1、燃料电池在建筑冷热电联供中的工程应用同济大学楼宇设备工程与管理系 孟华， 同济大学中德工程学院 龙惟定摘 要：燃料电池的研究应用既包括燃料电池汽车的研发，也包括其作为分布式能源和建筑冷热电联供系统的研建，而且据研究发现，后者实现商业化需克服的困难较前者要小，因此，事实上燃料电池的发展趋势是建筑冷热电联供，它极可能发展成为供热供冷系统主要的能源方式之一。本文通过对发达国家利用燃料电池实现建筑冷热电联供工程应用的回顾，表明我国应该积极研发燃料电池用于建筑的技术，这对缓解国家能源供需矛盾、减少环境污染、提高能源安全性都大有裨益。关键词：燃料电池，建筑，冷热电联供41 引言燃料电池具有高效、环保、安静2、无噪声、实际使用方便、启停灵活、负荷响应速度快、负荷调节能力强、燃料来源广等优点，被认为是21世纪最有吸引力的新能源之一。当前，几乎所有发达国家都在投入巨资研究开发燃料电池技术，我国也不例外，并已建成了相应的燃料电池示范交通工具。但是，总结目前国内外对燃料电池汽车的研究成果都还限于概念车和样车的阶段，其发展尚面临很多瓶颈1,2。而事实上，燃料电池的应用，除了用于移动式作为汽车动力和便携式作为手机、笔记本电脑等移动便携式设备的电源外，还可以用于固定式也称为“站式”，即用于楼宇和区域的冷热电联供上。表13是美国能源部在2003年提交美国国会的燃料电池报告中关于各种燃料电池实现商业化的障碍分析，从该3、分析可以看出，相对燃料电池汽车而言，燃料电池用于固定式（站式、分布式）能源实现商业化需克服的困难要小一些。目前在国外，燃料电池的研究既包括燃料电池汽车的研发，也包括燃料电池作为分布式能源和建筑冷热电联供系统应用的研究及示范，相对汽车而言，燃料电池在建筑冷热电联供中的应用已到了实用阶段，日本、美国和欧洲都有一些有相当规模的区域的或楼宇的供冷供热示范项目使用了燃料电池技术。2 燃料电池用于建筑冷热电联供的工程实例由燃料电池本体及辅助装置构成燃料电池系统。燃料品种不同，燃料电池种类不同，应用场合不同，则燃料电池系统也大相径庭。燃料电池系统通常包括燃料预处理、空气（氧）供给、燃料电池堆、热量管理装置、4、水量管理装置、电压变换调整装置和自动控制装置等各种子系统。几乎所有发达国家都投入巨资研究开发燃料电池技术并研建示范工程项目。美国、日本、加拿大、德国等国处于领先地位。美国已有数万台燃料电池发电站用于宾馆、医院及居民小区进行热电联供。燃料电池的一大优点就是其发电效率不随规模的变化而变化，从几千瓦级到几兆瓦级的燃料电池其效率完全一样。早期开发的燃料电池热电站发电出力在几百kW到1、2MW，适合放置于建筑物现场或附近进行冷热电联供；而较大的分散型热电站（1到10MW）则适于分布式供能。由美国UTC公司研发、日本Toshiba和意大利Ansaldo SpA公司合作参与的200kW级PAFC热电站（PC5、-25）是世界上第一台进入商业市场的燃料电池4，已被作为示范产品用于医院、宾馆、大型办公楼、工厂及废水处理厂等各种场合。其主要运行参数为：燃料为天然气（-3045)；发电出力0200kW；输出电压480/277v（60Hz），输出电压400/230v（50Hz）；热电联产热能输出为369,000 kJ/h（120）和369,000 kJ/h（60）；发电并网并可获得返税；功率因数0.851.0，运行中无负荷超载；外形尺寸3m3m5.5m；重量17,230kg。表1 燃料电池商业化的障碍3应用发展障碍解决的困难程度交通用成本高耐久性高燃料基础设施高氢的储存高站式，分布式能源成本高耐久性中高燃料基6、础设施低燃料储存（可再生氢）中便携式成本中耐久性中系统的小型化高燃料和燃料包装中图1 PAFC示范项目中污染物排放量与L.A.盆地标准的对比5截止到2002年8月，所有PC-25累计共运行了530万小时，运行可靠率超过95，其基于低位热值的发电效率达40%，热电联产总效率近80%15。项目运行证实PAFC排热可用于生活热水、低压蒸汽和采暖。其中连续运行时间最长的是东京煤气公司出资兴建用于日本一家办公楼的PAFC项目，总运行时间达9500小时，到停机大修时燃料电池本体的寿命已有57年。这些PC-25可以天然气、丙烷、丁烷、垃圾废气、氢气、沼气等作为燃料供给，空气污染率极低（见图1）。位于美国康湟7、狄格南温莎的PC-25总占地面积80000平方英尺，模块化安装，低成本高自动化控制。另外，1997年在美国能源部支助下，卡内基梅隆大学完成了对匹兹堡市CNG大厦的能源系统改造方案6。该大厦为市第7大建筑，总占地面积623,000平方英尺，是一幢32层高的现代化办公楼，大厦采用从电网购电用于大楼的照明、通风、空调、办公设备、生活热水及电梯等，而使用天然气采暖，大厦内设有一台700kW的燃油内燃机作为备用电源，空调冷源是两台YORK750RT的蒸汽压缩冷水机组，热源为两台2450kW的燃气锅炉。图2 采用燃料电池冷热电联供对CNG大厦进行节能改造的方案示意图图3 爱知世博会50MW级MCFC燃料电8、池热电装置模型图10现用燃料电池冷热电联供对原有系统进行改造，见图2，选用ONSI PC25C磷酸型燃料电池作为大厦的供电设备，其发电出力为200 kW，整个系统选用相应的设备，共设计了3种改造方案：方案一：FC用于满足大厦用电基本负荷，连续运行，不足电量由电网补充，事故时由备用电源供给；其排热用于采暖，多余热量经冷却塔散出；采用原电制冷机；方案二：FC用于满足大厦用电平均负荷，平日上班时连续运行，周末据负荷情况而定，不足电量由电网补充，多余电量给蓄电池充电，事故时由备用电源供给；其排热一部分用于采暖，多余热量经冷却塔散出；另一部分用于吸收式制冷机，冷量不足的由电制冷机补充；方案三：FC用于满9、足大厦用电尖峰负荷，运行状况视大厦负荷情况而定，多余电量给蓄电池充电，事故时由备用电源供给，无需连接市政电网；其排热一部分用于采暖，多余热量经冷却塔散出；另一部分用于吸收式制冷机，冷量不足的由电制冷机补充。经过详细对比分析计算，发现方案三费用最高、系统运行效率最低，尤其当它在不满1/2尖峰负荷状况下运行时，其排热温度根本无法用于建筑采暖和制冷；而方案二则具有一定优势，燃料电池可以连续工作，白天为建筑供电，夜晚为蓄电池充电，后者可在白天电力负荷较高时补充FC的供电不足，其连续排热可为建筑同时供冷和供热；相比之下，方案一费用最低，系统效率最高。分析报告最后认为，采用燃料电池热电冷联供可以在大型办公10、楼内实现年节约一次能20以上，同时还具有NOx及SO2等排放物极低的环保优势。此外，卡内基梅隆大学建筑性能与诊断中心03年计划在校园内建成一座分布式冷热电联供的示范教学办公楼7，该建筑的电由250kW的SOFC提供，其主要特性参数为：总发电量扣除燃料电池电力系统用电量后的净直流发电量为226kW，净低位热值发电效率为46，燃料流量45.4kg/h，空气流量0.73kg/s，废气排量2340kg/h，废气温度755，进气温度500550，废气余热回收后热水/蒸汽流量150kW。由SOFC电池堆排出的755的废气先经热回收装置转换为315的废气，然后送入余热锅炉生产出总热量为150kW的蒸汽或热水11、供建筑使用。同时，该蒸汽和热水也用于驱动吸收式制冷机或吸附式制冷机，为建筑提供冷量。而当SOFC产生的电和热不能完全满足建筑需要时，则分别从电网供电和从蒸汽管网供蒸汽。鉴于燃料电池能源系统非常复杂，可以有多种组合方式，因此必须寻找其中系统能效最高、经济效益最好的方式，这些工作必须在大楼系统设计之前完成。与此同时，美国GenCell公司正在开发40100kW级MCFC燃料电池用于分布式供能，05年年初该公司建成了40kW级MCFC发电装置8，采用管道天然气供给燃料，其发电系统与市政电网相连，系统产生的热电供给位于Connecticut大学内的“CT全球燃料电池中心”使用。除美国外，欧洲也正努力建12、成燃料电池在建筑方面的应用示范项目。CLC公司是欧洲PAFC系统和热电厂的主要开发生产商。CLC公司获得了在欧洲生产和销售200千瓦PC25型热电厂的独占性技术许可，它利用ONSI的技术，根据欧洲技术标准和要求，开发和生产适合于欧洲的现场联合发电系统。其200千瓦PC25热电厂的主要特点：以天然气为燃料，也可用丙烷气或氢为燃料；发电效率为40；热利用方面，可获得37-81的热水；废气排放小于1ppm。该公司设计和提供了世界上第一个以氢为燃料的磷酸型燃料电池电厂，目前正在研究这类燃料电池在生物质能和垃圾汽化工艺中的应用。1998年7月，该公司提供的以氢或天然气为燃料的电厂及其部件或设备，已经得到13、ISO9001质量认证。CLC公司为用户建设以天然气或氢气为燃料的200千瓦的PAFC电厂，提供电厂设备及技术服务。目前欧洲建立的PC25型热电厂已达21个，累计运行时间34.9万小时，发电5.4万兆瓦小时，有2个电厂的累计运行时间超过3700小时，单个热电厂的最长连续运行时间达5721小时。CLC公司的近期目标是将生产成本从目前的每千瓦约3000-4000美元降低到每千瓦2000美元。德国采用加拿大Ballard公司技术，建成了250kW的PEMFC热电联供电站9。由德国MTU公司与RWE公司合资开发的200kW3MW级MCFC燃料电池装置，被命名为“热模”，是在美国燃料电池能源公司技术基础14、上研究的，目前该公司燃料电池示范装置已累计成功运行26000h，其中在2005年Ahlen市政污水处理热电联产项目10,11中的200kW级MCFC装置已经运行了1600h，它以厌氧气体作为燃料供给，是欧洲第一台采用生物气体进行燃料电池发电的可再生技术，运行效果令人鼓舞。此外，荷兰也于97年底建成并开始运行100kW级SOFC热电联供装置，可为电网提供109kW的电力，同时为该地区的供热系统提供63kW热量，到2000年底，该系统运行时间超过16000h，发电效率46，热电综合效率约8012。1995年，由意大利米兰市能源公司、Ansaldo公司、ENEA联合设计和建设的以甲烷为燃料的1.3兆15、瓦的磷酸型燃料电池热电厂在米兰市Bicocca技术园区竣工发电13。这是欧洲建成的第一座1.3兆瓦PAFC电厂。热电站由燃料处理系统、空气处理系统、燃料电池系统、电化学模块冷却系统、热弥散系统和功率调节系统组成。电站技术指标为：直流电功率1340千瓦，交流电总功率1280千瓦，电压23千伏，谐波畸变小于3。燃料电池的技术指标为：电压0.73伏，电流200毫安/平方厘米，电极面积0.95平方米，工作压力8.3巴。该电站运行状况良好，符合意大利的环境和安全标准。1999年意大利在米兰建成了由Ansaldo公司开发的100kW级MCFC燃料电池热电联产项目10，目前该公司正在研发500kW5MW级的16、MCFC燃料电池装置，并于06或07年兴建大容量燃料电池用于固定（站式）项目的示范工程，而且计划到08年将占据全球MCFC20%的商业市场份额。据意大利专家分析，到2010年，意大利燃料电池市场预计在4000-15000兆瓦之间，主要应用领域为电力公司1-50兆瓦的电站、居民和工业用20-200千瓦的小规模的“热电联产”系统和交通车辆。日本在燃料电池的开发应用方面也起步较早，运行中的PAFC电站约100座，总容量30MW以上，比如五井电厂11MW级PAFC发电装置是世界上较大的燃料电池发电站。其在2005年爱知世博会上，除了采用燃料电池混合动力巴士作为专用的公共交通工具外，还在长久手政府馆、电17、力馆和燃气馆中都采用了燃料电池发电装置，包括MCFC型250kW的燃料电池共2台（图3），PAFC型200kW共4台，SOFC型40kW1台，发电容量共计1340kW14。其中，设置于长久手政府馆的燃料电池系统，其发电专供该馆和日本NEDO展示馆使用，其燃料电池排热均可用于吸收式制冷机供冷，也可用于提供热水。电力馆又称“奇趣电力馆”，是日本电气事业联合会举办的展馆，其中设有由发电能力为40kW的平板型固体氧化物燃料电池(SOFC)所构成的热电联产装置，热出力为40kW，燃料采用城市燃气，发电效率为42 ，其余热引入热水型吸收式冷热水机组，供部分管理部门房间的FCU使用。考虑由于世博会期间整个会18、场内有大量生活垃圾产生，因此在新能源展区设置了垃圾处理装置，可直接产生甲烷用作MCFC燃料电池发电设备的燃料，其发生量为912m3/d；此外，会场建筑时剩下的费木材以及观众用过的PET饮料瓶也经过高温气化装置在1200的高温作用下产生氢气和CO，这些气体也用作MCFC燃料电池的燃料供给，这样做也解决了部分燃料电池的燃料供给问题。3 结论综上所述，燃料电池发电高效、环保，有可能发展成为本世纪最主要的供电方式之一。目前，无论在美国，还是在欧洲和日本，燃料电池的研究都既包括燃料电池汽车的研发，也包括燃料电池作为分布式能源和建筑热电冷联供系统应用的研究及示范，与发达国家相比，我国燃料电池研究水平还较低，总体处于科研阶段，离实用化、商业化应用还有较大差距，而且当前的研究还主要集中于燃料电池作为汽车动力的研发，但事实上燃料电池的发展趋势是建筑冷热电联供，它极可能发展成为供热供冷系统主要的能源方式之一，因此我们应该积极研发燃料电池用于建筑的技术，这对缓解国家能源供需矛盾、减少环境污染、提高能源安全性都大有裨益。（参考文献略）