燃料電池在建筑領域發(fā)展的研究

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摘要：燃料電池分布式多聯(lián)供技術是一種環(huán)保節(jié)能高效的新技術，在國外已有較為成熟的發(fā)展與運用，而國內的相關研究則起步較晚。通過重點論述燃料電池在國外的發(fā)展現(xiàn)狀及研究背景，進一步探究這一技術的市場發(fā)展前景。結合國外應用可知，現(xiàn)階段基于燃料電池的熱電聯(lián)產技術已基本成熟，在發(fā)電效率提升、能源利用等方面效果良好，但受到技術因素以及經濟因素的影響還未能實現(xiàn)大規(guī)模普及。結合實際情況討論了燃料電池技術在我國建筑領域的發(fā)展困境及解決方案。

關鍵詞：節(jié)能技術；燃料電池；建筑熱電聯(lián)產

引言

據(jù)報道，截至2016年，我國建筑能耗已經占到社會總能耗的33%，其中，建筑運行能耗主要來源于用戶的熱電需求。目前，國際上常利用節(jié)能技術、能源轉換、新能源應用等方法達到節(jié)能減排的目的?；谌剂想姵氐臒犭娐?lián)產系統(tǒng)（FC-CHP）是一種同時滿足3種方案的節(jié)能技術，它的主要燃料為氫氣。氫能是一種綠色二次能源，來源豐富，熱值大，而燃料電池是氫能理想的轉換設備，其產物只有水和少量的二氧化碳，十分清潔。燃料電池技術不僅可用于工業(yè)領域，它與微型熱電聯(lián)產系統(tǒng)相結合（m-CHP）用于住宅或小型商業(yè)建筑也將有效避免傳統(tǒng)集中式供能帶來的弊端，具有強大的市場發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1燃料電池冷熱電聯(lián)供技術

1.1燃料電池

燃料電池是一種主要透過氧或其他氧化劑進行氧化還原反應，把燃料中的化學能轉換成電能的發(fā)電裝置。作為第4電技術，它的優(yōu)點十分突出，無污染、高效率、適用廣、可以連續(xù)輸出且模塊性強，被認為是21世紀最有發(fā)展前景的高效清潔發(fā)電技術。燃料電池原理最早由英國物理學家WilliamGrove于1839年提出[1]，燃料電池的真正啟用是在20世紀60年代的美國航天領域，而后逐漸從這一特殊領域轉向實用化階段，結合目前國外研究，燃料電池技術在便攜式發(fā)電、航空航海、工業(yè)電站、汽車發(fā)電及建筑領域等方面均體現(xiàn)出巨大的市場應用潛力，隨著燃料電池相關技術的不斷升級，以及氫能利用系統(tǒng)的完善，勢必得到市場的青睞，進一步改變人們的生活。目前，燃料電池按電解質的不同主要分為以下5類，即質子交換膜燃料電池（PEMFC）、磷酸燃料電池(PAFC)、堿性燃料電池（AFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）以及固體氧化物燃料電池（SOFC）。其中，PEMFC由于其功率密度高、啟停能力好、工作溫度低等優(yōu)勢成為目前的發(fā)展主流。而SOFC則是燃料電池未來主要的發(fā)展方向之一，主要源于其更高的發(fā)電效率，結構簡單、穩(wěn)定性高、模塊性強、不需要貴金屬催化且燃料來源更廣泛。但目前SOFC面臨的技術難度則更大，如工作溫度高，對材料要求更多，影響產品的使用壽命且初期投資成本高[2]。

1.2燃料電池技術在冷熱電聯(lián)產系統(tǒng)的應用

燃料電池在緩解化石燃料造成的能源危機中效果明顯，基于燃料電池的冷熱電聯(lián)產（FC-CHP）技術可以最大限度發(fā)揮能源利用價值，目前，國內外也將這一領域的研究視為重點。不同種類的燃料電池應用也不同，國外主要用于大型公共項目、大學校區(qū)及工廠用電等領域。

1.3FC-CHP主要研究方向

燃料電池冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)共包含4個系統(tǒng)：燃料處理子系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、電力電子子系統(tǒng)、余熱回收子系統(tǒng)[3]。目前，國內外進行這一領域的技術研究并不只局限于燃料電池本身，主要從以下4個方面考慮：（1）系統(tǒng)集成研究，比如對于固體氧化物燃料，它的燃料來源豐富，如氣體(例如氫氣、合成氣和生物氣)、液體(例如甲醇、乙醇和甘油)和固體(碳和木質素)，當SOFC用于實現(xiàn)熱電聯(lián)產，學者基于不同的可再生能源燃料可以進行系統(tǒng)集成的研究，如SOFC-生物質混合系統(tǒng)、SOFC-風力混合系統(tǒng)、SOFC-太陽能混合系統(tǒng)等[4]。（2）熱力性能研究，研究內容主要以系統(tǒng)循環(huán)為切入點，針對各種能源利用指標進行的技術改良；（3）系統(tǒng)評價，主要包括經濟評價和環(huán)境評價，凸顯了FC-CHP的研究意義和研究價值；（4）系統(tǒng)優(yōu)化，優(yōu)化的目標主要還是圍繞系統(tǒng)熱力性能以及經濟性2方面展開[5]。

2國外發(fā)展情況

截至2015年，日本安裝的住宅微型熱電聯(lián)產系統(tǒng)的累計數(shù)量遠超其他國家，并且投產早于韓國歐洲，歐洲的燃料電池數(shù)量幾乎由德國所主導，目前，在這些項目和產品中PEMFC的聯(lián)供系統(tǒng)則遠多于SOFC[6]，但有報道稱，到2025年，SOFC全球市場份額將以30%的年復合增長率增至14.2億美元，這體現(xiàn)了SOFC良好的商業(yè)前景[7]。

2.1日本

日本在燃料電池領域處于世界領先水平，作為國土面積有限，能源匱乏，常年面臨地震威脅的國家，興辦大型集中式供電廠，因此，發(fā)展替代能源，圍繞家用領域開展對燃料電池的應用研究成為能源改革的切入點。日本1990年啟動了CHP研究開發(fā)與示范項目，開發(fā)了基于天然氣為燃料的1kW質子交換膜燃料電池熱電聯(lián)產系統(tǒng)，為住宅提供熱能和動力。這些CHP系統(tǒng)與燃料處理器集成，燃料處理器可以供應天然氣、液化石油氣（LPG）或煤油，此外，該設備可以提供最高溫度為60℃的熱水。Ene-Farm是日本于1990年開始組織開展的燃料電池研究和發(fā)展項目，如今已成為全世界最成功的燃料電池聯(lián)供系統(tǒng)應用項目。普及型PEFC產品于2002年由三洋電機公司所研發(fā)，該設備由電池本身及蓄熱槽2部分構成，它以城市煤氣為燃料，具有成本低、體積小、耐久性好的優(yōu)點，可滿足日本居民熱電需求。2004年，松下等公司也相繼研發(fā)出自己的燃料電池產品，由于技術成型，2005年燃料電池第一次進入日本家庭，Ene-Farm的發(fā)展目標分為3步，首先在2005年完成了50個熱電聯(lián)產系統(tǒng)在私人住宅的安裝使用，隨即在全國范圍開始進一步商業(yè)化發(fā)展，2009年建成3000臺基于PEMFC的聯(lián)供系統(tǒng)，截至2010年，Ene-Farm的累計出口產品數(shù)達到了13500臺。2011年，由于地震，核電站和火力發(fā)電廠嚴重受損，造成了嚴重的電力供應短缺，這促使政府維持對天然氣供應的熱電聯(lián)產系統(tǒng)的補貼。據(jù)報道，2012年，日本向所有與氫氣和燃料電池相關的研發(fā)項目提供了超過40億美元的國家補貼。在政府補貼的幫助下，到2012年底，安裝了25000多套熱電聯(lián)產裝置，到2014年底，熱電聯(lián)產裝置的年銷量為53000套，累計銷量為138000套。日本政府的長期目標是到2030年安裝530萬臺燃料電池[8-9]。

2.2美國

美國是燃料電池技術以及熱電聯(lián)產技術的最大市場之一，目前，主要運用于工業(yè)及商業(yè)建筑領域。截至2012年，13%的美國熱電聯(lián)產系統(tǒng)用于商業(yè)建筑和機構。2010年，美國已經達到超過82GW熱電聯(lián)產的裝機容量，相當于美國當前發(fā)電能力的8%，超過每年發(fā)電總功率的12%[10]。雖然美國現(xiàn)有的87%熱電聯(lián)產技術應用在工業(yè)領域，但熱電聯(lián)產技術日后也會在學校、醫(yī)院、地區(qū)能源系統(tǒng)以及軍事設施等領域得到良好的發(fā)展。ClearEdgePower已經銷售了5kW的住宅規(guī)模的FC-CHP系統(tǒng)，主要銷往加州市場，加州政府為其提供補貼以幫助抵消該系統(tǒng)的成本。

2.3德國

歐洲占世界安裝熱電聯(lián)產容量的11%。Ene-field方案(與日本方案Ene-Farm相呼應)是2013年啟動的歐洲范圍的m-CHP計劃，其目標是到2017年在歐洲聯(lián)盟12個成員國安裝大約1000個燃料電池m-CHP系統(tǒng)，預計費用為6950萬美元[11]。德國在2006年出臺了氫及燃料電池國家創(chuàng)新項目（NIP），NIP是德國政治、工業(yè)和科學的戰(zhàn)略聯(lián)盟，其目標是確保氫氣和燃料電池技術研發(fā)的繼續(xù)，同時解決市場化應用的問題，政府為初始產品提供必要的支持。德國聯(lián)邦交通、建筑和城市事務部，經濟技術部，教育研究部，環(huán)境、自然保護和核安全部在2007~2016年期間共同出資14億歐元支持NIP項目。2017年，德國聯(lián)邦運輸和數(shù)字基礎設施部（BMVI）在國家氫能和燃料電池技術創(chuàng)新計劃（NIP）的框架內為推進燃料電池在火車和船上的使用提供資金，BMVI撥款2.91億美元，到2019年，以支持氫氣和燃料電池技術在各個領域的研發(fā)。此外，德國聯(lián)邦經濟和能源部BMWI還擴大了資金來源。通過由國有開發(fā)銀行運營的“節(jié)能建筑和修復-燃料電池補貼”計劃對燃料電池供暖系統(tǒng)進行改造。最初僅限于業(yè)主，現(xiàn)在中小企業(yè)、承包商和市政部門均可以申請住宅和非住宅建筑的資金。所用的固體燃料電池加熱系統(tǒng)的輸出功率等級為0.25~5.0kW，每個系統(tǒng)可獲得政府補貼[12]。

2.4新加坡

新加坡一直面臨資源匱乏的問題，能源供應依賴進口現(xiàn)象嚴重。經濟和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展是社會發(fā)展的先決條件，因此，政府對節(jié)能環(huán)保非常重視，成立多個與環(huán)保相關的政府部門，同時，大力發(fā)展氫能技術應用，燃料電池作為氫能應用的關鍵技術也得到了發(fā)展。新加坡南洋理工大學（NTU）的燃料電池研究小組于2001年成立，以建立和發(fā)展燃料電池技術的核心能力，并通過合作研究和開發(fā)向工業(yè)界提供技術指導。該小組主要關注質子交換膜燃料電池（PEMFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）和氫相關技術，在處理各種容量的電池和各種應用方面具有經驗，包括為便攜式電子設備提供動力的微型燃料電池，備用發(fā)電機和運輸應用，以及兆瓦級電力和熱力發(fā)電系統(tǒng)的技術經濟評估。2014年，NTU宣布了該地區(qū)首個可再生能源集成示范微電網，該微電網測試了使用電解槽以氫或氫基燃料形式儲存可再生能源的燃氣發(fā)電技術[13]。

3我國研究進展及應用

我國正面臨著能源短缺和環(huán)境退化的雙重威脅。2017年，我國石油進口達4.2億噸，從海外進口占72.3%，為了改變能源結構，緩解能源短缺，我國急需發(fā)展新能源技術[14]。我國對燃料電池的研究因航天工業(yè)的需要始于1970年，后因國家戰(zhàn)略的調整基本停止?！熬盼濉币詠?，在政府部門的資助下，多所大學和研究機構將燃料電池技術的研究推向新的熱潮，我國目前市場應用主要體現(xiàn)在運輸動力上，建筑領域應用FC-CHP系統(tǒng)的相關研究也在進行[15]。在“十二五”期間，華中科技大學實現(xiàn)了國內首臺5kW級SOFC獨立發(fā)電系統(tǒng)的集成與初始運行[16]。我國學者在清華大學超低能耗示范樓項目中采用了SOFC燃料電池技術與市電互補作為能源系統(tǒng)中主要供電方式。其發(fā)電效率為43%，能源利用率可以達到85%。燃料電池的輸出功率為100kW，基本可以滿足70%負荷用電；通過回收裝置吸收的熱能，可以實現(xiàn)冬夏冷熱需求[17]。景銳[18]等研究了燃料電池用于公共建筑的可行性，結果表明在碳減排以及運行成本方面均有較好表現(xiàn)，但標準化發(fā)電成本高于其他技術，但考慮熱回收供能可以降低建筑用能成本，F(xiàn)C-CHP技術整體具有較高的市場發(fā)展?jié)摿?。從經濟角度出發(fā)，燃料電池市場化難以推行，目前主要問題是初投資較高，經濟性較差，經敏感度分析，當成本降低到現(xiàn)在的50%時，具有較好的投資吸引力。

4結語

FC-CHP技術是具有實際發(fā)展?jié)摿εc發(fā)展意義的，但該技術在現(xiàn)階段經濟性較差，難以獲得市場的認同，從國外的發(fā)展經驗可以認識到，要實現(xiàn)商業(yè)化發(fā)展，政府的投資、公共部門與私營公司的參與，以及國際間的合作都是十分重要的。除了上述因素外，也需要不斷通過技術優(yōu)化來提高燃料電池的市場競爭力，目前國內燃料電池熱電聯(lián)產系統(tǒng)的研究相較國外還不夠成熟，可用數(shù)據(jù)很少，可以根據(jù)來自實際測量數(shù)據(jù)進行的建模十分有限，只有當燃料電池市場進一步發(fā)展，擁有更多FC-CHP樣本時，來自這些系統(tǒng)安裝監(jiān)測的經驗和數(shù)據(jù)將使得實驗模型更加完善，從而推動相關研究?，F(xiàn)階段，相關學者可以對國內用能需求進行調研，明確燃料電池的市場運用價值，這將有利于確立FC-CHP的發(fā)展方向，從而加快我國在這一領域的應用與發(fā)展。

作者：畢文心 苑翔 趙飛 單位：北方工業(yè)大學