氫能和燃料電池如何結(jié)合城市燃?xì)鈶?yīng)用

　　氫能作為清潔、高效、安全、可持續(xù)的新能源，被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ?a href="http://msthinker.com/news/article-5683.html" target="_blank">清潔能源之一。氫能優(yōu)勢(shì)突出，熱值高達(dá)142.35MJ/kg，燃燒性能好，點(diǎn)燃速度快，產(chǎn)物無(wú)污染，氫資源豐富。燃料電池是一種將燃料中化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置，它能夠提高能源利用率，減少?gòu)U棄物排放，具有發(fā)電效率高、環(huán)境污染小、比能量高、噪音低、燃料范圍廣、負(fù)荷調(diào)節(jié)靈活、可靠性高、易于建設(shè)的優(yōu)點(diǎn)。燃?xì)庠诔鞘心茉大w系中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用?；谌?xì)夤芫W(wǎng)巨大的儲(chǔ)能潛力和高效多元的能源轉(zhuǎn)化方式，可以實(shí)現(xiàn)能源多網(wǎng)融合和多能耦合，構(gòu)建城市綜合能源系統(tǒng)。

　　氫能作為一種特殊的二次能源，是聯(lián)系天然氣和其他能源形式的重要紐帶，對(duì)實(shí)現(xiàn)電力、熱能、冷能、可再生能源等能源與天然氣的耦合具有非凡的意義。燃料電池是氫能最主要的技術(shù)載體。在氫能與燃料電池技術(shù)結(jié)合城市燃?xì)獾膽?yīng)用中，主要是將燃?xì)馔ㄟ^(guò)水蒸氣重整反應(yīng)或其他方式，轉(zhuǎn)化為高純度的氫氣作為燃料電池的燃料，并將燃料電池應(yīng)用于汽車、民用發(fā)電、燃料電池?zé)犭娐?lián)供等。

　　1氫能和燃料電池技術(shù)

　　1.1氫能技術(shù)

　　目前，氫能已經(jīng)在很多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用。在航空領(lǐng)域，歐盟的“CRYOPLANE”計(jì)劃充分證明了液氫作為航空燃料的可行性；在軍事領(lǐng)域，以氫為燃料的潛艇、軍用車已經(jīng)在應(yīng)用；在能源領(lǐng)域，有太陽(yáng)能-氫能系統(tǒng)、生物質(zhì)氫能系統(tǒng)等；在交通領(lǐng)域，氫燃料車也已經(jīng)在積極推廣。這些應(yīng)用證實(shí)了氫能作為替代能源的可行性。

　　氫能主要技術(shù)包括氫能制備、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)換及應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)氫能的規(guī)模應(yīng)用，需要解決包括氫的制備、儲(chǔ)存、輸運(yùn)、轉(zhuǎn)換和應(yīng)用在內(nèi)的相關(guān)技術(shù)。其中，燃料電池技術(shù)是推動(dòng)氫能發(fā)展的關(guān)鍵所在。

　　1.2燃料電池技術(shù)

　　氫燃料電池是將氫的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能和熱能的裝置，是利用氫能的有效方法之一。燃料電池直接將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，具有如下特點(diǎn)。一是高能量轉(zhuǎn)換效率、理論上它的能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)90%～100%，目前實(shí)際能量轉(zhuǎn)換效率在40%～60%。二是接近于零排放；燃料電池化學(xué)產(chǎn)物為純凈水，沒(méi)有污染物排放。三是安靜。燃料電池依電化學(xué)原理工作，電池本體無(wú)運(yùn)動(dòng)部件。四是可靠性高。堿燃料電池和磷酸燃料電池發(fā)電廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)已證明燃料電池的高度可靠。

　　依電解質(zhì)種類，燃料電池分為5類：堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氫化燃料電池（SOFC）和質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）。具體對(duì)比如表1所示。

　　2應(yīng)用場(chǎng)景分析

　　氫能與燃料電池技術(shù)結(jié)合城市燃?xì)庾钪匾膽?yīng)用場(chǎng)景包括建筑供能應(yīng)用、分布式發(fā)電應(yīng)用、可再生能源耦合應(yīng)用、交通應(yīng)用等。下面詳述相應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀。

　　2.1建筑供能應(yīng)用

　　類似天然氣三聯(lián)供系統(tǒng)，氫能與燃料電池也可應(yīng)用于建筑物供能。燃料電池系統(tǒng)的燃料為城市燃?xì)?，具體為天然氣、煤氣、LPG等。

　　燃料電池三聯(lián)供系統(tǒng)由四部分組成：燃料處理子系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、電力電子子系統(tǒng)、余熱回收子系統(tǒng)，圖1為典型的燃料電池三聯(lián)供系統(tǒng)示意圖。

　　首先，燃料處理子系統(tǒng)將燃?xì)庵卣麨闅錃?，輸送至燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電；其次，電力電子子系統(tǒng)將燃料電池產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化為交流電，供建筑物使用或并入電網(wǎng)；最后，余熱回收子系統(tǒng)將燃料電池發(fā)電產(chǎn)生的余熱回收、儲(chǔ)存，用于制冷、供暖、供熱水。

　　在歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，在政府大力支持下，燃料電池建筑供能系統(tǒng)已進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段。德國(guó)的SOLIDPOWER公司是小型SOFC燃料電池行業(yè)先驅(qū)，具有強(qiáng)大技術(shù)創(chuàng)新能力。其核心產(chǎn)品BlueGEN號(hào)稱世界上最高效的m-CHP設(shè)備，全球安裝數(shù)量已經(jīng)超過(guò)1000臺(tái)。BlueGEN利用天然氣發(fā)電供熱，輸入2.5kW燃料，輸出1.5kW電和0.6kW熱，綜合效率達(dá)85%。

　　日本致力于發(fā)展分布式能源系統(tǒng)。日本已有超過(guò)20萬(wàn)套家用燃料電池供能系統(tǒng)在運(yùn)行，是世界上燃料電池應(yīng)用最廣泛的國(guó)家。日本家用燃料電池供能系統(tǒng)以城市燃?xì)鉃槿剂?，主要由燃料電池和?chǔ)熱水箱組成，燃料電池用于發(fā)電，水箱用于回收余熱。市面上主流產(chǎn)品包括松下、愛(ài)信精機(jī)和東芝等，具體參數(shù)如表2所示。

　　氫能與燃料電池技術(shù)在建筑供能領(lǐng)域的推廣，必將拓寬城市燃?xì)獾膽?yīng)用領(lǐng)域，為城市燃?xì)獍l(fā)展另辟蹊徑，進(jìn)一步優(yōu)化城市能源結(jié)構(gòu)。

　　2.2分布式發(fā)電應(yīng)用

　　城市燃?xì)庾鳛閮?yōu)質(zhì)清潔能源，其主要的用途之一就是發(fā)電。燃料電池發(fā)電具有效率高、無(wú)NOx排放、低噪音等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前，燃料電池分布式發(fā)電正處于商業(yè)應(yīng)用初期。燃料電池發(fā)電電站主要分布在美國(guó)、韓國(guó)和日本。

　　美國(guó)BloomEnergy是分布式發(fā)電領(lǐng)域技術(shù)力量最強(qiáng)、運(yùn)作最成功的公司。BloomEnergy主打產(chǎn)品規(guī)格為100～250kW，已完全商業(yè)化應(yīng)用。

　　在數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院等特殊電力需求的場(chǎng)所，燃料電池分布式發(fā)電系統(tǒng)勢(shì)必有很大的發(fā)展空間。在城市燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)中，可以利用小型燃料電池分布式發(fā)電系統(tǒng)，解決燃?xì)鈭?chǎng)站的電源問(wèn)題。國(guó)內(nèi)的電信運(yùn)營(yíng)商也正在越來(lái)越多地利用燃料電池電源去替代現(xiàn)有的燃油內(nèi)燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，結(jié)合城市燃?xì)鈭?chǎng)站，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)大有可為。

　　2.3氫能和可再生能源耦合應(yīng)用

　　氫能能量密度高，較傳統(tǒng)儲(chǔ)能方式，能夠?qū)崿F(xiàn)儲(chǔ)能容量數(shù)量級(jí)的提升。通過(guò)耦合氫能和可再生能源，可實(shí)現(xiàn)可再生電力更加可控、穩(wěn)定、安全的供應(yīng)。

　　借助現(xiàn)有城市燃?xì)恺嫶蟮闹蓖ㄓ脩艄芫W(wǎng)，可再生能源電力制氫，再將氫能摻入天然氣管道的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)階段將城市天然氣與可再生能源耦合的前景。國(guó)外關(guān)于天然氣摻氫的研究比較前沿。在德國(guó)，已有天然氣管道摻氫運(yùn)營(yíng)的示范項(xiàng)目。在國(guó)內(nèi)，人們對(duì)天然氣摻氫問(wèn)題進(jìn)行大量探索研究，但對(duì)于管道材料與摻氫比例、氫對(duì)燃?xì)夤艿烙绊?、末端設(shè)備對(duì)于摻氫燃?xì)獾倪m用性等關(guān)鍵性問(wèn)題尚未有定論，天然氣摻氫的應(yīng)用尚正處于摸索階段。

　　一般地，氫儲(chǔ)能的全過(guò)程轉(zhuǎn)換效率（完成電-氫-電循環(huán)）可達(dá)40%～50%。氫能和可再生能源耦合供能系統(tǒng)如圖2所示。

　　國(guó)外已有氫能和可再生能源耦合應(yīng)用的示范項(xiàng)目如下。

　　2013年，德國(guó)建成了第一個(gè)商業(yè)化的風(fēng)電制氫多能互補(bǔ)項(xiàng)目——h2-herten。該項(xiàng)目每年能夠提供250MW·h的電力和將近6500kg的氫氣，其中一部分氫氣通過(guò)燃料電池為附近的一個(gè)辦公建筑提供足夠的電力。該項(xiàng)目在2013年5月29日開(kāi)始運(yùn)行，至今運(yùn)行良好。該項(xiàng)目充分證明了微電網(wǎng)內(nèi)通過(guò)耦合氫能和可再生能源可以實(shí)現(xiàn)電力的靈活穩(wěn)定供應(yīng)。

　　同樣，法國(guó)在科西嘉島啟動(dòng)完成MYRTE發(fā)電項(xiàng)目。該項(xiàng)目將光伏發(fā)電與氫儲(chǔ)能結(jié)合起來(lái)，使光伏電站的電力輸出平均化，更易于并入電網(wǎng)。該項(xiàng)目裝設(shè)了560kW的光伏發(fā)電設(shè)備，50kW的電解水裝置以及100kW的PEMFC燃料電池。

　　國(guó)內(nèi)首個(gè)風(fēng)電制氫工業(yè)應(yīng)用項(xiàng)目——沽源風(fēng)電制氫項(xiàng)目也已經(jīng)順利開(kāi)工建設(shè)，該項(xiàng)目勢(shì)必將有效解決河北大面積棄風(fēng)問(wèn)題，破解風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸。

　　2.4交通應(yīng)用

　　車用燃料電池具有效率高、啟動(dòng)快、環(huán)保性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。汽車行業(yè)預(yù)測(cè)燃料電池汽車是取代汽車內(nèi)燃機(jī)的理想解決方案，是21世紀(jì)汽車動(dòng)力源的最佳選擇。燃料電動(dòng)汽車的發(fā)展離不開(kāi)加氫站基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。下面從燃料電動(dòng)汽車和加氫站兩方面進(jìn)行介紹。

　　2.4.1燃料電池汽車

　　燃料電池汽車應(yīng)用主要包括乘用車和客車。在國(guó)外，燃料電池乘用車已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。日本和韓國(guó)的燃料電池研發(fā)水平目前處于全球領(lǐng)先的水平，尤其是豐田、日產(chǎn)和現(xiàn)代汽車公司，在燃料電池電動(dòng)汽車的耐久性、壽命和成本等方面逐步超越了美國(guó)和歐洲。

　　我國(guó)燃料電池乘用車和國(guó)外典型產(chǎn)品的性能對(duì)比，在整車總布置、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、續(xù)駛里程等方面與國(guó)際的差距不大，混合動(dòng)力系統(tǒng)集成和控制的水平差距也不大。但是，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的功率明顯低于國(guó)外水平，國(guó)內(nèi)典型轎車燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)在35～50kW左右，國(guó)外的基本在90～100kW的水平。

　　相對(duì)地，燃料電池客車因技術(shù)門(mén)檻相對(duì)較低、具有良好的宣傳推廣效應(yīng)，更易得到應(yīng)用。當(dāng)前，我國(guó)已經(jīng)具有燃料電池客車的示范運(yùn)行路線。2006年，北京奧運(yùn)會(huì)期間，在永豐就開(kāi)通了第一條燃料電池客車示范路線。2010年，上海世博會(huì)、廣州亞運(yùn)會(huì)期間均開(kāi)通了燃料電池客車示范。運(yùn)行結(jié)果顯示，我國(guó)燃料電池城市客車性能多數(shù)指標(biāo)（加速時(shí)間、最高車速、續(xù)駛里程、氫氣消耗量等）和國(guó)外產(chǎn)品水平相當(dāng)，其中氫耗指標(biāo)和整車成本還有一定優(yōu)勢(shì)。

　　2.4.2加氫站

　　氫燃料電池汽車的發(fā)展和商業(yè)化離不開(kāi)加氫站的建設(shè)。國(guó)外加氫站設(shè)施建設(shè)更為完善，發(fā)展較為迅速。目前大力發(fā)展燃料電池汽車加氫站的國(guó)家主要有美國(guó)、德國(guó)、日本，其均制定了長(zhǎng)期的發(fā)展規(guī)劃，其中日本成為世界上加氫站最多的國(guó)家。截至2018年3月，全球約有318座加氫站，其中亞洲大約129座；歐洲大約126座；北美地區(qū)大約有63座加氫站。日本是全球第一個(gè)加氫站超過(guò)100座的國(guó)家。

　　相比國(guó)外，我國(guó)加氫站發(fā)展較為滯后。截至2018年2月，我國(guó)已建成及在建的加氫站共有31座，正在運(yùn)營(yíng)的僅有12座，分別位于北京、上海、江蘇、遼寧、安徽、河南、廣東和四川等地。

　　加氫站建設(shè)可以結(jié)合現(xiàn)狀城市燃?xì)饧託庹具M(jìn)行合理規(guī)劃，可以對(duì)一些利用率不高的LNG、CNG站進(jìn)行綜合改造，完成加氫站和加氣站的綜合建設(shè)，提高城市燃?xì)夤┠芏鄻有浴?/p>

　　3結(jié)論

　　氫能與燃料電池技術(shù)結(jié)合城市燃?xì)庠诮ㄖ┠軕?yīng)用、分布式發(fā)電應(yīng)用、可再生能源耦合應(yīng)用、交通應(yīng)用方面等都有實(shí)例，國(guó)內(nèi)外都在積極推進(jìn)氫能和燃料電池的發(fā)展。氫能和燃料電池技術(shù)的應(yīng)用將進(jìn)一步鞏固城市燃?xì)庾鳛槌鞘兄匾茉吹牡匚唬行岣叱鞘心茉蠢眯?，改善城市能源結(jié)構(gòu)，提高城市燃?xì)饣A(chǔ)設(shè)施利用率，利于最終建成城市多能協(xié)同、智能耦合的綜合能源體系。（文/李清 王慶余，北京燃?xì)?，中?guó)資源綜合利用