□廖文俊 □倪蕾蕾 □季文姣 □胡 阳

上海电气集团股份有限公司 中央研究院 上海 200070

分布式能源用燃料电池的应用及发展前景

□廖文俊 □倪蕾蕾 □季文姣 □胡 阳

上海电气集团股份有限公司 中央研究院 上海 200070

介绍了各类燃料电池的基本原理，对燃料电池在分布式能源领域的应用进行了分析，并展望了分布式能源用燃料电池的发展前景。

分布式能源；燃料电池；现状；发展

传统的火力发电站依赖于煤等化石能源，其燃烧能量有60%～70%要消耗在锅炉和汽轮发电机这些庞大的设备上，在电力运输过程中也存在5%左右的传输损耗，同时给环境带来巨大的污染，发展越来越受到限制。燃料电池是一种高效清洁的发电装置，综合能量转换率可达70%～90%。由于燃料电池发电设备具有分散的特质，它可让用户摆脱集中式发电的限制，减少电力在传输过程中的损耗，因此具有极大的发展潜力。

目前，世界多国都在努力推动燃料电池在固定电源领域中的产业化应用。在美国，燃料电池在备用电源市场中的占有率正在逐步提高，被广泛用作大型通信设备、数据中心和家庭的备用电源。日本正在积极推进氢燃料电池发电的研究，日本综合建设公司大林组与川崎重工将从2018年开始向神户市的一部分地区提供用氢燃料制造出的电力。我国也在积极推进氢燃料电池在固定电源领域中的商业化应用进程，目前已将氢燃料电池逐步投放到通信网络的应急电源领域中。我国还发布了《能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）》和《能源技术革命重点创新行动路线图》，将氢能与燃料电池技术创新列为重点任务，进一步发展氢气制造、储运技术和燃料电池发电技术。此外，德国、英国、韩国也在大力支持燃料电池产业的发展。

1 燃料电池技术

燃料电池是一种不经燃烧过程而直接将存储在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的发电装置，其工作方式与常规化学电源不同，类似于汽油机或柴油机，即燃料电池的燃料和氧化剂不存储在电池内部，电池发电时燃料和氧化剂由外部装置连续不断地送入电池内部，电化学反应后，有部分未反应掉的气体和反应生成物（如水）排出电池，同时反应生成一定的热量。与常规火力发电不同的是，燃料电池不经过热机过程，不受卡诺循环的限制，能量转换效率高。

1.1 燃料电池分类

根据国际主流燃料电池分类方法，依据使用的电解质不同可分为5类[1]：①质子交换膜燃料电池；②固体氧化物燃料电池；③熔融碳酸盐燃料电池；④磷酸燃料电池；⑤碱性燃料电池。

这5种燃料电池的特点总结如表1所示，图1则汇总了燃料电池的电化学反应原理及物质流向[2-3]。

表1 燃料电池特点

图1 燃料电池电化学反应原理图

1.2 燃料电池优点

相比于常规发电，燃料电池具有以下优点。

（1）能量转化率高。燃料电池直接将燃料中化学能转换为电能，避免了化学能到热能，再到机械能,本体的发电效率可达到50%～60%，组成的联合循环发电系统在10 MW～50 MW规模即可达到70%以上的发电效率。如果通过热电联供同时利用高温洁净热能，能量转换效率可以达到80%。

（2）环境保护性。通过燃料电池释放出的污染物比直接燃烧低几个数量级，可有效地保护环境。与传统火电机组相比，二氧化碳排出量可减少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，供电可靠。燃料电池的发电效率受负荷和容量的影响较小，在低负荷时发电效率还会升高。

（4）低噪声。在距发电设备1 m处噪声小于60 dB（ A）。

（5）电力质量高。电流谐波和电压谐波均满足IEEE519标准。

（6）变负荷率高。变负荷率可达到每分钟8%～10%，负荷变化的范围为20%～120%。

（7）允许采用多种燃料。高温型燃料电池对于燃料处理器的设计要求低，燃料电池可使用的燃料有氢气、甲醇、煤气、沼气和天然气等。

（8）模块化结构。扩容和增容方便，建厂时间短。模块设计，结构紧凑，设备尺寸调整的灵活性大，发电量易于调节。

（9）占地面积小。单位功率占地面积小于1 m2/kW。

（10）自动化程度高，可实现无人操作。

（11）位置灵活。燃料电池是一种独立的发电体系，无运动部件，不受周围环境限制。

可见，燃料电池具有高效率、低污染、低噪声、模块化结构、电力质量好等突出特点，是理想的分布式电源。

2 燃料电池与其它发电方式对比

与可作为分布式电源的其它动力与能源转换设备相比，燃料电池效率高、噪声低、体积小、可靠性高、电能质量好，是理想的分布式电源。在250 kW～10 MW的功率范围内，具有与目前数百兆瓦级别的中心电站相当，甚至更高的发电效率[4-5]。

图2是燃料电池与不同发电机组发电效率的比较，图中IGCC为整体煤气化联合循环。可见，燃料电池的发电效率通常在50%左右，较之其它能源发电方式的发电效率要高。燃料电池采用电化学的方法将燃料中的化学能直接转化为电能，这一过程不受卡诺循环的限制，因此尽管其单机容量较小，最大只有几百千瓦，但是发电效率超过大型千兆瓦级的传统发电机组，并且远远超过同规模的小型、微型燃气轮机。

图2 燃料电池与发电机组发电效率比较

目前，燃料电池的单机最大输出功率为300 kW，与传统大型发电机组单机功率相差甚远，而与微型燃气轮机等设备的单机功率接近。因此，就单机发电功率和效率而言，燃料电池发电系统非常适用于固定电站、微型热电联供系统和可再生能源系统。

美国能源局将微型燃气轮机的单机功率确定在25kW～300 kW之间，发电效率可达30%。微型燃气轮机是目前较成熟、具有商业竞争力的分布式能源持续性发电设备，正受到越来越多的关注。以微型燃气轮机为核心的冷热电联产系统，理论上能源综合利用率可达到80%以上，但是国外的工程应用实践证实，系统案例的实际能源综合利用率在60%左右。现阶段国内分布式供能系统中采用的微型燃气轮机均为价格昂贵的国外进口产品，系统投资回收期较长。燃料电池及微型燃气轮机的对比见表2。

燃料电池发电系统与传统发电机组的投资比较，不能单比较机组投资，还应将长距离输电、配电投资与厂用电、输电能耗和两种能源转换装置的效率比较考虑在内。在实际发电过程中，还应考虑传统的热机发电占地面积大、环境污染重的问题。随着燃料电池发电技术的不断完善，造价将会不断的降低，特别是在规模化生产后，其造价将大幅度的下降。不久的将来这种发电方式会对传统热机发电构成挑战，即：将来的电网系统将可能是现有的大电厂和中小燃料电池共存的状态，这是因为大电网有优越性，同时也存在着缺点，如高电压长距离输电将有6%～8%的损失，而分散的中小型燃料电池电站可以在用电现场建立，因此，可以减少送电损失（输气能量损失一般仅为3%），同时能为电网调峰做出贡献，中小型分布式燃料电池系统也能灵活地适应季节性和地域性的电力需求变化。

3 燃料电池的应用

3.1 固定电站

加拿大在燃料电池的发展方面居世界领先地位，已建成250 kW燃料电池示范电站，其目标是在近几年内使250 kW级燃料电池商业化。加拿大Ballard公司[5]推出的200 kW～250 kW质子交换膜燃料电池组，彻底粉碎了质子交换膜燃料电池不易发展成为大型电站的说法。目前，全球范围内已有多个兆瓦级燃料电池系统应用于分布式发电中，表3给出了燃料电池在兆瓦级分布式发电中的部分应用案例。

表2 燃料电池与微型燃气轮机对比

2010年2月，美国BloomEnergy公司推出以平板式电解质支撑电堆为核心的200 kW固体氧化物燃料电池发电系统，实际发电效率可达60%，可用作数据中心备用电源。

表3 燃料电池在兆瓦级分布式发电中的应用案例

韩国浦项入股了美国Fuel Cell Energy公司，并在韩国安装部署了以熔融碳酸盐燃料电池为基础的直接燃料电池发电系统，Fuel Cell Energy公司目前在全球已经安装部署了超过300 MW的发电设备。韩国斗山集团2014年全资收购了美国Clear Edge燃料电池企业，推出了以磷酸燃料电池为基础的纯电池发电系统。截止到2015年，斗山集团在全球共计安装了超过170 MW的磷酸燃料电池发电系统。

2016年10月，全球最大的2 MW质子交换膜燃料电池示范电站落户我国辽宁营口。中国营创三征为实现氯碱工业副产氢的清洁利用，联合荷兰Nedstack[7]和MTSA等公司建设2 MW质子交换膜燃料电池系统，清洁发电，实现20%的电力自供应。该系统采用荷兰Nedstack公司提供的质子交换膜燃料电池，由MTSA公司负责系统工程建设。

3.2 微型热电联供系统

表4为家庭用燃料电池系统的技术参数，运行方式如图3所示。2009年，家庭用燃料电池的上市开创了全球先河。这种电池利用天然气、液化石油气或煤油提取氢气，输入燃料电池中发电。发电时产生的废热用来烧水，供泡澡和地暖使用，总能量效率超过90%。家庭用燃料电池最初的总价格为330万日元，在上市的5年时间里，通过不断改进，其制造成本不断降低，主机价格在2014年已经低于200万日元，2015年年底进一步降低到160万日元。

微型热电联供技术是未来一个重要的解决方案，被认为是欧盟实现有关良好竞争力、可持续发展和能源安全供应等能源目标的关键支撑。目前，在全球微型热电联供方面，日本和欧洲走在前列。

表4 日本家庭用燃料电池系统技术参数

图3 日本家庭用燃料电池运行示意图

Ene-Field工程（图4）在欧盟12个关键成员国的1 000户居民中部署了燃料电池热电联供系统[8]，该项目联合了欧洲9家技术成熟的微型热电联供设备制造企业，在统一标准下对微型热电联供[9]设备进行试验分析。该试验监测民居使用状况，并为欧洲各国的国内能源消耗和微型热电联供适用性生成非常有价值的数据库，包括最终的环境寿命周期评估和基于所有权的总成本评估。

Ene-Field工程也汇集了超过30个的公共事业单位和住房供应商，以推广产品到市场中，并为微型热电联供技术的部署探究不同的商业模式，评估广泛推广微型热电联供部署的社会经济障碍，对政策方针发布明确的文件和说明，以支持进一步的商业推广。

图4 欧洲Ene-Field发电系统示意图及现场安装实物

日本新能源产业技术综合开发机构预测，微型热电联供市场在2015年前后主要以商用为主，而到2025年家用市场的规模将超过商用。目前，家用燃料电池系统的价格正在快速降低，如果保持现在的降价速度，在2025年，价格低于50万日元/kW的产品有望上市，届时将实现广泛普及。如图5所示，美国能源部预测2018年微型热电联供市场将以27.2%的复合年增长率发展，并将达到153 MW。

图5 微型热电联供市场预测

3.3可再生能源蓄能系统

可再生燃料电池将电解池和燃料电池相结合，与风能、太阳能等可再生能源联用，使碳氢燃料通过系统循环实现再生，从而起到蓄能供电双重作用。

目前，可再生燃料电池主要被开发和应用于高空长航时太阳能飞行器、太空船的混合能量存储推进系统，也可适用于偏远地区不依赖电网的储能系统、电网调峰的电源系统及便携式能量系统等[10-11]。东芝公司于2015年3月宣布启动独立型氢能源供给系统示范运营。独立型氢能源供给系统是一个基于可再生能源的独立能源供应系统，融合了光伏发电装置、蓄电池、电解水制氢装置、储氢罐、水箱及燃料电池。利用光伏发电装置产生的电能来电解水并制成氢气，每小时最高氢产量1 m3，氢气消耗速率2.5 m3/h，氢气罐最大存储容量33 m3，40℃热水最高供应能力75 L/h，光伏设备功率30 kW，燃料电池最大输出功率3.5 kW，蓄电池容量350 kWh。

4 行业现状及前景预测

美国能源局在最新的预测中表明[12]，燃料电池市场规模将在现有规模的基础上以每年10%的增长率发展，到2017年将达到110亿美元的水平，而到2022年将是2017年规模的两倍。与此同时，到2017年，市场对燃料电池产品和服务的商业需求将达到40亿美元，到2022年，则可能达到60亿美元。

美国能源部预测，日本的氢能源市场规模在2030年达约1万亿日元，在2050年达约8万亿日元。日经BP杂志社清洁技术研究所预测，世界氢能市场规模在2020年将超过10万亿日元，在2050年将达160万亿日元，如图6所示。

图6 世界氢能市场规模预测

在分布式发电领域，日本政府目标是使家用燃料电池系统在2020年达到140万台，在2030年达到530万台，约占10%的家庭。日经BP杂志社预测到2020年时系统投资可在七八年内回收，到2030年时投资可在5年内回收。对于家用燃料电池系统，目前日本市场的发展领先于全球，但欧洲也有望建立家用燃料电池市场。预测到2025年，家用燃料电池市场约为11 000亿日元。

图7 世界家用燃料电池系统市场预测

对于商业和工业用燃料电池的市场开拓，北美地区最为发达，其次是韩国，他们将燃料电池发电作为国家政策。2025年，日本商业和工业用燃料电池的市场规模估算值为226亿日元，其它国家市场估算值为7 000亿日元，如图8所示。

图8 商业和工业用燃料电池市场预测

可以看到，对于燃料电池而言，分布式电站是目前为止应用最广泛的商业领域。2007年到现在，燃料电池在兆瓦级应用和小型住宅微型热电联供方面表现强劲。由于燃料电池在克服成本竞争和提高发电效率等方面与传统发电方法相比门槛更低，可以预计发电用燃料电池的销量将在2022年前持续保持增长态势。

5 结束语

从燃料电池分布式热电联供系统到燃料电池汽车动力源，再到微型电源，燃料电池的应用几乎涉及电力需求的每一个方面。目前，燃料电池的技术瓶颈已经基本解决，与此同时，由于世界各国对于节能减排和电力安全的要求日益提高，以及燃料电池成本的降低，市场对于燃料电池分布式电站、车用燃料电池系统和便携式电源方面的需求不断增长。燃料电池在分布式能源应用领域有着巨大的发展前景。

[1] 赵佳骏，王培红.主流燃料电池技术发展现状与趋势[J].上海节能，2015（ 4）：199-203.

[2] 侯明，衣宝廉.燃料电池技术发展现状与展望[J].电化学，2012，18（ 1）：1-13.

[3] 马天才，顾荣鑫.燃料电池技术现状及其应用前景[J].通信电源技术，2014，31（ S1）：95-98.

[4] 郭井宽，孙华.分布式能源系统的发展动态[J].装备机械，2016（ 1）：70-74.

[5] 2014-2018年中国分布式能源技术及市场研究报告[EB/OL].http://www.docin.com/p-1780940495.html.

[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.

[8]GOU B，NA WK，DIONGB.Fuel Cells:Modeling， Control，and Applications[M].BocaRaton:CRCPress，2009.

[9] Micro-CHP Fuel Cells for Businesses,Schools and Shared Accommodation[EB/OL].http://www.fuelcelltoday.com/analysis/anlyst-views/2013/13-07-31-micro-chp-fuel-cells-forbusinesses-schools-and-shared-accommodation.

[10]BAOC,SU QQ,MI WL,et al.A 10 kW-scaleDistributed Power Plant of Natural Gas-ProtonExchangeMembraneFuel Cell[J].ChineseJournal of Chemical Engineering，2010，18（ 6）：988-994.

[11]王洪建，程健，张瑞云，等.质子交换膜燃料电池应用现状及分析[J].热力发电，2016，45（ 3）：1-7，19.

[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

廖文俊（1980—），男，博士，高级工程师，主要从事新能源新材料应用研究工作

（编辑：启 德）