1、燃料電池在建筑冷熱電聯(lián)供中的工程應(yīng)用同濟(jì)大學(xué)樓宇設(shè)備工程與管理系 孟華， 同濟(jì)大學(xué)中德工程學(xué)院 龍惟定摘 要：燃料電池的研究應(yīng)用既包括燃料電池汽車的研發(fā)，也包括其作為分布式能源和建筑冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的研建，而且據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，后者實(shí)現(xiàn)商業(yè)化需克服的困難較前者要小，因此，事實(shí)上燃料電池的發(fā)展趨勢是建筑冷熱電聯(lián)供，它極可能發(fā)展成為供熱供冷系統(tǒng)主要的能源方式之一。本文通過對發(fā)達(dá)國家利用燃料電池實(shí)現(xiàn)建筑冷熱電聯(lián)供工程應(yīng)用的回顧，表明我國應(yīng)該積極研發(fā)燃料電池用于建筑的技術(shù)，這對緩解國家能源供需矛盾、減少環(huán)境污染、提高能源安全性都大有裨益。關(guān)鍵詞：燃料電池，建筑，冷熱電聯(lián)供41 引言燃料電池具有高效、環(huán)保、安靜

2、無噪聲、實(shí)際使用方便、啟停靈活、負(fù)荷響應(yīng)速度快、負(fù)荷調(diào)節(jié)能力強(qiáng)、燃料來源廣等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是21世紀(jì)最有吸引力的新能源之一。當(dāng)前，幾乎所有發(fā)達(dá)國家都在投入巨資研究開發(fā)燃料電池技術(shù)，我國也不例外，并已建成了相應(yīng)的燃料電池示范交通工具。但是，總結(jié)目前國內(nèi)外對燃料電池汽車的研究成果都還限于概念車和樣車的階段，其發(fā)展尚面臨很多瓶頸1,2。而事實(shí)上，燃料電池的應(yīng)用，除了用于移動(dòng)式作為汽車動(dòng)力和便攜式作為手機(jī)、筆記本電腦等移動(dòng)便攜式設(shè)備的電源外，還可以用于固定式也稱為“站式”，即用于樓宇和區(qū)域的冷熱電聯(lián)供上。表13是美國能源部在2003年提交美國國會(huì)的燃料電池報(bào)告中關(guān)于各種燃料電池實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的障礙分析，從該

3、分析可以看出，相對燃料電池汽車而言，燃料電池用于固定式（站式、分布式）能源實(shí)現(xiàn)商業(yè)化需克服的困難要小一些。目前在國外，燃料電池的研究既包括燃料電池汽車的研發(fā)，也包括燃料電池作為分布式能源和建筑冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)用的研究及示范，相對汽車而言，燃料電池在建筑冷熱電聯(lián)供中的應(yīng)用已到了實(shí)用階段，日本、美國和歐洲都有一些有相當(dāng)規(guī)模的區(qū)域的或樓宇的供冷供熱示范項(xiàng)目使用了燃料電池技術(shù)。2 燃料電池用于建筑冷熱電聯(lián)供的工程實(shí)例由燃料電池本體及輔助裝置構(gòu)成燃料電池系統(tǒng)。燃料品種不同，燃料電池種類不同，應(yīng)用場合不同，則燃料電池系統(tǒng)也大相徑庭。燃料電池系統(tǒng)通常包括燃料預(yù)處理、空氣（氧）供給、燃料電池堆、熱量管理裝置、

4、水量管理裝置、電壓變換調(diào)整裝置和自動(dòng)控制裝置等各種子系統(tǒng)。幾乎所有發(fā)達(dá)國家都投入巨資研究開發(fā)燃料電池技術(shù)并研建示范工程項(xiàng)目。美國、日本、加拿大、德國等國處于領(lǐng)先地位。美國已有數(shù)萬臺(tái)燃料電池發(fā)電站用于賓館、醫(yī)院及居民小區(qū)進(jìn)行熱電聯(lián)供。燃料電池的一大優(yōu)點(diǎn)就是其發(fā)電效率不隨規(guī)模的變化而變化，從幾千瓦級(jí)到幾兆瓦級(jí)的燃料電池其效率完全一樣。早期開發(fā)的燃料電池?zé)犭娬景l(fā)電出力在幾百kW到1、2MW，適合放置于建筑物現(xiàn)場或附近進(jìn)行冷熱電聯(lián)供；而較大的分散型熱電站（1到10MW）則適于分布式供能。由美國UTC公司研發(fā)、日本Toshiba和意大利Ansaldo SpA公司合作參與的200kW級(jí)PAFC熱電站（PC

5、-25）是世界上第一臺(tái)進(jìn)入商業(yè)市場的燃料電池4，已被作為示范產(chǎn)品用于醫(yī)院、賓館、大型辦公樓、工廠及廢水處理廠等各種場合。其主要運(yùn)行參數(shù)為：燃料為天然氣（-3045)；發(fā)電出力0200kW；輸出電壓480/277v（60Hz），輸出電壓400/230v（50Hz）；熱電聯(lián)產(chǎn)熱能輸出為369,000 kJ/h（120）和369,000 kJ/h（60）；發(fā)電并網(wǎng)并可獲得返稅；功率因數(shù)0.851.0，運(yùn)行中無負(fù)荷超載；外形尺寸3m3m5.5m；重量17,230kg。表1 燃料電池商業(yè)化的障礙3應(yīng)用發(fā)展障礙解決的困難程度交通用成本高耐久性高燃料基礎(chǔ)設(shè)施高氫的儲(chǔ)存高站式，分布式能源成本高耐久性中高燃料基

6、礎(chǔ)設(shè)施低燃料儲(chǔ)存（可再生氫）中便攜式成本中耐久性中系統(tǒng)的小型化高燃料和燃料包裝中圖1 PAFC示范項(xiàng)目中污染物排放量與L.A.盆地標(biāo)準(zhǔn)的對比5截止到2002年8月，所有PC-25累計(jì)共運(yùn)行了530萬小時(shí)，運(yùn)行可靠率超過95，其基于低位熱值的發(fā)電效率達(dá)40%，熱電聯(lián)產(chǎn)總效率近80%15。項(xiàng)目運(yùn)行證實(shí)PAFC排熱可用于生活熱水、低壓蒸汽和采暖。其中連續(xù)運(yùn)行時(shí)間最長的是東京煤氣公司出資興建用于日本一家辦公樓的PAFC項(xiàng)目，總運(yùn)行時(shí)間達(dá)9500小時(shí)，到停機(jī)大修時(shí)燃料電池本體的壽命已有57年。這些PC-25可以天然氣、丙烷、丁烷、垃圾廢氣、氫氣、沼氣等作為燃料供給，空氣污染率極低（見圖1）。位于美國康湟

7、狄格南溫莎的PC-25總占地面積80000平方英尺，模塊化安裝，低成本高自動(dòng)化控制。另外，1997年在美國能源部支助下，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)完成了對匹茲堡市CNG大廈的能源系統(tǒng)改造方案6。該大廈為市第7大建筑，總占地面積623,000平方英尺，是一幢32層高的現(xiàn)代化辦公樓，大廈采用從電網(wǎng)購電用于大樓的照明、通風(fēng)、空調(diào)、辦公設(shè)備、生活熱水及電梯等，而使用天然氣采暖，大廈內(nèi)設(shè)有一臺(tái)700kW的燃油內(nèi)燃機(jī)作為備用電源，空調(diào)冷源是兩臺(tái)YORK750RT的蒸汽壓縮冷水機(jī)組，熱源為兩臺(tái)2450kW的燃?xì)忮仩t。圖2 采用燃料電池冷熱電聯(lián)供對CNG大廈進(jìn)行節(jié)能改造的方案示意圖圖3 愛知世博會(huì)50MW級(jí)MCFC燃料電

8、池?zé)犭娧b置模型圖10現(xiàn)用燃料電池冷熱電聯(lián)供對原有系統(tǒng)進(jìn)行改造，見圖2，選用ONSI PC25C磷酸型燃料電池作為大廈的供電設(shè)備，其發(fā)電出力為200 kW，整個(gè)系統(tǒng)選用相應(yīng)的設(shè)備，共設(shè)計(jì)了3種改造方案：方案一：FC用于滿足大廈用電基本負(fù)荷，連續(xù)運(yùn)行，不足電量由電網(wǎng)補(bǔ)充，事故時(shí)由備用電源供給；其排熱用于采暖，多余熱量經(jīng)冷卻塔散出；采用原電制冷機(jī)；方案二：FC用于滿足大廈用電平均負(fù)荷，平日上班時(shí)連續(xù)運(yùn)行，周末據(jù)負(fù)荷情況而定，不足電量由電網(wǎng)補(bǔ)充，多余電量給蓄電池充電，事故時(shí)由備用電源供給；其排熱一部分用于采暖，多余熱量經(jīng)冷卻塔散出；另一部分用于吸收式制冷機(jī)，冷量不足的由電制冷機(jī)補(bǔ)充；方案三：FC用于滿

9、足大廈用電尖峰負(fù)荷，運(yùn)行狀況視大廈負(fù)荷情況而定，多余電量給蓄電池充電，事故時(shí)由備用電源供給，無需連接市政電網(wǎng)；其排熱一部分用于采暖，多余熱量經(jīng)冷卻塔散出；另一部分用于吸收式制冷機(jī)，冷量不足的由電制冷機(jī)補(bǔ)充。經(jīng)過詳細(xì)對比分析計(jì)算，發(fā)現(xiàn)方案三費(fèi)用最高、系統(tǒng)運(yùn)行效率最低，尤其當(dāng)它在不滿1/2尖峰負(fù)荷狀況下運(yùn)行時(shí)，其排熱溫度根本無法用于建筑采暖和制冷；而方案二則具有一定優(yōu)勢，燃料電池可以連續(xù)工作，白天為建筑供電，夜晚為蓄電池充電，后者可在白天電力負(fù)荷較高時(shí)補(bǔ)充FC的供電不足，其連續(xù)排熱可為建筑同時(shí)供冷和供熱；相比之下，方案一費(fèi)用最低，系統(tǒng)效率最高。分析報(bào)告最后認(rèn)為，采用燃料電池?zé)犭娎渎?lián)供可以在大型辦公

10、樓內(nèi)實(shí)現(xiàn)年節(jié)約一次能20以上，同時(shí)還具有NOx及SO2等排放物極低的環(huán)保優(yōu)勢。此外，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)建筑性能與診斷中心03年計(jì)劃在校園內(nèi)建成一座分布式冷熱電聯(lián)供的示范教學(xué)辦公樓7，該建筑的電由250kW的SOFC提供，其主要特性參數(shù)為：總發(fā)電量扣除燃料電池電力系統(tǒng)用電量后的凈直流發(fā)電量為226kW，凈低位熱值發(fā)電效率為46，燃料流量45.4kg/h，空氣流量0.73kg/s，廢氣排量2340kg/h，廢氣溫度755，進(jìn)氣溫度500550，廢氣余熱回收后熱水/蒸汽流量150kW。由SOFC電池堆排出的755的廢氣先經(jīng)熱回收裝置轉(zhuǎn)換為315的廢氣，然后送入余熱鍋爐生產(chǎn)出總熱量為150kW的蒸汽或熱水

11、供建筑使用。同時(shí)，該蒸汽和熱水也用于驅(qū)動(dòng)吸收式制冷機(jī)或吸附式制冷機(jī)，為建筑提供冷量。而當(dāng)SOFC產(chǎn)生的電和熱不能完全滿足建筑需要時(shí)，則分別從電網(wǎng)供電和從蒸汽管網(wǎng)供蒸汽。鑒于燃料電池能源系統(tǒng)非常復(fù)雜，可以有多種組合方式，因此必須尋找其中系統(tǒng)能效最高、經(jīng)濟(jì)效益最好的方式，這些工作必須在大樓系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前完成。與此同時(shí)，美國GenCell公司正在開發(fā)40100kW級(jí)MCFC燃料電池用于分布式供能，05年年初該公司建成了40kW級(jí)MCFC發(fā)電裝置8，采用管道天然氣供給燃料，其發(fā)電系統(tǒng)與市政電網(wǎng)相連，系統(tǒng)產(chǎn)生的熱電供給位于Connecticut大學(xué)內(nèi)的“CT全球燃料電池中心”使用。除美國外，歐洲也正努力建

12、成燃料電池在建筑方面的應(yīng)用示范項(xiàng)目。CLC公司是歐洲PAFC系統(tǒng)和熱電廠的主要開發(fā)生產(chǎn)商。CLC公司獲得了在歐洲生產(chǎn)和銷售200千瓦PC25型熱電廠的獨(dú)占性技術(shù)許可，它利用ONSI的技術(shù)，根據(jù)歐洲技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和要求，開發(fā)和生產(chǎn)適合于歐洲的現(xiàn)場聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)。其200千瓦PC25熱電廠的主要特點(diǎn)：以天然氣為燃料，也可用丙烷氣或氫為燃料；發(fā)電效率為40；熱利用方面，可獲得37-81的熱水；廢氣排放小于1ppm。該公司設(shè)計(jì)和提供了世界上第一個(gè)以氫為燃料的磷酸型燃料電池電廠，目前正在研究這類燃料電池在生物質(zhì)能和垃圾汽化工藝中的應(yīng)用。1998年7月，該公司提供的以氫或天然氣為燃料的電廠及其部件或設(shè)備，已經(jīng)得到

13、ISO9001質(zhì)量認(rèn)證。CLC公司為用戶建設(shè)以天然氣或氫氣為燃料的200千瓦的PAFC電廠，提供電廠設(shè)備及技術(shù)服務(wù)。目前歐洲建立的PC25型熱電廠已達(dá)21個(gè)，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間34.9萬小時(shí)，發(fā)電5.4萬兆瓦小時(shí)，有2個(gè)電廠的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間超過3700小時(shí)，單個(gè)熱電廠的最長連續(xù)運(yùn)行時(shí)間達(dá)5721小時(shí)。CLC公司的近期目標(biāo)是將生產(chǎn)成本從目前的每千瓦約3000-4000美元降低到每千瓦2000美元。德國采用加拿大Ballard公司技術(shù)，建成了250kW的PEMFC熱電聯(lián)供電站9。由德國MTU公司與RWE公司合資開發(fā)的200kW3MW級(jí)MCFC燃料電池裝置，被命名為“熱模”，是在美國燃料電池能源公司技術(shù)基礎(chǔ)

14、上研究的，目前該公司燃料電池示范裝置已累計(jì)成功運(yùn)行26000h，其中在2005年Ahlen市政污水處理熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目10,11中的200kW級(jí)MCFC裝置已經(jīng)運(yùn)行了1600h，它以厭氧氣體作為燃料供給，是歐洲第一臺(tái)采用生物氣體進(jìn)行燃料電池發(fā)電的可再生技術(shù)，運(yùn)行效果令人鼓舞。此外，荷蘭也于97年底建成并開始運(yùn)行100kW級(jí)SOFC熱電聯(lián)供裝置，可為電網(wǎng)提供109kW的電力，同時(shí)為該地區(qū)的供熱系統(tǒng)提供63kW熱量，到2000年底，該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間超過16000h，發(fā)電效率46，熱電綜合效率約8012。1995年，由意大利米蘭市能源公司、Ansaldo公司、ENEA聯(lián)合設(shè)計(jì)和建設(shè)的以甲烷為燃料的1.3兆

15、瓦的磷酸型燃料電池?zé)犭姀S在米蘭市Bicocca技術(shù)園區(qū)竣工發(fā)電13。這是歐洲建成的第一座1.3兆瓦PAFC電廠。熱電站由燃料處理系統(tǒng)、空氣處理系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、電化學(xué)模塊冷卻系統(tǒng)、熱彌散系統(tǒng)和功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成。電站技術(shù)指標(biāo)為：直流電功率1340千瓦，交流電總功率1280千瓦，電壓23千伏，諧波畸變小于3。燃料電池的技術(shù)指標(biāo)為：電壓0.73伏，電流200毫安/平方厘米，電極面積0.95平方米，工作壓力8.3巴。該電站運(yùn)行狀況良好，符合意大利的環(huán)境和安全標(biāo)準(zhǔn)。1999年意大利在米蘭建成了由Ansaldo公司開發(fā)的100kW級(jí)MCFC燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)項(xiàng)目10，目前該公司正在研發(fā)500kW5MW級(jí)的

16、MCFC燃料電池裝置，并于06或07年興建大容量燃料電池用于固定（站式）項(xiàng)目的示范工程，而且計(jì)劃到08年將占據(jù)全球MCFC20%的商業(yè)市場份額。據(jù)意大利專家分析，到2010年，意大利燃料電池市場預(yù)計(jì)在4000-15000兆瓦之間，主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)殡娏?-50兆瓦的電站、居民和工業(yè)用20-200千瓦的小規(guī)模的“熱電聯(lián)產(chǎn)”系統(tǒng)和交通車輛。日本在燃料電池的開發(fā)應(yīng)用方面也起步較早，運(yùn)行中的PAFC電站約100座，總?cè)萘?0MW以上，比如五井電廠11MW級(jí)PAFC發(fā)電裝置是世界上較大的燃料電池發(fā)電站。其在2005年愛知世博會(huì)上，除了采用燃料電池混合動(dòng)力巴士作為專用的公共交通工具外，還在長久手政府館、電

17、力館和燃?xì)怵^中都采用了燃料電池發(fā)電裝置，包括MCFC型250kW的燃料電池共2臺(tái)（圖3），PAFC型200kW共4臺(tái)，SOFC型40kW1臺(tái)，發(fā)電容量共計(jì)1340kW14。其中，設(shè)置于長久手政府館的燃料電池系統(tǒng)，其發(fā)電專供該館和日本NEDO展示館使用，其燃料電池排熱均可用于吸收式制冷機(jī)供冷，也可用于提供熱水。電力館又稱“奇趣電力館”，是日本電氣事業(yè)聯(lián)合會(huì)舉辦的展館，其中設(shè)有由發(fā)電能力為40kW的平板型固體氧化物燃料電池(SOFC)所構(gòu)成的熱電聯(lián)產(chǎn)裝置，熱出力為40kW，燃料采用城市燃?xì)猓l(fā)電效率為42 ，其余熱引入熱水型吸收式冷熱水機(jī)組，供部分管理部門房間的FCU使用。考慮由于世博會(huì)期間整個(gè)會(huì)

18、場內(nèi)有大量生活垃圾產(chǎn)生，因此在新能源展區(qū)設(shè)置了垃圾處理裝置，可直接產(chǎn)生甲烷用作MCFC燃料電池發(fā)電設(shè)備的燃料，其發(fā)生量為912m3/d；此外，會(huì)場建筑時(shí)剩下的費(fèi)木材以及觀眾用過的PET飲料瓶也經(jīng)過高溫氣化裝置在1200的高溫作用下產(chǎn)生氫氣和CO，這些氣體也用作MCFC燃料電池的燃料供給，這樣做也解決了部分燃料電池的燃料供給問題。3 結(jié)論綜上所述，燃料電池發(fā)電高效、環(huán)保，有可能發(fā)展成為本世紀(jì)最主要的供電方式之一。目前，無論在美國，還是在歐洲和日本，燃料電池的研究都既包括燃料電池汽車的研發(fā)，也包括燃料電池作為分布式能源和建筑熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)用的研究及示范，與發(fā)達(dá)國家相比，我國燃料電池研究水平還較低，總體處于科研階段，離實(shí)用化、商業(yè)化應(yīng)用還有較大差距，而且當(dāng)前的研究還主要集中于燃料電池作為汽車動(dòng)力的研發(fā)，但事實(shí)上燃料電池的發(fā)展趨勢是建筑冷熱電聯(lián)供，它極可能發(fā)展成為供熱供冷系統(tǒng)主要的能源方式之一，因此我們應(yīng)該積極研發(fā)燃料電池用于建筑的技術(shù)，這對緩解國家能源供需矛盾、減少環(huán)境污染、提高能源安全性都大有裨益。（參考文獻(xiàn)略）