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氢能和燃料电池技术结合城市燃气的应用

发布时间:2019-10-24 07:47内容来源:网络整理 点击:

李清,王庆余

(北京市燃气集团有限责任公司,北京 100035)

  摘要:结合氢能和燃料电池技术,城市燃气将会更好地发挥其在当前城市能源体系中的作用,既能优化能源结构,提高能源利用效率,又能保障城市能源安全,实现能源耦合互联。本文将从建筑供能应用、分布式发电应用、可再生能源耦合应用、交通应用四个方面,全面地分析氢能和燃料电池技术结合城市燃气的应用。

  氢能作为清洁、高效、安全、可持续的新能源,被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源之一。氢能优势突出,热值高达142.35MJ/kg,燃烧性能好,点燃速度快,产物无污染,氢资源丰富。燃料电池是一种将燃料中化学能直接转化为电能的电化学装置,它能够提高能源利用率,减少废弃物排放,具有发电效率高、环境污染小、比能量高、噪音低、燃料范围广、负荷调节灵活、可靠性高、易于建设的优点。燃气在城市能源体系中发挥着越来越重要的作用。基于燃气管网巨大的储能潜力和高效多元的能源转化方式,可以实现能源多网融合和多能耦合,构建城市综合能源系统。

  氢能作为一种特殊的二次能源,是联系天然气和其他能源形式的重要纽带,对实现电力、热能、冷能、可再生能源等能源与天然气的耦合具有非凡的意义。燃料电池是氢能最主要的技术载体。在氢能与燃料电池技术结合城市燃气的应用中,主要是将燃气通过水蒸气重整反应或其他方式,转化为高纯度的氢气作为燃料电池的燃料,并将燃料电池应用于汽车、民用发电、燃料电池热电联供等。

  1氢能和燃料电池技术

  1.1氢能技术

  目前,氢能已经在很多领域实现了应用。在航空领域,欧盟的“CRYOPLANE”计划充分证明了液氢作为航空燃料的可行性;在军事领域,以氢为燃料的潜艇、军用车已经在应用;在能源领域,有太阳能-氢能系统、生物质氢能系统等;在交通领域,氢燃料车也已经在积极推广。这些应用证实了氢能作为替代能源的可行性。

  氢能主要技术包括氢能制备、储存、运输、转换及应用。实现氢能的规模应用,需要解决包括氢的制备、储存、输运、转换和应用在内的相关技术。其中,燃料电池技术是推动氢能发展的关键所在[1]

  1.2燃料电池技术

  氢燃料电池是将氢的化学能转化为电能和热能的装置,是利用氢能的有效方法之一。燃料电池直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能,具有如下特点。一是高能量转换效率、理论上它的能量转换效率可达90%~100%,目前实际能量转换效率在40%~60%。二是接近于零排放;燃料电池化学产物为纯净水,没有污染物排放。三是安静。燃料电池依电化学原理工作,电池本体无运动部件。四是可靠性高。碱燃料电池和磷酸燃料电池发电厂的运行经验已证明燃料电池的高度可靠。

  依电解质种类,燃料电池分为5类:碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氢化燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)。具体对比如表1所示。


  2应用场景分析

  氢能与燃料电池技术结合城市燃气最重要的应用场景包括建筑供能应用、分布式发电应用、可再生能源耦合应用、交通应用等。下面详述相应技术的应用现状。

  2.1建筑供能应用

  类似天然气三联供系统,氢能与燃料电池也可应用于建筑物供能。燃料电池系统的燃料为城市燃气,具体为天然气、煤气、LPG等。

  燃料电池三联供系统由四部分组成:燃料处理子系统、燃料电池系统、电力电子子系统、余热回收子系统,图1为典型的燃料电池三联供系统示意图。首先,燃料处理子系统将燃气重整为氢气,输送至燃料电池系统进行发电;其次,电力电子子系统将燃料电池产生的直流电转化为交流电,供建筑物使用或并入电网;最后,余热回收子系统将燃料电池发电产生的余热回收、储存,用于制冷、供暖、供热水。

  在欧美、日本等发达国家,在政府大力支持下,燃料电池建筑供能系统已进入商业化应用阶段。德国的SOLIDPOWER公司是小型SOFC燃料电池行业先驱,具有强大技术创新能力。其核心产品BlueGEN号称世界上最高效的m-CHP设备,全球安装数量已经超过1000台。BlueGEN利用天然气发电供热,输入2.5kW燃料,输出1.5kW电和0.6kW热,综合效率达85%。

  日本致力于发展分布式能源系统。日本已有超过20万套家用燃料电池供能系统在运行,是世界上燃料电池应用最广泛的国家。日本家用燃料电池供能系统以城市燃气为燃料,主要由燃料电池和储热水箱组成,燃料电池用于发电,水箱用于回收余热。市面上主流产品包括松下、爱信精机和东芝等,具体参数如表2所示。

  氢能与燃料电池技术在建筑供能领域的推广,必将拓宽城市燃气的应用领域,为城市燃气发展另辟蹊径,进一步优化城市能源结构。

  2.2分布式发电应用

  城市燃气作为优质清洁能源,其主要的用途之一就是发电。燃料电池发电具有效率高、无NOx排放、低噪音等优点。当前,燃料电池分布式发电正处于商业应用初期。燃料电池发电电站主要分布在美国、韩国和日本。

  美国Bloom Energy是分布式发电领域技术力量最强、运作最成功的公司。Bloom Energy主打产品规格为100~250kW,已完全商业化应用。

  在数据中心、医院等特殊电力需求的场所,燃料电池分布式发电系统势必有很大的发展空间。在城市燃气输配系统中,可以利用小型燃料电池分布式发电系统,解决燃气场站的电源问题。国内的电信运营商也正在越来越多地利用燃料电池电源去替代现有的燃油内燃机发电系统。可以预见,结合城市燃气场站,燃料电池发电系统大有可为。

  2.3氢能和可再生能源耦合应用

  氢能能量密度高,较传统储能方式,能够实现储能容量数量级的提升。通过耦合氢能和可再生能源,可实现可再生电力更加可控、稳定、安全的供应。

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