数据中心的燃料电池的应用与发展

在决定一个数据中心的建设位置时，确保其与电网的可靠连接通常是企业必须考虑的头等大事。但这也限制了再生能源丰富却位置偏远的数据中心的建设和运营。

微软公司希望另辟蹊径，多年来致力开发和研究更好的解决方式。在过去五年中，微软公司一直在研发不同的数据中心供电方法，例如在机架层面使用氢气燃料电池或天然气燃料电池。这将为数据中心建设与运营提供了位置、可靠性和能源效率方面的优势，但也带来了全新的挑战。

去年，在怀俄明州Dry Creek水回收设施和加州大学欧文分校的美国国家燃料电池研究中心进行了试验后，微软公司在燃料电池商业化方面迈出了迄今为止的最大一步。

微软公司云基础设施和运营总经理 Christian Belady（左）与微软公司云计算基础设施与运营高级研究项目经理 Sean James（右）在西雅图的先进能源实验室

2017年9月，微软公司与McKinstry公司和康明斯公司合作推出了＂世界上第一个天然气驱动的燃料电池供电数据中心＂的设计。

＂我们在西雅图的先进能源实验室（The Advanced Energy Lab）中部署了 20 个机架。＂微软公司云计算基础设施与运营高级研究项目经理 Sean James说，＂这个项目如此具有颠覆性的原因是，它如何从根本上简化了服务器供电的过程，以及使数据中心的能效几乎翻了一番，同时降低了成本，并提高了可靠性。＂

该项目设计称之为＂Stark和简单数据中心＂，将燃料电池部署在服务器机架。燃料电池由阳极、阴极和它们之间的电解质层组成。

在氢气燃料的质子交换膜燃料电池（PEMFC）的情况下，氢分子在阳极分解成质子和电子，由催化剂激活。质子可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子只能通过外电路才能到达阴极。 当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。

不同的燃料电池使用不同的电解质和电荷转移离子，但最有希望用于数据中心的两种燃料电池似乎是质子交换膜燃料电池 （PEMFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC），后者直接使用天然气作为燃料。

固体氧化物燃料电池具有更高的效率、更大的容量，适合连续发电，但运行在更高的温度，将产生二氧化碳，并对负载变化不敏感。

质子交换膜 （PEMFC）燃料电池仍然是当然最环保干净的燃料电池系统，只生产废水，但由于氢气的产生和储存比较困难，很难广泛应用。然而，这种情况可能会在未来发生变化。

固体氧化物燃料电池是替代电网的一种快速和可行的方案，仍然可以提供一些环境优势。微软公司估计可减少49％的二氧化碳排放量，减少91％的氮氧化物，减少68％的一氧化碳，减少93％的挥发性有机化合物。

微软公司正在试验在研究燃料电池供电的数据中心的方法：在机架设备的直流供电方面，该公司解释说，它已经同时对Hydrogenics HyPM 10kW的质子交换膜燃料电池 （PEMFC）和SolidPower Engen 2500 2．5kW的固体氧化物燃料电池（SOFC）进行测试。

Hydrogenics燃料电池系统在设计时考虑到了数据中心和电信设施的应用特点，而目前固体氧化物燃料电池（SOFC）系统尚不存在类似的产品，其主要针对住宅和商业建筑领域，旨在用于热电联产。

该文件指出：＂预计为数据中心的机架内发电而设计的固体氧化物燃料电池（SOFC）系统将产生更多的电力和更少的热量，而这些将被数据中心中现有的空气和空气通风系统冷却。＂

该方法提高能源效率的关键是减少输电损耗。因为电能沿着导线传输时会损耗一部分，而在这些损耗存在于标准数据中心、发电厂、变电站、变压器和交直流变换中。

随着燃料电池部署在服务器机架，一种称为分布式燃料电池（DFC）的方法已经采用，其电力损耗仅限于电池本身的电源变换。

微软公司称，由于在发电、输电和配电过程的电力损耗，发电厂提供的电能只有不到35％是数据中心消耗的。当考虑到数据中心的现场冷却、照明和能源储存相关的能源消耗时，发电厂提供的电能只有17．5％用于服务器运行。

在一篇名为＂数据中心的燃料电池：从服务器产生的电能＂的研究报告中，微软公司指出，在使用天然气燃料电池方法时，假设服务器的冷却负荷与传统燃料电池和数据中心的的工作负荷成比例，那么服务器消耗的电能高达29．5％．如果可以将燃料电池废热用于冷却过程，还可以获得进一步的收益。

能源效率并不是使用天然气燃料电池供电的数据中心具有吸引力的唯一因素。可靠性也可能是一个主要的吸引力，因为天然气的电网基础设施通常埋在地下，并且不受恶劣天气的影响。美国天然气供电的电网可靠性超过99．999％，而市电电网的可靠性仅为99．9％或更低。

这意味着数据中心运营商可以不再采用作为备用电源的柴油发电机组和电池，以及不再采用数据中心内的配电系统，这些设备的成本占数据中心投资成本的四分之一以上。