王 虹 梁雪蓮 陳慶璽 畢文心 趙 飛

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

0 引言

氫能源作為新一代能源受到廣泛關(guān)注。進入21世紀以來，氫能源的開發(fā)利用逐步增多[1]，其中燃料電池技術(shù)的發(fā)展得到了發(fā)達國家的支持。燃料電池在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用多與熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)相結(jié)合，微型分布式能源也是燃料電池現(xiàn)階段發(fā)展的熱門方向。在我國，《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃(2016—2030)》提出了我國能源技術(shù)革命重點創(chuàng)新行動路線圖[2]，部署了15項具體任務(wù)，其中氫能與燃料電池技術(shù)創(chuàng)新位列其中，標志著燃料電池產(chǎn)業(yè)已經(jīng)被納入國家能源戰(zhàn)略。未來燃料電池在中國可能有更多的發(fā)展，基于現(xiàn)階段燃料電池的發(fā)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(qū)別于傳統(tǒng)火力發(fā)電的發(fā)電裝置，主要通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(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(qū)段組成：陽極、電解質(zhì)和陰極。

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

2 燃料電池的應(yīng)用及優(yōu)勢

發(fā)達國家對燃料電池在建筑領(lǐng)域的研究開展較早，2005年，NEDO開始了固定燃料電池的大規(guī)模實際應(yīng)用研究；2009年建成3 000臺基于質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，截至2010年，Ene-Farm的累計出口產(chǎn)品數(shù)達到了13 500臺[3]；到2014年年底，熱電聯(lián)產(chǎn)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(yīng)用中，總結(jié)出以下優(yōu)點：1)發(fā)電效率高，由于燃料電池發(fā)電原理不同于傳統(tǒng)熱機發(fā)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(fā)電效率達45%[4]，以PEMFC為例，發(fā)電效率達34%[5]；2)能源利用率高，與傳統(tǒng)的建筑耗能設(shè)備相比，燃料電池等熱電聯(lián)發(fā)系統(tǒng)不僅能提供冷和熱，而且燃料電池本身就是發(fā)電設(shè)備，能產(chǎn)生電能被建筑物自身利用。而普通的利用化石燃料發(fā)電的發(fā)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(yīng)性強，SOFC燃料電池組成多為固體構(gòu)件，方便實現(xiàn)多個模塊串聯(lián)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(lián)供系統(tǒng)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(wèi)生，燃燒過程并不產(chǎn)生多余污染物，燃料電池整體為全封閉系統(tǒng)設(shè)計，不用擔(dān)心對建筑室內(nèi)外環(huán)境的影響。以燃料電池為主導(dǎo)的供電供熱供冷的建筑物分布式供能系統(tǒng)，從系統(tǒng)的層面促進了建筑行業(yè)的節(jié)能減排，結(jié)合運行原理，可以了解到?jīng)]有多余的污染物影響[6]。正是基于燃料電池這些優(yōu)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(lián)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(guī)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(tǒng)(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(chǎn)能耗極高，SOFC則不需要催化劑，且SOFC發(fā)電效率高，因此受到市場的追捧。家用燃料電池被設(shè)計為可以滿足70%用電需求的供能設(shè)備，在熱電聯(lián)供系統(tǒng)中使用，減少了生活熱水使用的傳統(tǒng)燃氣消耗，具有明顯的環(huán)境利好與生活便捷的優(yōu)勢(見圖2)。

3 存在問題

現(xiàn)階段，燃料電池在發(fā)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(zhì)的氧離子導(dǎo)電體。目前九州大學(xué)采用的是Y2O3穩(wěn)定化ZrO2，工作溫度為700 ℃～750 ℃，實驗室正在研究采用LaGaO3，據(jù)說有望把溫度降到600 ℃左右。設(shè)備成本及耐久性問題與溫度過高有直接關(guān)系，目前市場上售價與居民日常使用的電器設(shè)備差距較大，難以進行市場推廣。

近年來，因為環(huán)保意識增強與各種新能源政策支持，燃料電池的發(fā)展日趨興旺。微型熱電聯(lián)供技術(shù)是未來一個重要的技術(shù)方向，被認為是實現(xiàn)有關(guān)良好競爭力、可持續(xù)發(fā)展和能源安全供應(yīng)等能源目標的關(guān)鍵支撐。

4 結(jié)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(lián)供技術(shù)和傳統(tǒng)技術(shù)對建筑供能的性能差異。燃料電池雖然在技術(shù)層面做到了節(jié)能減排，在建筑運行中可能會省去一部分費用，達到環(huán)境利好的效果，但低碳技術(shù)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(shù)的升級以降低成本，另一方面需要政府機構(gòu)的政策支撐，對燃料電池研發(fā)與推廣提供資金支持。