零碳建筑技术之燃料电池热电联产

现在当提到绿色能源时，我们经常会想到太阳能或风能等可再生能源，但这些来源很多是间歇性的，并不具有持续性。此外，城市拥挤的空间限制往往使这些技术的实施具有挑战性。风能和太阳能的整合肯定会成为更绿色未来的一个组成部分，但还有许多其他方法可以减少排放、节省燃料，并通过解决当前生产条件下浪费的大量能源来保持能源的可负担性。

解决这个问题的最佳方法之一是使用热电联产。通过捕获本来会被浪费的热量，热电联产系统可以最有效地利用燃料，在传统的发电源上产生清洁、低碳的蒸汽。

热电联产（又称汽电共生、热电联供，英语：Cogeneration, combined heat and power，缩写：CHP），是从单一能源同时产生电能和有用热能，例如利用热机或发电站同时产生电力和有用的热量，在某些情况下，能源可以来自可再生或低/零碳能源，如太阳能或生物质能。通过使用吸收冷却循环，还可以开发三重热电联产（Trigeneration）或冷却，是指从燃料燃烧或太阳能集热器中同时产生电和有用的热量和冷却，从而提供空气冷却/调节。

由于热电联产系统充分利用了发电过程中产生的热量，因此它们在使用点可以实现超过70%的整体效率。热电联产系统通常安装在现场，直接在使用点为客户提供热量和电力，因此有助于避免将电力从大型集中式工厂传输到客户时发生的重大损失。通过同时产生热量和电力，与通过锅炉和发电站的传统发电方式相比，热电联产可以减少高达30%的碳排放。

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高; 另外，燃料电池用燃料和氧气作为原料，同时没有机械传动部件，故排放出的有害气体极少，使用寿命长。由此可见，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术。

燃料电池热电联产/热电联供不仅可以为建筑提供热能、电能，还能通过制冷机等设备对废热回收利用，为建筑制冷、控湿，有利于减少建筑能耗、实现建筑节能，更快转向低碳经济。可以说，燃料电池热电联产/热电联供是未来建筑领域内不可或缺的应用系统之一。

以氢气为燃料的燃料电池成为近年来的发展热点，燃料电池将燃料和氧化剂的化学能直接转换为直流电能，是氢能转换为电能的有效装备和能源枢纽，其效率不受卡诺循环效率限制，具有能量转换效率高、负荷响应时间快、污染物排放低、稳定性好、环境友好、噪声水平低、可靠性高等显著优势。

国内燃料电池在整机、电堆、双极板、膜电极、水热管理及控制、产业化应用等方面取得了显著进步。目前，燃料电池按电解质的不同主要分为以下5类：质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）、磷酸燃料电池（phosphoric acid fuel cell，PAFC）、碱性燃料电池（alkaline fuel cell，AFC）、熔融碳酸盐燃料电池（molten carbonate fuel cell，MCFC）以及固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell，SOFC）。PEMFC以其高效、小型化、较低的运行温度区间等特点成为住宅分布式能源系统的优秀原动机。

PEMFC同时结合余热高效利用、电驱动或热驱动制冷、高效储能、能源系统管理等技术，可以实现冷、热、电等高效稳定输出，具有十分广阔的应用前景。未来，住宅燃料电池冷热电联产被认为是一种很有前途的低碳技术，可以降低住宅能耗，实现能量联供与温室气体减排的目的。

PEMFC分为低温质子交换膜燃料电池（low temperature proton exchange membrane fuel cell，LT-PEMFC）和高温质子交换膜燃料电池（high temperature proton exchange membrane fuel cell，HT-PEMFC）。LT-PEMFC采用全氟磺酸质子交换膜，HT-PEMFC的质子交换膜材料多为磷酸/聚苯并咪唑（PBI）。LT-PEMFC具有运行温度低、功率密度高等优点，其工作温度在80℃附近，产生的低品位热量回收后可用于空间加热，但存在水热管理复杂的问题。HT-PEMFC的优势主要来自于工作温度的提高（150~180℃），尾气废热具有较高的利用价值，且电池运行中不存在液态水，内部水管理更加容易；耐CO毒化能力大大增加，电池寿命有效提高；不需要加湿反应物，有效简化热回收系统；对氢气质量要求较低，使燃料处理器配置更简单，更适用于居民住宅。因此HT-PEMFC在CCHP领域表现出巨大利用潜力。

PEMFC在运行过程中的产热主要包括可逆热、不可逆热、焦耳热和相变潜热四部分。其中，可逆热是指催化层中电化学反应产生的热量，与反应物前后物质的熵变及电化学反应速率有关；不可逆热则指催化层中克服活化损失而产生的热量；焦耳热又称欧姆热，是电池中电子电流和离子电流传导所产生的热量；相变潜热是指电池中水相变或电解质吸放水时所释放或吸收的热量。如图3所示，PEMFC主要有4种热量来源：可逆与不可逆的化学反应热、焦耳热、吸收环境辐射热量以及加湿气体带入的热量。其散热途径主要包括电堆废气带走热量、循环水热传递、热辐射和自然对流损失热量。

PEMFC余热占电池输入总能量的40%~60%。现阶段，PEMFC电堆采用的冷却方式主要是空气冷却和冷却液循环排热。PEMFC在实际应用常装配为电堆的形式，很容易出现各个单片电池间温度分布不均的问题，因此设计合理的冷却系统带走多余的热量，充分利用这部分热能，实现燃料电池的热电联产，其能源综合利用效率可达75%~95%，应用前景十分广阔。

近年来，国内外学者在集成电池的微型热电联产的研究和开发方面进行了大量努力，特别是PEMFC在住宅分布式供能系统的应用上。PEMFC-CCHP系统是燃料电池技术以及分布式能源系统交叉及发展的一个重要方向。以1kW的PEMFC为例，其建筑热电联供系统供电效率可达30%以上，热电综合效率超过80%。到目前为止，还没有特别有效的办法将氢气输送至家庭中并进行存储，因此，将制氢系统与燃料电池热电联供系统结合可以实现为家庭用户供能。通过可再生能源制氢、PEMFC技术、多能互补技术体系实现冷热电联产，满足村镇用户电力需求的同时，解决全年生活热水、制冷及冬季采暖需求。一方面可提升电解制氢在平抑新能源出力波动、参与电网调控方面的作用，另一方面能真正克服太阳能、风能等可再生能源的间歇性和波动性问题，实现冷热电供能的可持续发展。

PEMFC-CCHP系统具有以下几个优势。

技术特点

“ENE-FARM”译为能源农场，该“农场”的原料是天然气，“产品”是电和热，设备利用天然气重整产生氢气，作为PEMFC的燃料，发电效率可达39%，热利用效率为56%，能源综合利用率达到95%，寿命为90000h以上，不需要特殊维护，在日本属于家用电器。

项目概况

“ENE-FARM”计划由政府主导推动，燃气公司、制造企业、地产商和金融企业共同执行，是日本氢能社会战略的重要组成部分。自2009年，由松下、东芝、爱信等厂商研发生产，由东京燃气和大阪燃气等燃气公司向用户销售家用燃料电池热电联供产品。

十年来各品牌产品累计销售300000套，政府每套补贴由最初的8.9万元逐年下降，直至2019年取消，产品寿命达10年。利用城市燃气重整产生氢气进行热电联供，具备灾备电源功能，在居民家中断电的情况下可供电8天。根据日本松下公司的测算，安装ENE-FARM设备后，家庭平均每年可节约3600元左右电费和燃气费，产品售价在100万日元（约人民币6.4万元）以内时，居民购买该产品具有经济性。

ENE-FARM系统在促进节能减排、应对自然灾害等方面发挥了积极作用。ENE-FARM可使每户家庭减少碳排放1.3~1.9t/年，相当于0.5~0.7台燃油车年排放量。同时，ENE-FARM多次在地震、台风等自然灾害导致电力供应中断时，为居民家庭提供了最低限度的电力和热量供应，有效支撑了抢险救灾和灾后重建工作，因此也加深了群众对燃料电池热电联供系统的认识和认可。

2021 年 11 月，全国首座氢能进万家智慧能源示范社区项目——丹青苑社区在佛山南海正式投运，标志着佛山率先引入氢燃料电池为社区供能。

该项目建筑面积超10万平方米，基于分布式燃料电池热电联产系统以实现多能互补微电网，推广可再生能源互联互通智慧能源城市工程，为国家“碳中和”社区建设提供探索实施路径。

项目建设基于社区燃料电池分布式能源工程开展，通过技术创新，将太阳能光伏引入电解水制氢设备，同时配置氢燃料电池联供设备和配套装备，为社区住户提供不间断的电力、暖气和生活热水，实现能源自给和二氧化碳零排放，把普通的居民社区建设成一个拥有风、光、电、气多种能源互补系统的智慧能源社区。

目前，智慧能源示范社区4台440KW商用燃料电池热电联产设备已安装完毕，为全国单体最大且无噪音、自发自用、并网运行。日后还将安装家用燃料电池热电联产设备394套，解决每户家庭的热电联供。

示范项目不仅实现发电设备53%以上的发电效率，达 90%以上的综合能源利用效率，并且碳排放只有传统能源系统的 30%到50%。

按照规划，该社区一期工程依托现有城市气网，将从天然气管网向混氢天然气管网最终向氢气管网演变。而二期项目将采用光伏制氢，不再使用城市的燃气和电网，小区里面的住户也不用再缴纳电费和燃气费，推动小区最终实现碳达峰、碳中和。

2022年初，贵州省首套100kW质子交换膜燃料电池热电联产系统于贵阳市经开区新能源产业示范基地内正式投运。

该项目燃料电池模块由贵州氢能效率能源科技有限公司提供，舜华新能源提供系统设计、技术支持及氢系统设备供应。

项目采取的热电联产设备为固定式发电场景专用设备，运行寿命可达40000小时，发电功率为100kW，最大余热回收功率可达130kW，单位小时耗氢量为6.7kg。

友绿智库认为，在国家能源转型的背景下，燃料电池热电联产凭借其能源高效利用、清洁环保的属性，迎来了发展的“曙光”。目前潍柴动力、豫氢动力、清能股份、铧德氢能、东方氢能、贵州氢能效率、舜华新能源、中集安瑞科等企业均已在燃料电池热电联供领域展开布局，其中部分已经交付了产品。从国内燃料电池热电联供发展进程来看，已经开始进入示范应用阶段。

对于许多小区和商业建筑来说，燃料电池热电联产技术为减少碳排放和实现双碳目标提供了机会，必将在零碳未来中发挥关键作用。

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