燃料電池在建筑領(lǐng)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(shù)是一種環(huán)保節(jié)能高效的新技術(shù)，在國外已有較為成熟的發(fā)展與運用，而國內(nèi)的相關(guān)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(shù)的市場發(fā)展前景。結(jié)合國外應(yīng)用可知，現(xiàn)階段基于燃料電池的熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)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(shù)因素以及經(jīng)濟因素的影響還未能實現(xiàn)大規(guī)模普及。結(jié)合實際情況討論了燃料電池技術(shù)在我國建筑領(lǐng)域的發(fā)展困境及解決方案。

關(guān)鍵詞：節(jié)能技術(shù)；燃料電池；建筑熱電聯(lián)產(chǎn)

引言

據(jù)報道，截至2016年，我國建筑能耗已經(jīng)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(shù)、能源轉(zhuǎn)換、新能源應(yīng)用等方法達到節(jié)能減排的目的。基于燃料電池的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)（FC-CHP）是一種同時滿足3種方案的節(jié)能技術(shù)，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(zhuǎn)換設(shè)備，其產(chǎn)物只有水和少量的二氧化碳，十分清潔。燃料電池技術(shù)不僅可用于工業(yè)領(lǐng)域，它與微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相結(jié)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(shù)

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(yīng)，把燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置。作為第4電技術(shù)，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(rèn)為是21世紀(jì)最有發(fā)展前景的高效清潔發(fā)電技術(shù)。燃料電池原理最早由英國物理學(xué)家WilliamGrove于1839年提出[1]，燃料電池的真正啟用是在20世紀(jì)60年代的美國航天領(lǐng)域，而后逐漸從這一特殊領(lǐng)域轉(zhuǎn)向?qū)嵱没A段，結(jié)合目前國外研究，燃料電池技術(shù)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(lǐng)域等方面均體現(xiàn)出巨大的市場應(yīng)用潛力，隨著燃料電池相關(guān)技術(shù)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?nèi)藗兊纳睢Ｄ壳埃剂想姵匕措娊赓|(zhì)的不同主要分為以下5類，即質(zhì)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(jié)構(gòu)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(shù)難度則更大，如工作溫度高，對材料要求更多，影響產(chǎn)品的使用壽命且初期投資成本高[2]。

1.2燃料電池技術(shù)在冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的應(yīng)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(chǎn)（FC-CHP）技術(shù)可以最大限度發(fā)揮能源利用價值，目前，國內(nèi)外也將這一領(lǐng)域的研究視為重點。不同種類的燃料電池應(yīng)用也不同，國外主要用于大型公共項目、大學(xué)校區(qū)及工廠用電等領(lǐng)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(nèi)外進行這一領(lǐng)域的技術(shù)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(zhì)素)，當(dāng)SOFC用于實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，學(xué)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(zhì)混合系統(tǒng)、SOFC-風(fēng)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(nèi)容主要以系統(tǒng)循環(huán)為切入點，針對各種能源利用指標(biāo)進行的技術(shù)改良；（3）系統(tǒng)評價，主要包括經(jīng)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(biāo)主要還是圍繞系統(tǒng)熱力性能以及經(jīng)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(chǎn)系統(tǒng)的累計數(shù)量遠超其他國家，并且投產(chǎn)早于韓國歐洲，歐洲的燃料電池數(shù)量幾乎由德國所主導(dǎo)，目前，在這些項目和產(chǎn)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(fù)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(lǐng)域處于世界領(lǐng)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(lǐng)域開展對燃料電池的應(yīng)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(zhì)子交換膜燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)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(yīng)天然氣、液化石油氣（LPG）或煤油，此外，該設(shè)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(yīng)用項目。普及型PEFC產(chǎn)品于2002年由三洋電機公司所研發(fā)，該設(shè)備由電池本身及蓄熱槽2部分構(gòu)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(chǎn)品，由于技術(shù)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(biāo)分為3步，首先在2005年完成了50個熱電聯(lián)產(chǎn)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(chǎn)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(yán)重受損，造成了嚴(yán)重的電力供應(yīng)短缺，這促使政府維持對天然氣供應(yīng)的熱電聯(lián)產(chǎn)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(guān)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(chǎn)裝置，到2014年底，熱電聯(lián)產(chǎn)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(biāo)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(shù)以及熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的最大市場之一，目前，主要運用于工業(yè)及商業(yè)建筑領(lǐng)域。截至2012年，13%的美國熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)用于商業(yè)建筑和機構(gòu)。2010年，美國已經(jīng)達到超過82GW熱電聯(lián)產(chǎn)的裝機容量，相當(dāng)于美國當(dāng)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(chǎn)技術(shù)應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，但熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)日后也會在學(xué)校、醫(yī)院、地區(qū)能源系統(tǒng)以及軍事設(shè)施等領(lǐng)域得到良好的發(fā)展。ClearEdgePower已經(jīng)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(chǎn)容量的11%。Ene-field方案(與日本方案Ene-Farm相呼應(yīng))是2013年啟動的歐洲范圍的m-CHP計劃，其目標(biāo)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(yù)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(xué)的戰(zhàn)略聯(lián)盟，其目標(biāo)是確保氫氣和燃料電池技術(shù)研發(fā)的繼續(xù)，同時解決市場化應(yīng)用的問題，政府為初始產(chǎn)品提供必要的支持。德國聯(lián)邦交通、建筑和城市事務(wù)部，經(jīng)濟技術(shù)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(chǔ)設(shè)施部（BMVI）在國家氫能和燃料電池技術(shù)創(chuàng)新計劃（NIP）的框架內(nèi)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(shù)在各個領(lǐng)域的研發(fā)。此外，德國聯(lián)邦經(jīng)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(fù)-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(yīng)依賴進口現(xiàn)象嚴(yán)重。經(jīng)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(guān)的政府部門，同時，大力發(fā)展氫能技術(shù)應(yīng)用，燃料電池作為氫能應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)也得到了發(fā)展。新加坡南洋理工大學(xué)（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(shù)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(shù)指導(dǎo)。該小組主要關(guān)注質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）和氫相關(guān)技術(shù)，在處理各種容量的電池和各種應(yīng)用方面具有經(jīng)驗，包括為便攜式電子設(shè)備提供動力的微型燃料電池，備用發(fā)電機和運輸應(yīng)用，以及兆瓦級電力和熱力發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)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(wǎng)，該微電網(wǎng)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(shù)[13]。

3我國研究進展及應(yīng)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(jié)構(gòu)，緩解能源短缺，我國急需發(fā)展新能源技術(shù)[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(diào)整基本停止。“九五”以來，在政府部門的資助下，多所大學(xué)和研究機構(gòu)將燃料電池技術(shù)的研究推向新的熱潮，我國目前市場應(yīng)用主要體現(xiàn)在運輸動力上，建筑領(lǐng)域應(yīng)用FC-CHP系統(tǒng)的相關(guān)研究也在進行[15]。在“十二五”期間，華中科技大學(xué)實現(xiàn)了國內(nèi)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(xué)者在清華大學(xué)超低能耗示范樓項目中采用了SOFC燃料電池技術(shù)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(jié)果表明在碳減排以及運行成本方面均有較好表現(xiàn)，但標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)電成本高于其他技術(shù)，但考慮熱回收供能可以降低建筑用能成本，F(xiàn)C-CHP技術(shù)整體具有較高的市場發(fā)展?jié)摿Α慕?jīng)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(jīng)濟性較差，經(jīng)敏感度分析，當(dāng)成本降低到現(xiàn)在的50%時，具有較好的投資吸引力。

4結(jié)語

FC-CHP技術(shù)是具有實際發(fā)展?jié)摿εc發(fā)展意義的，但該技術(shù)在現(xiàn)階段經(jīng)濟性較差，難以獲得市場的認(rèn)同，從國外的發(fā)展經(jīng)驗可以認(rèn)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(shù)優(yōu)化來提高燃料電池的市場競爭力，目前國內(nèi)燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)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(dāng)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(jīng)驗和數(shù)據(jù)將使得實驗?zāi)Ｐ透油晟疲瑥亩苿酉嚓P(guān)研究。現(xiàn)階段，相關(guān)學(xué)者可以對國內(nèi)用能需求進行調(diào)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(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。

作者：畢文心 苑翔 趙飛 單位：北方工業(yè)大學(xué)