综述：住宅燃料电池热电联供系统进展：技术综述

本综述系统评述了住宅燃料电池热电联供（FC-CHP）系统的关键技术及可再生能源集成方案，重点分析了固体氧化物燃料电池（SOFC）与质子交换膜燃料电池（PEMFC）的技术特性，探讨了其与太阳能、风能等多能源互补优势，为高效低碳的分布式能源系统提供了理论参考与实践路径。

　　

在全球低碳能源转型与“双碳”目标背景下，住宅系统脱碳成为实现低碳目标的重要路径。燃料电池热电联供（FC-CHP）系统作为一种高效、低碳、灵活的分布式能源解决方案，近年来在家庭能源领域备受关注。

核心组件与燃料电池类型

FC-CHP系统主要包括电堆、燃料处理器、热回收装置和储能设备四个子系统。其中，固体氧化物燃料电池（SOFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其能够高效地将氢或含氢燃料的化学能直接转化为电能，成为当前和未来最具潜力的核心能量转换装置。

SOFC采用氧化钇稳定氧化锆（YSZ）作为电解质，镍基陶瓷作为催化剂，工作温度介于500°C至1000°C，发电效率可达50%–60%，具备燃料适应性强、排放低、热电综合效率高等优势。相比之下，PEMFC以质子交换膜为电解质，使用高活性铂基催化剂，工作温度通常低于200°C，具有启动快、能量密度高等特点，但对燃料纯度要求较高，催化剂成本昂贵。

燃料处理技术

燃料电池所用氢源通常来自天然气重整。蒸汽甲烷重整（SMR）是目前最主要的制氢方式，其通过与SOFC系统的高效集成，可实现能量闭环利用， exergy 效率高达95.5%。甲醇蒸汽重整（MSR）因反应温度低、氢气纯度高等特点，也逐步应用于高温PEMFC系统。此外，重整过程中产生的CO₂捕获是系统实现近零排放的关键，吸附、胺溶剂吸收、膜分离和低温分离是当前主流技术，其中吸附法因其设备简单、适用于间歇操作，更适用于住宅等小型应用场景。

热管理策略

高效的热管理对提升系统能效与耐久性至关重要。SOFC系统利用高温废热进行燃料与气流预热，结合内部重整与后燃烧热利用，形成三维热集成策略。PEMFC系统则通过多级换热实现从150°C至650°C的梯级能量回收。此外，有机朗肯循环（ORC）和热电发电机（TEG）技术可将50%的废热转化为电能，系统效率提升4–20%。

储能装置

为应对热电供需时序不匹配的问题，系统常配备多种储能设备。热水储罐成本低、技术成熟，适合短期储热；相变材料（PCM）储能密度高，适用于中高温热储存；锂离子电池响应快，适用于短时调频；氢能存储则具备跨季节储能能力，是实现高比例可再生能源消纳的关键技术，特别是金属氢化物储氢（MHHS）因其环境友好、容量大等特点备受关注。

复合能源系统集成

燃料电池与太阳能、风能等可再生能源的集成可显著提升系统灵活性与可持续性。光伏-燃料电池系统通过“光-电-热”协同转换，实现高效能源利用；光伏-风电-燃料电池系统则通过氢储能补偿可再生能源波动，提升供电可靠性；热泵与燃料电池的结合进一步优化了能源效率，系统碳排放可降至0.275 kg/kWh。

商业化进展与国际对比

日本、欧洲、美国等地区已在FC-CHP系统方面实现商业化运营，尤其是日本的ENE-FARM项目部署量超过50万套，系统寿命可达10年。中国SOFC产业仍处于从示范向商业化过渡阶段，虽然在材料、单电池制备与电堆组装方面取得初步突破，但在系统寿命、关键零部件产业链、政策支持等方面仍存在差距。

技术挑战与未来方向

燃料电池在迈向大规模应用过程中仍面临多项挑战：低温燃料电池耐久性受质子交换膜和催化剂随时间退化影响；高温燃料电池启动时间过长，预加热耗时从数十分钟到数小时不等；高温下材料稳定性下降、热应力积聚、碳沉积和电极中毒等问题也限制了系统寿命和可靠性。

未来研究应聚焦于燃料电池电堆长期运行的热传导机制、系统兼容与集成技术、以及运行策略的经济性分析，推动燃料电池热电联供系统在低碳能源体系中发挥更大作用。