燃料动力电池及其在建筑节能中的应用

1.引言

我国是一个能源消耗大国，能源消耗总量排在世界第二。而我国人口众多，能源相对缺乏，人均能源占有量仅为世界平均水平的40%，建筑能耗已经占到社会总能耗的40%左右。而能源效率目前仅为33%，比发达国家落后20年.如何提高能源利用效率，已经成为我国政府在我国未来经济发展中一个紧迫的问题.其中，新增民用建筑中的能效和减少能耗是高效利用能源的重中之重.

燃料动力电池技术因为其清洁、高效的显著特点被称之为21世纪最有吸引力的发电方法之一。将燃料动力电池技术应用于建筑工程领域，不仅可以为建筑供应所需电力，而且还可以结合建筑冷热电联产，通过余热锅炉、制冷机、除湿机等装置对燃料动力电池的发电废热进行回收利用，为建筑供冷、供热，并控制湿度。燃料动力电池冷热电联产系统通过能源的梯级利用将综合效率提高到80%~90%，同时大大降低了污染物和温室气体的排放，技术优势十分明显.因此，燃料动力电池完全可以作为新型建筑能源系统。

2.燃料动力电池概述

2.1书料电池的基本原理

燃料动力电池是一种不经过燃烧，只通过氢和氧发生电化学反应生成水同时释放出电能和热能的一种装置。其重要由阳极、阴极、电解质和外部电路4部分组成.两电极的化学反应为：阳极：2H2→4H-+4e-，阴极：O2q+4H-+4e-→2H2O，整个电池:2H2+02→2H2O。只要将燃料和空气(氧)持续供应给燃料动力电池，它就能持续稳定地出现电能和热能.

2.2瀚料电池的种类及其性能特点

燃料动力电池按照不同的分类标准，有不同的名称.如以工作温度来划分，有低温、中温、高温和超高温燃料动力电池。然而目前通用的方法还是以燃料动力电池中最重要的组成部分，即电解质(电解质的类型决定了电池的工作温度)来划分.燃料动力电池能将燃料的化学能直接转化为电能，防止了中间转换环节上的能量损失.燃料动力电池在建筑中应用具有以下一些特点:

1)无论是满负荷还是部分负荷发电均能保持很高效率;

2)无论装置规模大小均能保持高发电效率;

3)以天然气和煤层气为燃料时，NQx及SOx等排出量少，环境相容性好;

4)燃料动力电池所出现的废热非常清洁，基本上就是水蒸汽和热空气。高温燃料电斌如soFc固体氧化物燃料电脚的废热温度很高，因此可利用价值非常高，可以实现能源的梯级利用;

5)由于燃料动力电池的发电效率很高，因此其产热相对较少，热电比比较低(小于1)，在建筑中应用可以“以电定热”.

基于以上特点，燃料动力电池适合于在建筑热电冷联供中应用，有利于建筑的节能。

3.国内外燃料动力电池节能建筑

由于经历了几次能源危机，西方发达国家普遍重视建筑节能，一大批新技术、新能源被引入到新建建筑及既有建筑的改造中，取得了显著的节能效果。这些新技术重要包括新型保温材料、遮阳技术、太阳能利用技术、自然及机械通风技术、新型采暖空调设备、燃料动力电池、微型燃气轮机、计算机控制技术等等。国外的节能建筑充分利用了这些新技术并把它们合理地揉合在一起，做到了舒适与节能的高度统一。

纽约的4Timsqure，在建设和使用中大量采用了节能技术。该建筑还采用了多台燃料动力电池作为夜间电源，燃料动力电池出现的热水还可供应部分供暖水以及生活热水，以燃料动力电池产出的热量为动力对室外空气除湿，出现干的清洁空气以置换式通风方式向室内供应新风，并消除人体产湿量，实现湿度的独立控制。做到了能源的合理利用。

目前美国准备再建设一座独立的示范性办公大楼，同时以燃料动力电池为动力，实现全部能源供给，提出“Buildingisapowerplant”，在通过各种技术在供应健康舒适的建筑环境的同时，还可向外输出富裕的电力。

相对汽车而言，燃料动力电池在建筑热电冷联供中的应用已至了实用阶段，日本、美国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动力电池技术。

无论在美国，还是在欧洲和日本，燃料动力电池的研究都是既重视燃料动力电池汽车的研发，也重视燃料动力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。但在我国，一提燃料动力电池，似乎只有汽车。然而，燃料动力电池作为建筑热电冷联供系统应用，相对更容易形成商业化，因此我国应加强燃料动力电池在建筑中的应用研究。

4.燃料动力电池冷热电联供系统

冷热电联供系统是一种建立在能源梯级利用概念基础上，将制冷、供热(采暖和供热水)及发电过程一体化的多联产总能系统。其由以下系统集成:发电设备，热工系统(吸收式制冷机及热泵)，干燥及能源回收系统。

4.1系统构成

燃料动力电池所出现的余热非常清洁，而且高温燃料动力电池的余热温度很高，因此可利用价值非常高。以燃料动力电池为热源的冷热电联供系统的基本构成及流程如图1所示。

建筑冷热电联供使用燃料动力电池是将天然气改质制氢，不要直接利用氢气，而且由于是固定式(站式)使用，也省去了许多移动式应用中的麻烦(例如对体积、重量、安全性的限制)。目前最适合建筑使用的固体氧化物燃料动力电池(SOFC)价格在3000美元/KW，是车用质子交换膜燃料动力电池的一倍左右。但由于建筑和汽车的用能密度不同，例如，1O0kW的燃料动力电池可能只能供一辆汽车使用，却可以供1000m2的建筑(办公楼)面积，同时还可以利用大量余热(在汽车上，多数时间余热是被抛弃的).

建于清华大学的建筑节能示范建筑是国内第一个在建筑内大规模使用SoFC燃料动力电池的示范工程。燃料动力电池将直接将天然气转化为电和热。这部分电将承担建筑物内70%以上的用电量，而热将成为冬季采暖和夏季空调所需全部动力。与小型内燃式发动机相比，SOFC无噪音，不排放氮氧化合物，能源转换的结果只生成水和CO2。通过适当的装置还能使排放的C仇成为可利用的液态CO2。因此是最理想的燃料动力电池在建筑中的应用。

5.燃料动力电池与暖通专业的关系及其研究方向

燃料动力电池技术是一项多学科交叉的综合性技术，它的研究和应用与暖通行业也有着密切的关系，以下一些问题值得关注:

1)热量、水管理与回收利用。合理的热管理和水管理有利于燃料动力电池的高效运行，同时对电池出现的热和水进行回收用于配合空调系统的供热和制冷，形成冷热电联供系统提高能源总的利用率。

2)高效的冷却方式。燃料动力电池在长期运行中会发生温度分布不均匀现象，这将影响电池的发电性能。因此，研究合理的冷却方式保证电池温度分别均匀十分必要。

6.结束语

21世纪前二十年，将是燃料动力电池在技术和成本上取得突破，从特殊应用和示范运行转到商业化、产业化阶段的重要时期。到时燃料动力电池在建筑节能中的应用，特别是以燃料动力电池为核心的建筑冷热电联供系统，将因其极高的能源综合利用效率和环境相容行而成为能源系统的重要组成。