.001‰。

（3）小型高效，供電可靠。燃料電池的發(fā)電效率受負荷和容量的影響較小，在低負荷時發(fā)電效率還會升高。

（4）低噪聲。在距發(fā)電設備1 m處噪聲小于60 dB（ A）。

（5）電力質(zhì)量高。電流諧波和電壓諧波均滿足IEEE519標準。

（6）變負荷率高。變負荷率可達到每分鐘8%～10%，負荷變化的范圍為20%～120%。

（7）允許采用多種燃料。高溫型燃料電池對于燃料處理器的設計要求低，燃料電池可使用的燃料有氫氣、甲醇、煤氣、沼氣和天然氣等。

（8）模塊化結(jié)構(gòu)。擴容和增容方便，建廠時間短。模塊設計，結(jié)構(gòu)緊湊，設備尺寸調(diào)整的靈活性大，發(fā)電量易于調(diào)節(jié)。

（9）占地面積小。單位功率占地面積小于1 m2/kW。

（10）自動化程度高，可實現(xiàn)無人操作。

（11）位置靈活。燃料電池是一種獨立的發(fā)電體系，無運動部件，不受周圍環(huán)境限制。

可見，燃料電池具有高效率、低污染、低噪聲、模塊化結(jié)構(gòu)、電力質(zhì)量好等突出特點，是理想的分布式電源。

2 燃料電池與其它發(fā)電方式對比

與可作為分布式電源的其它動力與能源轉(zhuǎn)換設備相比，燃料電池效率高、噪聲低、體積小、可靠性高、電能質(zhì)量好，是理想的分布式電源。在250 kW～10 MW的功率范圍內(nèi)，具有與目前數(shù)百兆瓦級別的中心電站相當，甚至更高的發(fā)電效率[4-5]。

圖2是燃料電池與不同發(fā)電機組發(fā)電效率的比較，圖中IGCC為整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)。可見，燃料電池的發(fā)電效率通常在50%左右，較之其它能源發(fā)電方式的發(fā)電效率要高。燃料電池采用電化學的方法將燃料中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能，這一過程不受卡諾循環(huán)的限制，因此盡管其單機容量較小，最大只有幾百千瓦，但是發(fā)電效率超過大型千兆瓦級的傳統(tǒng)發(fā)電機組，并且遠遠超過同規(guī)模的小型、微型燃氣輪機。

圖2 燃料電池與發(fā)電機組發(fā)電效率比較

目前，燃料電池的單機最大輸出功率為300 kW，與傳統(tǒng)大型發(fā)電機組單機功率相差甚遠，而與微型燃氣輪機等設備的單機功率接近。因此，就單機發(fā)電功率和效率而言，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)非常適用于固定電站、微型熱電聯(lián)供系統(tǒng)和可再生能源系統(tǒng)。

美國能源局將微型燃氣輪機的單機功率確定在25kW～300 kW之間，發(fā)電效率可達30%。微型燃氣輪機是目前較成熟、具有商業(yè)競爭力的分布式能源持續(xù)性發(fā)電設備，正受到越來越多的關注。以微型燃氣輪機為核心的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，理論上能源綜合利用率可達到80%以上，但是國外的工程應用實踐證實，系統(tǒng)案例的實際能源綜合利用率在60%左右。現(xiàn)階段國內(nèi)分布式供能系統(tǒng)中采用的微型燃氣輪機均為價格昂貴的國外進口產(chǎn)品，系統(tǒng)投資回收期較長。燃料電池及微型燃氣輪機的對比見表2。

燃料電池發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)發(fā)電機組的投資比較，不能單比較機組投資，還應將長距離輸電、配電投資與廠用電、輸電能耗和兩種能源轉(zhuǎn)換裝置的效率比較考慮在內(nèi)。在實際發(fā)電過程中，還應考慮傳統(tǒng)的熱機發(fā)電占地面積大、環(huán)境污染重的問題。隨著燃料電池發(fā)電技術的不斷完善，造價將會不斷的降低，特別是在規(guī)?；a(chǎn)后，其造價將大幅度的下降。不久的將來這種發(fā)電方式會對傳統(tǒng)熱機發(fā)電構(gòu)成挑戰(zhàn)，即：將來的電網(wǎng)系統(tǒng)將可能是現(xiàn)有的大電廠和中小燃料電池共存的狀態(tài)，這是因為大電網(wǎng)有優(yōu)越性，同時也存在著缺點，如高電壓長距離輸電將有6%～8%的損失，而分散的中小型燃料電池電站可以在用電現(xiàn)場建立，因此，可以減少送電損失（輸氣能量損失一般僅為3%），同時能為電網(wǎng)調(diào)峰做出貢獻，中小型分布式燃料電池系統(tǒng)也能靈活地適應季節(jié)性和地域性的電力需求變化。

3 燃料電池的應用

3.1 固定電站

加拿大在燃料電池的發(fā)展方面居世界領先地位，已建成250 kW燃料電池示范電站，其目標是在近幾年內(nèi)使250 kW級燃料電池商業(yè)化。加拿大Ballard公司[5]推出的200 kW～250 kW質(zhì)子交換膜燃料電池組，徹底粉碎了質(zhì)子交換膜燃料電池不易發(fā)展成為大型電站的說法。目前，全球范圍內(nèi)已有多個兆瓦級燃料電池系統(tǒng)應用于分布式發(fā)電中，表3給出了燃料電池在兆瓦級分布式發(fā)電中的部分應用案例。

表2 燃料電池與微型燃氣輪機對比

2010年2月，美國BloomEnergy公司推出以平板式電解質(zhì)支撐電堆為核心的200 kW固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，實際發(fā)電效率可達60%，可用作數(shù)據(jù)中心備用電源。

表3 燃料電池在兆瓦級分布式發(fā)電中的應用案例

韓國浦項入股了美國Fuel Cell Energy公司，并在韓國安裝部署了以熔融碳酸鹽燃料電池為基礎的直接燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，F(xiàn)uel Cell Energy公司目前在全球已經(jīng)安裝部署了超過300 MW的發(fā)電設備。韓國斗山集團2014年全資收購了美國Clear Edge燃料電池企業(yè)，推出了以磷酸燃料電池為基礎的純電池發(fā)電系統(tǒng)。截止到2015年，斗山集團在全球共計安裝了超過170 MW的磷酸燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。

2016年10月，全球最大的2 MW質(zhì)子交換膜燃料電池示范電站落戶我國遼寧營口。中國營創(chuàng)三征為實現(xiàn)氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫的清潔利用，聯(lián)合荷蘭Nedstack[7]和MTSA等公司建設2 MW質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，清潔發(fā)電，實現(xiàn)20%的電力自供應。該系統(tǒng)采用荷蘭Nedstack公司提供的質(zhì)子交換膜燃料電池，由MTSA公司負責系統(tǒng)工程建設。

3.2 微型熱電聯(lián)供系統(tǒng)

表4為家庭用燃料電池系統(tǒng)的技術參數(shù)，運行方式如圖3所示。2009年，家庭用燃料電池的上市開創(chuàng)了全球先河。這種電池利用天然氣、液化石油氣或煤油提取氫氣，輸入燃料電池中發(fā)電。發(fā)電時產(chǎn)生的廢熱用來燒水，供泡澡和地暖使用，總能量效率超過90%。家庭用燃料電池最初的總價格為330萬日元，在上市的5年時間里，通過不斷改進，其制造成本不斷降低，主機價格在2014年已經(jīng)低于200萬日元，2015年年底進一步降低到160萬日元。

微型熱電聯(lián)供技術是未來一個重要的解決方案，被認為是歐盟實現(xiàn)有關良好競爭力、可持續(xù)發(fā)展和能源安全供應等能源目標的關鍵支撐。目前，在全球微型熱電聯(lián)供方面，日本和歐洲走在前列。

表4 日本家庭用燃料電池系統(tǒng)技術參數(shù)

圖3 日本家庭用燃料電池運行示意圖

Ene-Field工程（圖4）在歐盟12個關鍵成員國的1 000戶居民中部署了燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)[8]，該項目聯(lián)合了歐洲9家技術成熟的微型熱電聯(lián)供設備制造企業(yè)，在統(tǒng)一標準下對微型熱電聯(lián)供[9]設備進行試驗分析。該試驗監(jiān)測民居使用狀況，并為歐洲各國的國內(nèi)能源消耗和微型熱電聯(lián)供適用性生成非常有價值的數(shù)據(jù)庫，包括最終的環(huán)境壽命周期評估和基于所有權(quán)的總成本評估。

Ene-Field工程也匯集了超過30個的公共事業(yè)單位和住房供應商，以推廣產(chǎn)品到市場中，并為微型熱電聯(lián)供技術的部署探究不同的商業(yè)模式，評估廣泛推廣微型熱電聯(lián)供部署的社會經(jīng)濟障礙，對政策方針發(fā)布明確的文件和說明，以支持進一步的商業(yè)推廣。

圖4 歐洲Ene-Field發(fā)電系統(tǒng)示意圖及現(xiàn)場安裝實物

日本新能源產(chǎn)業(yè)技術綜合開發(fā)機構(gòu)預測，微型熱電聯(lián)供市場在2015年前后主要以商用為主，而到2025年家用市場的規(guī)模將超過商用。目前，家用燃料電池系統(tǒng)的價格正在快速降低，如果保持現(xiàn)在的降價速度，在2025年，價格低于50萬日元/kW的產(chǎn)品有望上市，屆時將實現(xiàn)廣泛普及。如圖5所示，美國能源部預測2018年微型熱電聯(lián)供市場將以27.2%的復合年增長率發(fā)展，并將達到153 MW。

圖5 微型熱電聯(lián)供市場預測

3.3可再生能源蓄能系統(tǒng)

可再生燃料電池將電解池和燃料電池相結(jié)合，與風能、太陽能等可再生能源聯(lián)用，使碳氫燃料通過系統(tǒng)循環(huán)實現(xiàn)再生，從而起到蓄能供電雙重作用。

目前，可再生燃料電池主要被開發(fā)和應用于高空長航時太陽能飛行器、太空船的混合能量存儲推進系統(tǒng)，也可適用于偏遠地區(qū)不依賴電網(wǎng)的儲能系統(tǒng)、電網(wǎng)調(diào)峰的電源系統(tǒng)及便攜式能量系統(tǒng)等[10-11]。東芝公司于2015年3月宣布啟動獨立型氫能源供給系統(tǒng)示范運營。獨立型氫能源供給系統(tǒng)是一個基于可再生能源的獨立能源供應系統(tǒng)，融合了光伏發(fā)電裝置、蓄電池、電解水制氫裝置、儲氫罐、水箱及燃料電池。利用光伏發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能來電解水并制成氫氣，每小時最高氫產(chǎn)量1 m3，氫氣消耗速率2.5 m3/h，氫氣罐最大存儲容量33 m3，40℃熱水最高供應能力75 L/h，光伏設備功率30 kW，燃料電池最大輸出功率3.5 kW，蓄電池容量350 kWh。

4 行業(yè)現(xiàn)狀及前景預測

美國能源局在最新的預測中表明[12]，燃料電池市場規(guī)模將在現(xiàn)有規(guī)模的基礎上以每年10%的增長率發(fā)展，到2017年將達到110億美元的水平，而到2022年將是2017年規(guī)模的兩倍。與此同時，到2017年，市場對燃料電池產(chǎn)品和服務的商業(yè)需求將達到40億美元，到2022年，則可能達到60億美元。

美國能源部預測，日本的氫能源市場規(guī)模在2030年達約1萬億日元，在2050年達約8萬億日元。日經(jīng)BP雜志社清潔技術研究所預測，世界氫能市場規(guī)模在2020年將超過10萬億日元，在2050年將達160萬億日元，如圖6所示。

圖6 世界氫能市場規(guī)模預測

在分布式發(fā)電領域，日本政府目標是使家用燃料電池系統(tǒng)在2020年達到140萬臺，在2030年達到530萬臺，約占10%的家庭。日經(jīng)BP雜志社預測到2020年時系統(tǒng)投資可在七八年內(nèi)回收，到2030年時投資可在5年內(nèi)回收。對于家用燃料電池系統(tǒng)，目前日本市場的發(fā)展領先于全球，但歐洲也有望建立家用燃料電池市場。預測到2025年，家用燃料電池市場約為11 000億日元。

圖7 世界家用燃料電池系統(tǒng)市場預測

對于商業(yè)和工業(yè)用燃料電池的市場開拓，北美地區(qū)最為發(fā)達，其次是韓國，他們將燃料電池發(fā)電作為國家政策。2025年，日本商業(yè)和工業(yè)用燃料電池的市場規(guī)模估算值為226億日元，其它國家市場估算值為7 000億日元，如圖8所示。

圖8 商業(yè)和工業(yè)用燃料電池市場預測

可以看到，對于燃料電池而言，分布式電站是目前為止應用最廣泛的商業(yè)領域。2007年到現(xiàn)在，燃料電池在兆瓦級應用和小型住宅微型熱電聯(lián)供方面表現(xiàn)強勁。由于燃料電池在克服成本競爭和提高發(fā)電效率等方面與傳統(tǒng)發(fā)電方法相比門檻更低，可以預計發(fā)電用燃料電池的銷量將在2022年前持續(xù)保持增長態(tài)勢。

5 結(jié)束語

從燃料電池分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)到燃料電池汽車動力源，再到微型電源，燃料電池的應用幾乎涉及電力需求的每一個方面。目前，燃料電池的技術瓶頸已經(jīng)基本解決，與此同時，由于世界各國對于節(jié)能減排和電力安全的要求日益提高，以及燃料電池成本的降低，市場對于燃料電池分布式電站、車用燃料電池系統(tǒng)和便攜式電源方面的需求不斷增長。燃料電池在分布式能源應用領域有著巨大的發(fā)展前景。

[1] 趙佳駿，王培紅.主流燃料電池技術發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].上海節(jié)能，2015（ 4）：199-203.

[2] 侯明，衣寶廉.燃料電池技術發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].電化學，2012，18（ 1）：1-13.

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[6]Ballard Reports 2012 Results and 2013 Outlook[EB/OL].https://fuelcellsworks.com/archives/.2013/02/22/ballard-reports-2012-results-and-2013-outlook/.

[7] STAYERS-Stationnary PEM Fuel Cells with Lifetimes beyond FiveYears[EB/OL].http://www.fch.europa.eu/project/stayers-stationary-pem-fuel-cells-lifetimes-beyond-fiveyears.

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[12]2014 Fuel Cell Technologies Market Report[EB/OL].https://energy.gov/eere/fuelcells/downloads/2014-fuel-cell-technologies-market-report.

Introduced thebasicprincipleof all kindsof fuel cells,analyzed theapplication of fuel cell in distributed energy field,and looked forward tothelongtermpotential of fuel cell in distributed energy.

Distributed Energy；Fuel Cell；Present Status；Development

TH122；TQ152

A

1672-0555（2017）03-058-07

2017年3月

廖文?。?980—），男，博士，高級工程師，主要從事新能源新材料應用研究工作

（編輯：啟 德）