資訊專欄INFORMATION COLUMN
摘要：燃料電池系統在設計時考慮到了數據中心和電信設施的應用特點，而目前固體氧化物燃料電池系統尚不存在類似的產品，其主要針對住宅和商業建筑領域，旨在用于熱電聯產。
在決定一個數據中心的建設位置時，確保其與電網的可靠連接通常是企業必須考慮的頭等大事。但這也限制了再生能源豐富卻位置偏遠的數據中心的建設和運營。
微軟公司希望另辟蹊徑，多年來致力開發和研究更好的解決方式。在過去五年中，微軟公司一直在研發不同的數據中心供電方法，例如在機架層面使用氫氣燃料電池或天然氣燃料電池。這將為數據中心建設與運營提供了位置、可靠性和能源效率方面的優勢，但也帶來了全新的挑戰。
去年，在懷俄明州Dry Creek水回收設施和加州大學歐文分校的美國國家燃料電池研究中心進行了試驗后，微軟公司在燃料電池商業化方面邁出了迄今為止的最大一步。
微軟公司云基礎設施和運營總經理 Christian Belady（左）與微軟公司云計算基礎設施與運營高級研究項目經理 Sean James（右）在西雅圖的先進能源實驗室
2017年9月，微軟公司與McKinstry公司和康明斯公司合作推出了＂世界上第一個天然氣驅動的燃料電池供電數據中心＂的設計。
＂我們在西雅圖的先進能源實驗室（The Advanced Energy Lab）中部署了 20 個機架。＂微軟公司云計算基礎設施與運營高級研究項目經理 Sean James說，＂這個項目如此具有顛覆性的原因是，它如何從根本上簡化了服務器供電的過程，以及使數據中心的能效幾乎翻了一番，同時降低了成本，并提高了可靠性。＂
該項目設計稱之為＂Stark和簡單數據中心＂，將燃料電池部署在服務器機架。燃料電池由陽極、陰極和它們之間的電解質層組成。
在氫氣燃料的質子交換膜燃料電池（PEMFC）的情況下，氫分子在陽極分解成質子和電子，由催化劑激活。質子可直接穿過質子交換膜到達陰極，而電子只能通過外電路才能到達陰極。 當電子通過外電路流向陰極時就產生了直流電。
不同的燃料電池使用不同的電解質和電荷轉移離子，但最有希望用于數據中心的兩種燃料電池似乎是質子交換膜燃料電池 （PEMFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC），后者直接使用天然氣作為燃料。
固體氧化物燃料電池具有更高的效率、更大的容量，適合連續發電，但運行在更高的溫度，將產生二氧化碳，并對負載變化不敏感。
質子交換膜 （PEMFC）燃料電池仍然是當然最環保干凈的燃料電池系統，只生產廢水，但由于氫氣的產生和儲存比較困難，很難廣泛應用。然而，這種情況可能會在未來發生變化。
固體氧化物燃料電池是替代電網的一種快速和可行的方案，仍然可以提供一些環境優勢。微軟公司估計可減少49％的二氧化碳排放量，減少91％的氮氧化物，減少68％的一氧化碳，減少93％的揮發性有機化合物。
微軟公司正在試驗在研究燃料電池供電的數據中心的方法：在機架設備的直流供電方面，該公司解釋說，它已經同時對Hydrogenics HyPM 10kW的質子交換膜燃料電池 （PEMFC）和SolidPower Engen 2500 2．5kW的固體氧化物燃料電池（SOFC）進行測試。
Hydrogenics燃料電池系統在設計時考慮到了數據中心和電信設施的應用特點，而目前固體氧化物燃料電池（SOFC）系統尚不存在類似的產品，其主要針對住宅和商業建筑領域，旨在用于熱電聯產。
該文件指出：＂預計為數據中心的機架內發電而設計的固體氧化物燃料電池（SOFC）系統將產生更多的電力和更少的熱量，而這些將被數據中心中現有的空氣和空氣通風系統冷卻。＂
該方法提高能源效率的關鍵是減少輸電損耗。因為電能沿著導線傳輸時會損耗一部分，而在這些損耗存在于標準數據中心、發電廠、變電站、變壓器和交直流變換中。
隨著燃料電池部署在服務器機架，一種稱為分布式燃料電池（DFC）的方法已經采用，其電力損耗僅限于電池本身的電源變換。
微軟公司稱，由于在發電、輸電和配電過程的電力損耗，發電廠提供的電能只有不到35％是數據中心消耗的。當考慮到數據中心的現場冷卻、照明和能源儲存相關的能源消耗時，發電廠提供的電能只有17．5％用于服務器運行。
在一篇名為＂數據中心的燃料電池：從服務器產生的電能＂的研究報告中，微軟公司指出，在使用天然氣燃料電池方法時，假設服務器的冷卻負荷與傳統燃料電池和數據中心的的工作負荷成比例，那么服務器消耗的電能高達29．5％．如果可以將燃料電池廢熱用于冷卻過程，還可以獲得進一步的收益。
能源效率并不是使用天然氣燃料電池供電的數據中心具有吸引力的唯一因素。可靠性也可能是一個主要的吸引力，因為天然氣的電網基礎設施通常埋在地下，并且不受惡劣天氣的影響。美國天然氣供電的電網可靠性超過99．999％，而市電電網的可靠性僅為99．9％或更低。
這意味著數據中心運營商可以不再采用作為備用電源的柴油發電機組和電池，以及不再采用數據中心內的配電系統，這些設備的成本占數據中心投資成本的四分之一以上。
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