專題討論報告 First fuel cell CHP system designed for residential and small-scale commercial use 第一個燃料電池熱電聯產系統 專為住宅和小規模的商業用途 組員：49812101 蘇晉弘 49812026 詹孟竣

出處 期刊：Fuel Cells Bulletin 2011年第7期，2011年7月，第12-14頁 作者：Julia Song Vice President of Research & Development, ClearEdge Power, USA 美國ClearEdge Power開發研究副總

導讀 位於俄勒岡的ClearEdge Power公司已經開發出了第一個燃料電池能源系統 供住宅和小型商業應用。 大小如同一般標準的冰箱，並提供熱和電力（CHP）， 消費者和中小型企業能夠利用燃料電池， 這是前所未見的。在美國能源部的贊助下 加快國內市場採用燃料電池技術和公司的 更多的國際擴張計劃，這項技術有望徹底改變 消費者和商家是如何產生能量。

介紹 由於全球電力需求明顯增長和普通發電的成本增加 （圖1），ClearEdge Power已經開發一個能源的解決方案，足以應付全球的能源危機。  ClearEdge5™是一種高效能的能源電池，熱電聯產（CHP）能源系統的基礎上高溫PEM（HTPEM）燃料電池技術。

介紹 石油 氫 核 煤 天然氣 圖1。 在世界日益增長的能源需求（左） 和2009年美國發電源（右） [資料來源：美國能源信息管理局]

介紹 隨著營運的擴大遍及美國，韓國，ClearEdge Power定位 在綠色能源技術創新和市場應用。 現今ClearEdge Power生產了高效能的ClearEdge5系統，適用於住宅和小型商業建築（圖2）。該系統能使客戶明顯的減少的能源費用，並提高了他們的家庭或企業的能源利用效率，減少他們的碳排放狀況。

介紹 圖2。燃料電池系統的ClearEdge5™ 從CLEAREDGE電源有一個緊湊的足跡， 是非常適合使用在住宅和小 商業樓宇。

介紹 完成通過國內和國際專利系統的設計， ClearEdge5使用燃料少40％，減少37％二氧化碳的排放量，在比較傳統的電力生產的其他裝置和傳動裝置（圖3）。 除了發電，ClearEdge5系統每年還產生51萬千瓦時的熱 客戶可以隨時使用，具有6平方英尺（0.6平方米）的痕跡。 相反的，一個5千瓦的太陽能光伏（PV）面板系統 無法提供的熱量，並具有約500平方英尺（46平方米）的痕跡。 生產綠色電力的基本成本每千瓦時0.10美元的電力（LCOE） （終身擁有使用權），即電網電力的成本，明顯小於ClearEdge5系統可以提供90％的熱電聯產能源效率。該系統被設計在 兩個電網連接並獨立於電網的模式。

介紹 圖3。電網與ClearEdge5燃料電池熱電聯產系統

How it works 如何運作 ClearEdge5系統分別由 三個系統建立而成的 燃料電池組， 燃料處理器， 變壓裝置 （圖4）

How it works 如何運作 圖4細部。內部運作

How it works 如何運作 ClearEdge5燃料電池組的設計 基於高溫PEM燃料電池技術。 工作溫度範圍界在 120℃～180℃，在沒有外部加濕作用下。 高溫PEM燃料電池有一個明顯的優勢跟傳統的低溫質子交換膜燃料電池相比，表現出他們的對燃料氣體雜質的高耐受性如 CO（高達3％）， H 2 S（最高至10ppm）， 氨或甲醇（達到不少的百分比）。

How it works 如何運作 另外，由於較高的工作溫度時，燃料電池不需要水管理 ，這會使燃料電池更簡單和成本效益的設計。 此外，高價值的副產物有許多熱可以有效地 使用其他子系統組件，提高整個系統的電效率。

How it works 如何運作 從電催化的角度來看有幾個明顯的優勢， 目前高溫質子交換膜燃料電池， 必須小心通過採取單元設計和材料選擇 為了確保燃料電池的壽命（至少40 000小時的固定電源運用） 持續高功率的輸出。 ClearEdge Power研發團隊超過五 年的研究在材料的選擇和發展， 以及許多美化設計找出更好的生活。

How it works 如何運作 ClearEdge5燃料處理器是專門設計用來 操作高溫質子交換膜燃料電池組。 燃料處理器從市售的天然氣去除掉硫 轉換成富氫合成氣 進一步清理重整合成氣體， 提供燃料電池組的離子交換模反應。 燃料電池組是不使用氫再循環回到燃料處理器 燃燒燃料提供熱能產生反應

How it works 如何運作 在傳統的電廠生產過程中，不是直接燃燒天然氣 ClearEdge5明顯降低排放 污染物和溫室氣體，如 的二氧化碳。 由於高溫的PEM燃料電池組具有較高抗污染 ClearEdge5燃料處理器的設計 更具有成本效益和高效率， 相較於其他市售的質子交換膜燃料處理器 燃料電池。

How it works 如何運作 調整燃料電池的直流輸出 透過市售的直流/直流轉換器 然後轉換交流透過直流/ 交流逆變器。 ClearEdge5系統使用 市售認證的電力電子， 該系統被設計為可 連接電網和獨立電網模式。 交流電源從ClearEdge5 系統直接連接到客戶的電器面板，穩定分散提供 客戶長期的用電需求。

How it works 如何運作 整體效應高是ClearEdge5系統的關鍵的特性 假如客戶可以使用ClearEdge5系統提供全部熱能 該系統可以運轉90％的熱電聯產 和功率效率，其中40％是電 效率，而其餘的熱效率。 如上所講，燃料電池組所產生的熱能被用來產生 燃料處理器的蒸氣，燃料處理反應未曾使用過 燃料電池組的氫燃燒所提供的熱能 透過燃料電池所產生的副產物可以更 進一步被客戶所使用 安裝一個連續提供熱水的循環系統

How it works 如何運作 ClearEdge5系統 –安裝單個或多個在使用環境之識意圖- 可以整合到建築善用產生電力和熱水

Customers and installations 客戶和安裝 Irvine Unified School District 爾灣聯合學區 在加利福尼亞州的爾灣聯合學區早已被確認為學生的表現前瞻性的思維。現在，伍德布里奇在爾灣大學高中將第一高中在全國使用CLEAREDGE電源CHP固定式燃料電池。 每所學校將利用6台 ClearEdge5燃料電池，提供游泳池的電力和熱能， 以及補充學校的標準電源的需求。這些措施，提高能源利用效率並增加內部的可持續性爾灣聯合學區將節省每個學校每年$18 000經營費用，將減少每所學校的二氧化碳37％的排放量 ClearEdge Power 提供一個具有成本效益的解決方案 除了提供電力、發熱還減少我們碳的排放量 －Dr Gwen E，前總學監　爾灣聯合學區

Customers and installations 客戶和安裝 Hampstead Lafayette Hotel 漢普斯特德拉斐特酒店 拉斐特酒店建於1943年，曾經是一個美麗之旅的地方，是明星們嬉鬧玩耍游泳。但在2010年，由約翰尼韋斯馬勒設計拉斐特酒店，包括超過130間客房，設施空間，和一個游泳池，需要改造返回昔日的光澤。作為一個歷史悠久的建築它是必須遵守一些保護歷史結構的指導方針並限制一些典型的能源的升級 組裝八個ClearEdge5燃料電池跟一個完整提升能量效率的系統是可以降低營運成本開發商將節省42%（CAPEX）的系統開支，預計在未來的20年將回收超過120萬美元營運開支（OPEX）實施後該設備將符合能源之星認證 使得拉斐特酒店在該地區第一符合能源之星的餐飲業

Customers and installations 客戶和安裝 Stone Edge Farm 石邊農場 位在加州的索諾瑪谷是有機農場和酒廠，利用ClearEdge5系統，以維持能源效率和可持續發展的目標。ClearEdge5系統使石邊農場明顯地減少所需的能源成本成功的運作地產和葡萄園。特別是，它降低了農場的灌溉系統和燈光運作所需的能量 我們致力於在石邊農場成為世界一流的有機葡萄酒，同時作為一個可以持續 管理農業和自然資源保護的行業減少我們對地球影響的一個關鍵是確定能源能夠有效的幫助我們滿足日益增長的農業作業ClearEdge Power一直在幫助我們走向這個目標透過一個系統明顯得減少傳統能源的依賴同時大大降低我們碳的排放量 透過使用ClearEdge5提供的電力和熱能操作機器，石邊農場預計每年將節省49%的電費並減少排放24000磅(12頓)的二氧化碳20年後 酒廠節省下來的存款將超過250000美元除了帶來的財務效益外，石邊農場選擇ClearEdge5 系統將減輕安裝和整體的審美價值觀

Challenges and Opportunities 面臨的挑戰與機會 燃料電池面臨兩個市場最大的挑戰 成本和可靠性至於解決成本的問題，ClearEdge Powe的研發團隊密切的跟R&D 機構研發新的材料這將滿足成本的需求以及標準的可靠性和耐用性 此外，該設計經過嚴謹的製造和耐用測試為了達到所需的可靠性，所以組件都經過廣泛的測試，去確定故障因素此外，ClearEdge5已經經歷了多次設計在Alpha和Beta的試驗 為了實現成本和可靠性的目標ClearEdge透過這些客戶提供的意見 廣泛的採用電池燃料技術

Next steps 下一步 全球能源需求倍增 為了解決替代能源方案 成本效益，易於實現，並支撐基本的電力需求 ClearEdge Power在美國、歐洲和南美洲、南韓提供分佈式的發電技術 該公司吸引了住宅、輕型商用車和機構市場以及公營機關 希望增加替代能源的組合和減輕電網基礎設施的阻塞點 ClearEdge Power將持續擴大至全美國 公司也將會談幾個實用程序到更多的國際市場

Conclusions 結論 解決現有的替代能源方案問題，ClearEdge5燃料電池熱電聯產系統為客戶提供了先進的且以現有的天然氣為基礎並能在第一天運作時提供立即的減碳的綠色電力系統。 為消費者，企業和機構尋找一個易於實施的綠色技術能提供更好的控制和可靠性且超過他們所需求的電力ClearEdge5 呈現一個令人信服的方案 有強大的工程技術和研發團隊ClearEdge Power 在過去五年已經開發出燃料電池，現在正在做轟動世界的替代能源不斷琢磨技術，並尋求擴大其產品生產和市場能力