燃料電池在民用建筑中的應用

王 虹 梁雪蓮 陳慶璽 畢文心 趙 飛

(1.北京市燃氣集團有限責任公司，北京 100035； 2.北方工業大學，北京 100144)

0 引言

氫能源作為新一代能源受到廣泛關注。進入21世紀以來，氫能源的開發利用逐步增多[1]，其中燃料電池技術的發展得到了發達國家的支持。燃料電池在建筑領域的應用多與熱電聯產技術相結合，微型分布式能源也是燃料電池現階段發展的熱門方向。在我國，《能源技術革命創新行動計劃(2016—2030)》提出了我國能源技術革命重點創新行動路線圖[2]，部署了15項具體任務，其中氫能與燃料電池技術創新位列其中，標志著燃料電池產業已經被納入國家能源戰略。未來燃料電池在中國可能有更多的發展，基于現階段燃料電池的發展，提出一些問題與建議。

1 燃料電池

燃料電池(英語：Fuel cell)是一種區別于傳統火力發電的發電裝置，主要通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(見圖1)。最常見的燃料為氫，其他燃料來源主要來自于碳氫化合物，例如天然氣、醇和甲烷等。燃料電池有多種類型，但是它們都有相同的工作模式。它們主要由三個相鄰區段組成：陽極、電解質和陰極。

燃料電池原理由1838年德國化學家提出，最早使用于航天領域。后來在交通運輸、軍事領域、建筑供能等方面都有所應用。燃料電池在建筑領域的應用在我國發展較為緩慢。

2 燃料電池的應用及優勢

發達國家對燃料電池在建筑領域的研究開展較早，2005年，NEDO開始了固定燃料電池的大規模實際應用研究；2009年建成3 000臺基于質子交換膜燃料電池(PEMFC)的熱電聯供系統，截至2010年，Ene-Farm的累計出口產品數達到了13 500臺[3]；到2014年年底，熱電聯產裝置的年銷量為53 000套，累計銷量為138 000套。在燃料電池的實際應用中，總結出以下優點：1)發電效率高，由于燃料電池發電原理不同于傳統熱機發電，因此減少了大量能量耗散，以固體氧化物燃料電池(SOFC)為例，發電效率達45%[4]，以PEMFC為例，發電效率達34%[5]；2)能源利用率高，與傳統的建筑耗能設備相比，燃料電池等熱電聯發系統不僅能提供冷和熱，而且燃料電池本身就是發電設備，能產生電能被建筑物自身利用。而普通的利用化石燃料發電的發電站一次能源的利用率大約35%，而燃料電池的一次能源利用率能最高達90%以上，而且沒有輸送損失；3)適應性強，SOFC燃料電池組成多為固體構件，方便實現多個模塊串聯使用，機組容量可以從幾百瓦到上千千瓦，比普通的冷熱電聯供系統更能滿足不同的需要。另一方面，燃料電池所適用燃料來源廣泛，與城市燃氣配合使用方便滿足城市用戶使用需求；4)干凈衛生，燃燒過程并不產生多余污染物，燃料電池整體為全封閉系統設計，不用擔心對建筑室內外環境的影響。以燃料電池為主導的供電供熱供冷的建筑物分布式供能系統，從系統的層面促進了建筑行業的節能減排，結合運行原理，可以了解到沒有多余的污染物影響[6]。正是基于燃料電池這些優點，近年來，國際上燃料電池研究項目明顯呈上升趨勢。目前燃料電池在微型熱電聯供市場，在2015年前后主要以商用為主，而到2025年家用市場的規模將超過商用。住宅燃料電池的物理尺寸比燃氣鍋爐大，大約與一個冰箱大小相仿，因此它們被安裝在地下室或室外。一個典型的系統(1 kW電力)重150 kg～250 kg，占地面積為2 m2，包括熱水箱和輔助鍋爐[7,8]。它能同時滿足用戶用電和用灶火熱水的需求，目前家庭用燃料電池以SOFC和PEFC為主。PEFC需要鎳和鉑等催化劑金屬，這些金屬的生產能耗極高，SOFC則不需要催化劑，且SOFC發電效率高，因此受到市場的追捧。家用燃料電池被設計為可以滿足70%用電需求的供能設備，在熱電聯供系統中使用，減少了生活熱水使用的傳統燃氣消耗，具有明顯的環境利好與生活便捷的優勢(見圖2)。

3 存在問題

現階段，燃料電池在發展中一直面臨著兩個問題:

1)工作溫度高;2)耐久性與成本問題。但主要還是工作溫度過高(SOFC工作溫度高達700 ℃～1 000 ℃)，如果能降低工作溫度，就可以使用便宜的材料，并提高耐久性。

決定SOFC工作溫度的，是電解質的氧離子導電體。目前九州大學采用的是Y2O3穩定化ZrO2，工作溫度為700 ℃～750 ℃，實驗室正在研究采用LaGaO3，據說有望把溫度降到600 ℃左右。設備成本及耐久性問題與溫度過高有直接關系，目前市場上售價與居民日常使用的電器設備差距較大，難以進行市場推廣。

近年來，因為環保意識增強與各種新能源政策支持，燃料電池的發展日趨興旺。微型熱電聯供技術是未來一個重要的技術方向，被認為是實現有關良好競爭力、可持續發展和能源安全供應等能源目標的關鍵支撐。

4 結語

一般我們通過能耗費用降低率、碳排放減少率和簡單回報期3個評價指標來對比使用熱電聯供技術和傳統技術對建筑供能的性能差異。燃料電池雖然在技術層面做到了節能減排，在建筑運行中可能會省去一部分費用，達到環境利好的效果，但低碳技術的障礙包括高昂的資金和安裝成本、不確定的燃料成本、房屋空間要求和噪聲污染，這些問題未來還需要面對。一方面要進行技術的升級以降低成本，另一方面需要政府機構的政策支撐，對燃料電池研發與推廣提供資金支持。