1.引言

我國是一個(gè)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(duì)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(jīng)占到社會(huì)總能耗的40%左右。而能源效率目前僅為33%，比發(fā)達(dá)國家落后20年.如何提高能源利用效率，已經(jīng)成為我國政府在我國未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展中一個(gè)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(dòng)力電池技術(shù)因?yàn)槠淝鍧崱⒏咝У娘@著特點(diǎn)被稱之為21世紀(jì)最有吸引力的發(fā)電方法之一。將燃料動(dòng)力電池技術(shù)應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域，不僅可以為建筑供應(yīng)所需電力，而且還可以結(jié)合建筑冷熱電聯(lián)產(chǎn)，通過余熱鍋爐、制冷機(jī)、除濕機(jī)等裝置對(duì)燃料動(dòng)力電池的發(fā)電廢熱進(jìn)行回收利用，為建筑供冷、供熱，并控制濕度。燃料動(dòng)力電池冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)通過能源的梯級(jí)利用將綜合效率提高到80%~90%，同時(shí)大大降低了污染物和溫室氣體的排放，技術(shù)優(yōu)勢十分明顯.因此，燃料動(dòng)力電池完全可以作為新型建筑能源系統(tǒng)。

2.燃料動(dòng)力電池概述

2.1書料電池的基本原理

燃料動(dòng)力電池是一種不經(jīng)過燃燒，只通過氫和氧發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成水同時(shí)釋放出電能和熱能的一種裝置。其重要由陽極、陰極、電解質(zhì)和外部電路4部分組成.兩電極的化學(xué)反應(yīng)為：陽極：2H2→4H-+4e-，陰極：O2q+4H-+4e-→2H2O，整個(gè)電池:2H2+02→2H2O。只要將燃料和空氣(氧)持續(xù)供應(yīng)給燃料動(dòng)力電池，它就能持續(xù)穩(wěn)定地出現(xiàn)電能和熱能.

2.2瀚料電池的種類及其性能特點(diǎn)

燃料動(dòng)力電池按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，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(dòng)力電池。然而目前通用的方法還是以燃料動(dòng)力電池中最重要的組成部分，即電解質(zhì)(電解質(zhì)的類型決定了電池的工作溫度)來劃分.燃料動(dòng)力電池能將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，防止了中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)上的能量損失.燃料動(dòng)力電池在建筑中應(yīng)用具有以下一些特點(diǎn):

1)無論是滿負(fù)荷還是部分負(fù)荷發(fā)電均能保持很高效率;

2)無論裝置規(guī)模大小均能保持高發(fā)電效率;

3)以天然氣和煤層氣為燃料時(shí)，NQx及SOx等排出量少，環(huán)境相容性好;

4)燃料動(dòng)力電池所出現(xiàn)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(jià)值非常高，可以實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用;

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

基于以上特點(diǎn)，燃料動(dòng)力電池適合于在建筑熱電冷聯(lián)供中應(yīng)用，有利于建筑的節(jié)能。

3.國內(nèi)外燃料動(dòng)力電池節(jié)能建筑

由于經(jīng)歷了幾次能源危機(jī)，西方發(fā)達(dá)國家普遍重視建筑節(jié)能，一大批新技術(shù)、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(jié)能效果。這些新技術(shù)重要包括新型保溫材料、遮陽技術(shù)、太陽能利用技術(shù)、自然及機(jī)械通風(fēng)技術(shù)、新型采暖空調(diào)設(shè)備、燃料動(dòng)力電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等等。國外的節(jié)能建筑充分利用了這些新技術(shù)并把它們合理地揉合在一起，做到了舒適與節(jié)能的高度統(tǒng)一。

紐約的4Timsqure，在建設(shè)和使用中大量采用了節(jié)能技術(shù)。該建筑還采用了多臺(tái)燃料動(dòng)力電池作為夜間電源，燃料動(dòng)力電池出現(xiàn)的熱水還可供應(yīng)部分供暖水以及生活熱水，以燃料動(dòng)力電池產(chǎn)出的熱量為動(dòng)力對(duì)室外空氣除濕，出現(xiàn)干的清潔空氣以置換式通風(fēng)方式向室內(nèi)供應(yīng)新風(fēng)，并消除人體產(chǎn)濕量，實(shí)現(xiàn)濕度的獨(dú)立控制。做到了能源的合理利用。

目前美國準(zhǔn)備再建設(shè)一座獨(dú)立的示范性辦公大樓，同時(shí)以燃料動(dòng)力電池為動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)全部能源供給，提出“Buildingisapowerplant”，在通過各種技術(shù)在供應(yīng)健康舒適的建筑環(huán)境的同時(shí)，還可向外輸出富裕的電力。

相對(duì)汽車而言，燃料動(dòng)力電池在建筑熱電冷聯(lián)供中的應(yīng)用已至了實(shí)用階段，日本、美國都有一些有相當(dāng)規(guī)模的區(qū)域的或樓宇的供冷供熱示范項(xiàng)目使用了燃料動(dòng)力電池技術(shù)。

無論在美國，還是在歐洲和日本，燃料動(dòng)力電池的研究都是既重視燃料動(dòng)力電池汽車的研發(fā)，也重視燃料動(dòng)力電池作為分布式能源和建筑熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)用的研究及示范。但在我國，一提燃料動(dòng)力電池，似乎只有汽車。然而，燃料動(dòng)力電池作為建筑熱電冷聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)用，相對(duì)更容易形成商業(yè)化，因此我國應(yīng)加強(qiáng)燃料動(dòng)力電池在建筑中的應(yīng)用研究。

4.燃料動(dòng)力電池冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)是一種建立在能源梯級(jí)利用概念基礎(chǔ)上，將制冷、供熱(采暖和供熱水)及發(fā)電過程一體化的多聯(lián)產(chǎn)總能系統(tǒng)。其由以下系統(tǒng)集成:發(fā)電設(shè)備，熱工系統(tǒng)(吸收式制冷機(jī)及熱泵)，干燥及能源回收系統(tǒng)。

4.1系統(tǒng)構(gòu)成

燃料動(dòng)力電池所出現(xiàn)的余熱非常清潔，而且高溫燃料動(dòng)力電池的余熱溫度很高，因此可利用價(jià)值非常高。以燃料動(dòng)力電池為熱源的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的基本構(gòu)成及流程如圖1所示。

建筑冷熱電聯(lián)供使用燃料動(dòng)力電池是將天然氣改質(zhì)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(dòng)式應(yīng)用中的麻煩(例如對(duì)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(dòng)力電池(SOFC)價(jià)格在3000美元/KW，是車用質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)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(dòng)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(shí)還可以利用大量余熱(在汽車上，多數(shù)時(shí)間余熱是被拋棄的).

建于清華大學(xué)的建筑節(jié)能示范建筑是國內(nèi)第一個(gè)在建筑內(nèi)大規(guī)模使用SoFC燃料動(dòng)力電池的示范工程。燃料動(dòng)力電池將直接將天然氣轉(zhuǎn)化為電和熱。這部分電將承擔(dān)建筑物內(nèi)70%以上的用電量，而熱將成為冬季采暖和夏季空調(diào)所需全部動(dòng)力。與小型內(nèi)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)相比，SOFC無噪音，不排放氮氧化合物，能源轉(zhuǎn)換的結(jié)果只生成水和CO2。通過適當(dāng)?shù)难b置還能使排放的C仇成為可利用的液態(tài)CO2。因此是最理想的燃料動(dòng)力電池在建筑中的應(yīng)用。

5.燃料動(dòng)力電池與暖通專業(yè)的關(guān)系及其研究方向

燃料動(dòng)力電池技術(shù)是一項(xiàng)多學(xué)科交叉的綜合性技術(shù)，它的研究和應(yīng)用與暖通行業(yè)也有著密切的關(guān)系，以下一些問題值得關(guān)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(dòng)力電池的高效運(yùn)行，同時(shí)對(duì)電池出現(xiàn)的熱和水進(jìn)行回收用于配合空調(diào)系統(tǒng)的供熱和制冷，形成冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)提高能源總的利用率。

2)高效的冷卻方式。燃料動(dòng)力電池在長期運(yùn)行中會(huì)發(fā)生溫度分布不均勻現(xiàn)象，這將影響電池的發(fā)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(jié)束語

21世紀(jì)前二十年，將是燃料動(dòng)力電池在技術(shù)和成本上取得突破，從特殊應(yīng)用和示范運(yùn)行轉(zhuǎn)到商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化階段的重要時(shí)期。到時(shí)燃料動(dòng)力電池在建筑節(jié)能中的應(yīng)用，特別是以燃料動(dòng)力電池為核心的建筑冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，將因其極高的能源綜合利用效率和環(huán)境相容行而成為能源系統(tǒng)的重要組成。