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1、燃料電池在建筑冷熱電聯供中的工程應用同濟大學樓宇設備工程與管理系 孟華， 同濟大學中德工程學院 龍惟定摘 要：燃料電池的研究應用既包括燃料電池汽車的研發，也包括其作為分布式能源和建筑冷熱電聯供系統的研建，而且據研究發現，后者實現商業化需克服的困難較前者要小，因此，事實上燃料電池的發展趨勢是建筑冷熱電聯供，它極可能發展成為供熱供冷系統主要的能源方式之一。本文通過對發達國家利用燃料電池實現建筑冷熱電聯供工程應用的回顧，表明我國應該積極研發燃料電池用于建筑的技術，這對緩解國家能源供需矛盾、減少環境污染、提高能源安全性都大有裨益。關鍵詞：燃料電池，建筑，冷熱電聯供41 引言燃料電池具有高效、環保、安靜2、無噪聲、實際使用方便、啟停靈活、負荷響應速度快、負荷調節能力強、燃料來源廣等優點，被認為是21世紀最有吸引力的新能源之一。當前，幾乎所有發達國家都在投入巨資研究開發燃料電池技術，我國也不例外，并已建成了相應的燃料電池示范交通工具。但是，總結目前國內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，其發展尚面臨很多瓶頸1,2。而事實上，燃料電池的應用，除了用于移動式作為汽車動力和便攜式作為手機、筆記本電腦等移動便攜式設備的電源外，還可以用于固定式也稱為“站式”，即用于樓宇和區域的冷熱電聯供上。表13是美國能源部在2003年提交美國國會的燃料電池報告中關于各種燃料電池實現商業化的障礙分析，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）能源實現商業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，也包括燃料電池作為分布式能源和建筑冷熱電聯供系統應用的研究及示范，相對汽車而言，燃料電池在建筑冷熱電聯供中的應用已到了實用階段，日本、美國和歐洲都有一些有相當規模的區域的或樓宇的供冷供熱示范項目使用了燃料電池技術。2 燃料電池用于建筑冷熱電聯供的工程實例由燃料電池本體及輔助裝置構成燃料電池系統。燃料品種不同，燃料電池種類不同，應用場合不同，則燃料電池系統也大相徑庭。燃料電池系統通常包括燃料預處理、空氣（氧）供給、燃料電池堆、熱量管理裝置、4、水量管理裝置、電壓變換調整裝置和自動控制裝置等各種子系統。幾乎所有發達國家都投入巨資研究開發燃料電池技術并研建示范工程項目。美國、日本、加拿大、德國等國處于領先地位。美國已有數萬臺燃料電池發電站用于賓館、醫院及居民小區進行熱電聯供。燃料電池的一大優點就是其發電效率不隨規模的變化而變化，從幾千瓦級到幾兆瓦級的燃料電池其效率完全一樣。早期開發的燃料電池熱電站發電出力在幾百kW到1、2MW，適合放置于建筑物現場或附近進行冷熱電聯供；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、日本Toshiba和意大利Ansaldo SpA公司合作參與的200kW級PAFC熱電站（PC5、-25）是世界上第一臺進入商業市場的燃料電池4，已被作為示范產品用于醫院、賓館、大型辦公樓、工廠及廢水處理廠等各種場合。其主要運行參數為：燃料為天然氣（-3045)；發電出力0200kW；輸出電壓480/277v（60Hz），輸出電壓400/230v（50Hz）；熱電聯產熱能輸出為369,000 kJ/h（120）和369,000 kJ/h（60）；發電并網并可獲得返稅；功率因數0.851.0，運行中無負荷超載；外形尺寸3m3m5.5m；重量17,230kg。表1 燃料電池商業化的障礙3應用發展障礙解決的困難程度交通用成本高耐久性高燃料基礎設施高氫的儲存高站式，分布式能源成本高耐久性中高燃料基6、礎設施低燃料儲存（可再生氫）中便攜式成本中耐久性中系統的小型化高燃料和燃料包裝中圖1 PAFC示范項目中污染物排放量與L.A.盆地標準的對比5截止到2002年8月，所有PC-25累計共運行了530萬小時，運行可靠率超過95，其基于低位熱值的發電效率達40%，熱電聯產總效率近80%15。項目運行證實PAFC排熱可用于生活熱水、低壓蒸汽和采暖。其中連續運行時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項目，總運行時間達9500小時，到停機大修時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，低成本高自動化控制。另外，1997年在美國能源部支助下，卡內基梅隆大學完成了對匹茲堡市CNG大廈的能源系統改造方案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層高的現代化辦公樓，大廈采用從電網購電用于大樓的照明、通風、空調、辦公設備、生活熱水及電梯等，而使用天然氣采暖，大廈內設有一臺700kW的燃油內燃機作為備用電源，空調冷源是兩臺YORK750RT的蒸汽壓縮冷水機組，熱源為兩臺2450kW的燃氣鍋爐。圖2 采用燃料電池冷熱電聯供對CNG大廈進行節能改造的方案示意圖圖3 愛知世博會50MW級MCFC燃料電8、池熱電裝置模型圖10現用燃料電池冷熱電聯供對原有系統進行改造，見圖2，選用ONSI PC25C磷酸型燃料電池作為大廈的供電設備，其發電出力為200 kW，整個系統選用相應的設備，共設計了3種改造方案：方案一：FC用于滿足大廈用電基本負荷，連續運行，不足電量由電網補充，事故時由備用電源供給；其排熱用于采暖，多余熱量經冷卻塔散出；采用原電制冷機；方案二：FC用于滿足大廈用電平均負荷，平日上班時連續運行，周末據負荷情況而定，不足電量由電網補充，多余電量給蓄電池充電，事故時由備用電源供給；其排熱一部分用于采暖，多余熱量經冷卻塔散出；另一部分用于吸收式制冷機，冷量不足的由電制冷機補充；方案三：FC用于滿9、足大廈用電尖峰負荷，運行狀況視大廈負荷情況而定，多余電量給蓄電池充電，事故時由備用電源供給，無需連接市政電網；其排熱一部分用于采暖，多余熱量經冷卻塔散出；另一部分用于吸收式制冷機，冷量不足的由電制冷機補充。經過詳細對比分析計算，發現方案三費用最高、系統運行效率最低，尤其當它在不滿1/2尖峰負荷狀況下運行時，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勢，燃料電池可以連續工作，白天為建筑供電，夜晚為蓄電池充電，后者可在白天電力負荷較高時補充FC的供電不足，其連續排熱可為建筑同時供冷和供熱；相比之下，方案一費用最低，系統效率最高。分析報告最后認為，采用燃料電池熱電冷聯供可以在大型辦公10、樓內實現年節約一次能20以上，同時還具有NOx及SO2等排放物極低的環保優勢。此外，卡內基梅隆大學建筑性能與診斷中心03年計劃在校園內建成一座分布式冷熱電聯供的示范教學辦公樓7，該建筑的電由250kW的SOFC提供，其主要特性參數為：總發電量扣除燃料電池電力系統用電量后的凈直流發電量為226kW，凈低位熱值發電效率為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的廢氣先經熱回收裝置轉換為315的廢氣，然后送入余熱鍋爐生產出總熱量為150kW的蒸汽或熱水11、供建筑使用。同時，該蒸汽和熱水也用于驅動吸收式制冷機或吸附式制冷機，為建筑提供冷量。而當SOFC產生的電和熱不能完全滿足建筑需要時，則分別從電網供電和從蒸汽管網供蒸汽。鑒于燃料電池能源系統非常復雜，可以有多種組合方式，因此必須尋找其中系統能效最高、經濟效益最好的方式，這些工作必須在大樓系統設計之前完成。與此同時，美國GenCell公司正在開發40100kW級MCFC燃料電池用于分布式供能，05年年初該公司建成了40kW級MCFC發電裝置8，采用管道天然氣供給燃料，其發電系統與市政電網相連，系統產生的熱電供給位于Connecticut大學內的“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用示范項目。CLC公司是歐洲PAFC系統和熱電廠的主要開發生產商。CLC公司獲得了在歐洲生產和銷售200千瓦PC25型熱電廠的獨占性技術許可，它利用ONSI的技術，根據歐洲技術標準和要求，開發和生產適合于歐洲的現場聯合發電系統。其200千瓦PC25熱電廠的主要特點：以天然氣為燃料，也可用丙烷氣或氫為燃料；發電效率為40；熱利用方面，可獲得37-81的熱水；廢氣排放小于1ppm。該公司設計和提供了世界上第一個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能和垃圾汽化工藝中的應用。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備，已經得到13、ISO9001質量認證。CLC公司為用戶建設以天然氣或氫氣為燃料的200千瓦的PAFC電廠，提供電廠設備及技術服務。目前歐洲建立的PC25型熱電廠已達21個，累計運行時間34.9萬小時，發電5.4萬兆瓦小時，有2個電廠的累計運行時間超過3700小時，單個熱電廠的最長連續運行時間達5721小時。CLC公司的近期目標是將生產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，建成了250kW的PEMFC熱電聯供電站9。由德國MTU公司與RWE公司合資開發的200kW3MW級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基礎14、上研究的，目前該公司燃料電池示范裝置已累計成功運行26000h，其中在2005年Ahlen市政污水處理熱電聯產項目10,11中的200kW級MCFC裝置已經運行了1600h，它以厭氧氣體作為燃料供給，是歐洲第一臺采用生物氣體進行燃料電池發電的可再生技術，運行效果令人鼓舞。此外，荷蘭也于97年底建成并開始運行100kW級SOFC熱電聯供裝置，可為電網提供109kW的電力，同時為該地區的供熱系統提供63kW熱量，到2000年底，該系統運行時間超過16000h，發電效率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聯合設計和建設的以甲烷為燃料的1.3兆15、瓦的磷酸型燃料電池熱電廠在米蘭市Bicocca技術園區竣工發電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、空氣處理系統、燃料電池系統、電化學模塊冷卻系統、熱彌散系統和功率調節系統組成。電站技術指標為：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。燃料電池的技術指標為：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。該電站運行狀況良好，符合意大利的環境和安全標準。1999年意大利在米蘭建成了由Ansaldo公司開發的100kW級MCFC燃料電池熱電聯產項目10，目前該公司正在研發500kW5MW級的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）項目的示范工程，而且計劃到08年將占據全球MCFC20%的商業市場份額。據意大利專家分析，到2010年，意大利燃料電池市場預計在4000-15000兆瓦之間，主要應用領域為電力公司1-50兆瓦的電站、居民和工業用20-200千瓦的小規模的“熱電聯產”系統和交通車輛。日本在燃料電池的開發應用方面也起步較早，運行中的PAFC電站約100座，總容量30MW以上，比如五井電廠11MW級PAFC發電裝置是世界上較大的燃料電池發電站。其在2005年愛知世博會上，除了采用燃料電池混合動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、力館和燃氣館中都采用了燃料電池發電裝置，包括MCFC型250kW的燃料電池共2臺（圖3），PAFC型200kW共4臺，SOFC型40kW1臺，發電容量共計1340kW14。其中，設置于長久手政府館的燃料電池系統，其發電專供該館和日本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”，是日本電氣事業聯合會舉辦的展館，其中設有由發電能力為40kW的平板型固體氧化物燃料電池(SOFC)所構成的熱電聯產裝置，熱出力為40kW，燃料采用城市燃氣，發電效率為42 ，其余熱引入熱水型吸收式冷熱水機組，供部分管理部門房間的FCU使用。考慮由于世博會期間整個會18、場內有大量生活垃圾產生，因此在新能源展區設置了垃圾處理裝置，可直接產生甲烷用作MCFC燃料電池發電設備的燃料，其發生量為912m3/d；此外，會場建筑時剩下的費木材以及觀眾用過的PET飲料瓶也經過高溫氣化裝置在1200的高溫作用下產生氫氣和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 結論綜上所述，燃料電池發電高效、環保，有可能發展成為本世紀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，也包括燃料電池作為分布式能源和建筑熱電冷聯供系統應用的研究及示范，與發達國家相比，我國燃料電池研究水平還較低，總體處于科研階段，離實用化、商業化應用還有較大差距，而且當前的研究還主要集中于燃料電池作為汽車動力的研發，但事實上燃料電池的發展趨勢是建筑冷熱電聯供，它極可能發展成為供熱供冷系統主要的能源方式之一，因此我們應該積極研發燃料電池用于建筑的技術，這對緩解國家能源供需矛盾、減少環境污染、提高能源安全性都大有裨益。（參考文獻略）