燃料电池在民用建筑中的应用

王 虹 梁雪莲 陈庆玺 毕文心 赵 飞

(1.北京市燃气集团有限责任公司，北京 100035； 2.北方工业大学，北京 100144)

0 引言

氢能源作为新一代能源受到广泛关注。进入21世纪以来，氢能源的开发利用逐步增多[1]，其中燃料电池技术的发展得到了发达国家的支持。燃料电池在建筑领域的应用多与热电联产技术相结合，微型分布式能源也是燃料电池现阶段发展的热门方向。在我国，《能源技术革命创新行动计划(2016—2030)》提出了我国能源技术革命重点创新行动路线图[2]，部署了15项具体任务，其中氢能与燃料电池技术创新位列其中，标志着燃料电池产业已经被纳入国家能源战略。未来燃料电池在中国可能有更多的发展，基于现阶段燃料电池的发展，提出一些问题与建议。

1 燃料电池

燃料电池(英语：Fuel cell)是一种区别于传统火力发电的发电装置，主要通过氧或其他氧化剂进行氧化还原反应，把燃料中的化学能转换成电能(见图1)。最常见的燃料为氢，其他燃料来源主要来自于碳氢化合物，例如天然气、醇和甲烷等。燃料电池有多种类型，但是它们都有相同的工作模式。它们主要由三个相邻区段组成：阳极、电解质和阴极。

燃料电池原理由1838年德国化学家提出，最早使用于航天领域。后来在交通运输、军事领域、建筑供能等方面都有所应用。燃料电池在建筑领域的应用在我国发展较为缓慢。

2 燃料电池的应用及优势

发达国家对燃料电池在建筑领域的研究开展较早，2005年，NEDO开始了固定燃料电池的大规模实际应用研究；2009年建成3 000台基于质子交换膜燃料电池(PEMFC)的热电联供系统，截至2010年，Ene-Farm的累计出口产品数达到了13 500台[3]；到2014年年底，热电联产装置的年销量为53 000套，累计销量为138 000套。在燃料电池的实际应用中，总结出以下优点：1)发电效率高，由于燃料电池发电原理不同于传统热机发电，因此减少了大量能量耗散，以固体氧化物燃料电池(SOFC)为例，发电效率达45%[4]，以PEMFC为例，发电效率达34%[5]；2)能源利用率高，与传统的建筑耗能设备相比，燃料电池等热电联发系统不仅能提供冷和热，而且燃料电池本身就是发电设备，能产生电能被建筑物自身利用。而普通的利用化石燃料发电的发电站一次能源的利用率大约35%，而燃料电池的一次能源利用率能最高达90%以上，而且没有输送损失；3)适应性强，SOFC燃料电池组成多为固体构件，方便实现多个模块串联使用，机组容量可以从几百瓦到上千千瓦，比普通的冷热电联供系统更能满足不同的需要。另一方面，燃料电池所适用燃料来源广泛，与城市燃气配合使用方便满足城市用户使用需求；4)干净卫生，燃烧过程并不产生多余污染物，燃料电池整体为全封闭系统设计，不用担心对建筑室内外环境的影响。以燃料电池为主导的供电供热供冷的建筑物分布式供能系统，从系统的层面促进了建筑行业的节能减排，结合运行原理，可以了解到没有多余的污染物影响[6]。正是基于燃料电池这些优点，近年来，国际上燃料电池研究项目明显呈上升趋势。目前燃料电池在微型热电联供市场，在2015年前后主要以商用为主，而到2025年家用市场的规模将超过商用。住宅燃料电池的物理尺寸比燃气锅炉大，大约与一个冰箱大小相仿，因此它们被安装在地下室或室外。一个典型的系统(1 kW电力)重150 kg～250 kg，占地面积为2 m2，包括热水箱和辅助锅炉[7,8]。它能同时满足用户用电和用灶火热水的需求，目前家庭用燃料电池以SOFC和PEFC为主。PEFC需要镍和铂等催化剂金属，这些金属的生产能耗极高，SOFC则不需要催化剂，且SOFC发电效率高，因此受到市场的追捧。家用燃料电池被设计为可以满足70%用电需求的供能设备，在热电联供系统中使用，减少了生活热水使用的传统燃气消耗，具有明显的环境利好与生活便捷的优势(见图2)。

3 存在问题

现阶段，燃料电池在发展中一直面临着两个问题:

1)工作温度高;2)耐久性与成本问题。但主要还是工作温度过高(SOFC工作温度高达700 ℃～1 000 ℃)，如果能降低工作温度，就可以使用便宜的材料，并提高耐久性。

决定SOFC工作温度的，是电解质的氧离子导电体。目前九州大学采用的是Y2O3稳定化ZrO2，工作温度为700 ℃～750 ℃，实验室正在研究采用LaGaO3，据说有望把温度降到600 ℃左右。设备成本及耐久性问题与温度过高有直接关系，目前市场上售价与居民日常使用的电器设备差距较大，难以进行市场推广。

近年来，因为环保意识增强与各种新能源政策支持，燃料电池的发展日趋兴旺。微型热电联供技术是未来一个重要的技术方向，被认为是实现有关良好竞争力、可持续发展和能源安全供应等能源目标的关键支撑。

4 结语

一般我们通过能耗费用降低率、碳排放减少率和简单回报期3个评价指标来对比使用热电联供技术和传统技术对建筑供能的性能差异。燃料电池虽然在技术层面做到了节能减排，在建筑运行中可能会省去一部分费用，达到环境利好的效果，但低碳技术的障碍包括高昂的资金和安装成本、不确定的燃料成本、房屋空间要求和噪声污染，这些问题未来还需要面对。一方面要进行技术的升级以降低成本，另一方面需要政府机构的政策支撑，对燃料电池研发与推广提供资金支持。