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燃料動力電池及其在建筑節能中的應用

鉅大LARGE  |  點擊量:1304次  |  2020年03月18日  

1.引言


我國是一個能源消耗大國,能源消耗總量排在世界第二。而我國人口眾多,能源相對缺乏,人均能源占有量僅為世界平均水平的40%,建筑能耗已經占到社會總能耗的40%左右。而能源效率目前僅為33%,比發達國家落后20年.如何提高能源利用效率,已經成為我國政府在我國未來經濟發展中一個緊迫的問題.其中,新增民用建筑中的能效和減少能耗是高效利用能源的重中之重.


燃料動力電池技術因為其清潔、高效的顯著特點被稱之為21世紀最有吸引力的發電方法之一。將燃料動力電池技術應用于建筑工程領域,不僅可以為建筑供應所需電力,而且還可以結合建筑冷熱電聯產,通過余熱鍋爐、制冷機、除濕機等裝置對燃料動力電池的發電廢熱進行回收利用,為建筑供冷、供熱,并控制濕度。燃料動力電池冷熱電聯產系統通過能源的梯級利用將綜合效率提高到80%~90%,同時大大降低了污染物和溫室氣體的排放,技術優勢十分明顯.因此,燃料動力電池完全可以作為新型建筑能源系統。


2.燃料動力電池概述


2.1書料電池的基本原理


燃料動力電池是一種不經過燃燒,只通過氫和氧發生電化學反應生成水同時釋放出電能和熱能的一種裝置。其重要由陽極、陰極、電解質和外部電路4部分組成.兩電極的化學反應為:陽極:2H2→4H-+4e-,陰極:O2q+4H-+4e-→2H2O,整個電池:2H2+02→2H2O。只要將燃料和空氣(氧)持續供應給燃料動力電池,它就能持續穩定地出現電能和熱能.


2.2瀚料電池的種類及其性能特點


燃料動力電池按照不同的分類標準,有不同的名稱.如以工作溫度來劃分,有低溫、中溫、高溫和超高溫燃料動力電池。然而目前通用的方法還是以燃料動力電池中最重要的組成部分,即電解質(電解質的類型決定了電池的工作溫度)來劃分.燃料動力電池能將燃料的化學能直接轉化為電能,防止了中間轉換環節上的能量損失.燃料動力電池在建筑中應用具有以下一些特點:


1)無論是滿負荷還是部分負荷發電均能保持很高效率;


2)無論裝置規模大小均能保持高發電效率;


3)以天然氣和煤層氣為燃料時,NQx及SOx等排出量少,環境相容性好;


4)燃料動力電池所出現的廢熱非常清潔,基本上就是水蒸汽和熱空氣。高溫燃料電斌如soFc固體氧化物燃料電腳的廢熱溫度很高,因此可利用價值非常高,可以實現能源的梯級利用;


5)由于燃料動力電池的發電效率很高,因此其產熱相對較少,熱電比比較低(小于1),在建筑中應用可以“以電定熱”.


基于以上特點,燃料動力電池適合于在建筑熱電冷聯供中應用,有利于建筑的節能。


3.國內外燃料動力電池節能建筑


由于經歷了幾次能源危機,西方發達國家普遍重視建筑節能,一大批新技術、新能源被引入到新建建筑及既有建筑的改造中,取得了顯著的節能效果。這些新技術重要包括新型保溫材料、遮陽技術、太陽能利用技術、自然及機械通風技術、新型采暖空調設備、燃料動力電池、微型燃氣輪機、計算機控制技術等等。國外的節能建筑充分利用了這些新技術并把它們合理地揉合在一起,做到了舒適與節能的高度統一。


紐約的4Timsqure,在建設和使用中大量采用了節能技術。該建筑還采用了多臺燃料動力電池作為夜間電源,燃料動力電池出現的熱水還可供應部分供暖水以及生活熱水,以燃料動力電池產出的熱量為動力對室外空氣除濕,出現干的清潔空氣以置換式通風方式向室內供應新風,并消除人體產濕量,實現濕度的獨立控制。做到了能源的合理利用。


目前美國準備再建設一座獨立的示范性辦公大樓,同時以燃料動力電池為動力,實現全部能源供給,提出“Buildingisapowerplant”,在通過各種技術在供應健康舒適的建筑環境的同時,還可向外輸出富裕的電力。


相對汽車而言,燃料動力電池在建筑熱電冷聯供中的應用已至了實用階段,日本、美國都有一些有相當規模的區域的或樓宇的供冷供熱示范項目使用了燃料動力電池技術。


無論在美國,還是在歐洲和日本,燃料動力電池的研究都是既重視燃料動力電池汽車的研發,也重視燃料動力電池作為分布式能源和建筑熱電冷聯供系統應用的研究及示范。但在我國,一提燃料動力電池,似乎只有汽車。然而,燃料動力電池作為建筑熱電冷聯供系統應用,相對更容易形成商業化,因此我國應加強燃料動力電池在建筑中的應用研究。


4.燃料動力電池冷熱電聯供系統


冷熱電聯供系統是一種建立在能源梯級利用概念基礎上,將制冷、供熱(采暖和供熱水)及發電過程一體化的多聯產總能系統。其由以下系統集成:發電設備,熱工系統(吸收式制冷機及熱泵),干燥及能源回收系統。


4.1系統構成


燃料動力電池所出現的余熱非常清潔,而且高溫燃料動力電池的余熱溫度很高,因此可利用價值非常高。以燃料動力電池為熱源的冷熱電聯供系統的基本構成及流程如圖1所示。


建筑冷熱電聯供使用燃料動力電池是將天然氣改質制氫,不要直接利用氫氣,而且由于是固定式(站式)使用,也省去了許多移動式應用中的麻煩(例如對體積、重量、安全性的限制)。目前最適合建筑使用的固體氧化物燃料動力電池(SOFC)價格在3000美元/KW,是車用質子交換膜燃料動力電池的一倍左右。但由于建筑和汽車的用能密度不同,例如,1O0kW的燃料動力電池可能只能供一輛汽車使用,卻可以供1000m2的建筑(辦公樓)面積,同時還可以利用大量余熱(在汽車上,多數時間余熱是被拋棄的).


建于清華大學的建筑節能示范建筑是國內第一個在建筑內大規模使用SoFC燃料動力電池的示范工程。燃料動力電池將直接將天然氣轉化為電和熱。這部分電將承擔建筑物內70%以上的用電量,而熱將成為冬季采暖和夏季空調所需全部動力。與小型內燃式發動機相比,SOFC無噪音,不排放氮氧化合物,能源轉換的結果只生成水和CO2。通過適當的裝置還能使排放的C仇成為可利用的液態CO2。因此是最理想的燃料動力電池在建筑中的應用。


5.燃料動力電池與暖通專業的關系及其研究方向


燃料動力電池技術是一項多學科交叉的綜合性技術,它的研究和應用與暖通行業也有著密切的關系,以下一些問題值得關注:


1)熱量、水管理與回收利用。合理的熱管理和水管理有利于燃料動力電池的高效運行,同時對電池出現的熱和水進行回收用于配合空調系統的供熱和制冷,形成冷熱電聯供系統提高能源總的利用率。


2)高效的冷卻方式。燃料動力電池在長期運行中會發生溫度分布不均勻現象,這將影響電池的發電性能。因此,研究合理的冷卻方式保證電池溫度分別均勻十分必要。


6.結束語


21世紀前二十年,將是燃料動力電池在技術和成本上取得突破,從特殊應用和示范運行轉到商業化、產業化階段的重要時期。到時燃料動力電池在建筑節能中的應用,特別是以燃料動力電池為核心的建筑冷熱電聯供系統,將因其極高的能源綜合利用效率和環境相容行而成為能源系統的重要組成。


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