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专家供稿:关于发展在建筑中应用燃料电池技术的建议

供稿人:龙惟定  供稿时间:2005-11-2   关键字:建筑热电冷联供  技术路线  燃料电池  

摘要:笔者建议,我国除了重视燃料电池驱动汽车的研发以外,应加大对燃料电池在建筑热电冷联供中的应用研究的投入,实现我国建筑能源技术的跨越式发展。

1、加大燃料电池作为建筑热电冷联供系统应用的研发力度
燃料电池被称为是继水力、火力、核能之后第四代发电装置和替代内燃机的动力装置。国际能源界预测,燃料电池是21世纪最有吸引力的发电方式之一。燃料电池能将燃料的化学能直接转化为电能,避免了中间转换环节上的能量损失。燃料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) 具有很强的过负载能力;
 
4) 可以适应多种燃料;
 
5) 发电出力由电池堆的出力和电池组数决定,因此机组的容量灵活;
 
6) 以天然气和煤层气为燃料时,NOX及SOX等排出量少,环境相容性好;
 
7) 没有任何运动部件,运行时没有噪声;
 
8) 燃料电池所产生的废热非常清洁,基本上就是水蒸汽和热空气。高温燃料电池(如SOFC,固体氧化物燃料电池) 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;
 
9) 由于燃料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”、适应现在电力只能并网不能上网的现状。
 
上述特点,使得燃料电池非常适合于在建筑热电冷联供中应用。
 
表1中给出各种燃料电池的工作特性和适用范围。
表1 燃料电池分类及其主要特性
 
低温燃料电池
高温燃料电池
PEMFC
AFC
PAFC
MCFC
SOFC
质子交换膜燃料电池
碱性燃料电池
磷酸型燃料电池
熔融碳酸盐型燃料电池
固体氧化物燃料电池
电解质
质子可渗透膜
氢氧化钾溶液
磷酸
锂和碳酸钾
固体陶瓷
适用燃料
氢、天然气
纯氢
天然气、氢
天然气、煤气、沼气
天然气、煤气、沼气
氧化剂
空气
纯氧
空气
空气
空气
运行温度
85℃
120℃
190℃
650℃
1000℃
发电效率
43~58%
60~90%
37~42%
> 50%
50~65%
适用范围
汽车、航天
航天
建筑热电冷联产、集中热电联产
总价格(包括安装费用,美元/千瓦)
$1400
$2700
$2100
$2600
$3000
 
燃料电池的应用主要有三种方式:移动式(例如作为汽车动力)、固定式(又称“站式”,用于楼宇和区域的热电冷联供)和便携式(作为手机、笔记本电脑等移动便携式设备的电源)。
 
我国目前把主要的研发力量投入到第一种应用方式中,对燃料电池汽车的研制投入很大的人力、物力和财力,作为国家“863”计划的重大科研项目。同时,国家科技部对高温燃料电池的研发进行资助,研发目标为:掌握高温燃料电池的设计制造及发电系统集成技术,分别建成数kW和数十kW的可用天然气作燃料的示范发电装置。主要侧重于装置设备的研发和发电。
 
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。其发展的瓶颈在于:
 
(1) 价格高昂,燃料电池汽车价格普遍在200万美元一辆,其售价降到现在的普通轿车价格估计需要二、三十年时间;
 
(2) 各国的汽车厂商在开发燃料电池汽车的过程中,都曾试制过载有“改质器”的“改质型车”。所谓改质器,就是利用汽油或者甲醇来制造电池所需的燃料氢气的装置。但是到了实用阶段,各厂家都趋向制造直接利用氢气的车型。由于氢气需要由加氢站补充,而加氢站要普及到如今汽油加油站的便利程度并不是短时间内能够实现的。建造加氢站的费用是建造加油站的三十倍以上;
 
(3) 氢的体积能量密度非常小,因此在一定的贮存压力下,其贮能更少,续驶里程也相应缩短,造成车载氢气的压力更高,自重更大。所以如何在车辆中安全储氢也是必须解决的问题;
 
(4) 氢气目前主要是从化石燃料中制取,也可从电解水获得,但电解水制氢耗能大、成本高,目前难以商业化。天然气和氢气因临界温度远低于常温,为了车载贮运必须采取低温液化,液化1kg氢气大约需要16.6kWh的电能。
 
而在另一方面,建筑热电冷联供使用燃料电池是将天然气改质制氢,不需要直接利用氢气;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电池(SOFC)价格在3000美元/kW,是车用质子交换膜燃料电池的一倍左右。但由于建筑和汽车的用能密度不同,例如,100kW的燃料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)。
 
相对汽车而言,燃料电池在建筑热电冷联供中的应用已到了实用阶段,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电池技术。
 
表2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的分析。可以看出,相对燃料电池汽车而言,燃料电池用于分布式能源实现商业化要克服的困难要小一些。
表2 燃料电池商业化的障碍
应用
发展障碍
解决的困难程度
交通用
成本
耐久性
燃料基础设施
氢的储存
站式,分布式能源
成本
耐久性
中-高
燃料基础设施
燃料储存(可再生氢)
便携式
成本
耐久性
系统的小型化
燃料和燃料包装
 
在这份报告中,美国能源部所设定的SOFC商业化的目标是:在2010年左右,分布式能源使用的SOFC的价格应下降到有竞争力的400美元/kW。
 
无论在美国,还是在欧洲和日本,燃料电池的研究都是“两条腿走路”,既重视燃料电池汽车的研发,也重视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。但在我国,似乎只是一条腿走路。一提燃料电池,似乎只有汽车。至今在我国还没有建成任何一个实验性或示范性的燃料电池电站。更遑论燃料电池分布式能源的商业化运行。
 
我国“西气东输”工程的建成,为燃料电池作为建筑热电冷联供使用提供了燃料保证。根据研究,在所谓的“氢经济”中,天然气蒸汽重整制氢的温室效应、人类毒性、酸化和富营养化指标均最小,是环境性能最好的氢能系统方案。而且,天然气蒸汽重整制氢的成本最低,总能量利用效率最高。以天然气为燃料的燃料电池为建筑物提供电力和空调,能有效地降低夏季电力负荷高峰,缓解电力供需矛盾。
 
可以认为,燃料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。因此笔者建议,应优先发展利用燃料电池的建筑热电冷联供项目,要以发展燃料电池汽车那样的力度推进燃料电池作为建筑热电冷联供系统的应用研究,尽快建成一批示范性工程,特别在2008年北京奥运会项目和2010年上海世博会项目中要有燃料电池应用的示范。
2、结语
正如本文开头所说,我国在分布式能源和建筑热电冷联供的研究尤其是应用研究上,总体上是号召多、落实少;议论多、实践少;理论多、方法少。因此,我们与发达国家在应用上的差距不是缩小而是拉大了。对于一项有前景但也有许多不确定性的技术,政府不能放任自流,更不能马上把它推向市场。本文所提出的仅是在技术研发层面的战略和战术问题,更重要的政策、导向问题,例如热电冷联供的电力上网问题、热电冷联供项目的天然气价格问题、热电冷联供设备进口税收问题等等,一定要依靠政府这只“看得见”的手进行调控,而不能听任垄断性企业和利益集团来左右市场。一些发达国家政府能做到的事情,相信在中国也一定能做到。
参考文献
[1] V. 哈特科普夫,潘毅群,吴刚等,固体氧化物燃料电池在建筑冷热电联产中的应用,暖通空调,2003年第33卷第1期
[2] 龙惟定,白玮等,我国民用建筑空调的发展对能源供应影响的对策研究报告,中国制冷空调工业协会项目
[3] 黄志甲,张旭等,汽车替代燃料发展战略的探讨,中国能源,2001年第8期
[4] DOE, Fuel Cell Report to Congress, 2003, (ESECS EE-1973)
[5] 朱新坚,中国燃料电池技术现状与展望,电池,2004年第34卷第3期
[6] 倪维斗,张斌等,氢能经济·CO2减排·IGCC,煤炭转化,2003年第26卷第3期
[7] 中国电池网,燃料电池汽车离我们还有多远? http://www.battery.com.cn
 
 
Suggestion on the Routes for Development of Domestic Building Cooling/Heating/Power Technology
 
By Long Weiding
 
Abstract    Two suggestions for development of domestic BCHP technology are proposed by the author: (1) as the main stream motivity machine, micro-turbine should be instead by gas-engine, which is popular used as the driver of emergency generator in public buildings; (2) except paying attention to R&D of electric vehicles driven by fuel cell, government should increase investment to research on the application of fuel cell in BCHP.
 
Key Words    Building Cooling/Heating/Power, Routes for Development of Technology, Micro-turbine, Gas Engine, Fuel Cell  
 
作者简介
龙惟定,同济大学中德工程学院教授,博士生导师,建筑设施智能技术专业协调人

E-mail: weidinglong@mail.tongji.edu.cn

 

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