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氢能在电力应用
双击自动滚屏 发布者:zq1229 发布时间:2021/7/27 23:25:16 阅读:87次 【字体:
 

氢能在电力应用

氢能应用火热的领域主要是车用氢燃料电池、燃料电池分布式电站及固定电站。氢能发电可以用来解决电网削峰填谷、新能源稳定并网问题,还可以提高可再生能源所发电力并网的稳定性和电力系统安全性、灵活性,大幅降低碳排放。目前主要采用氢燃料电池发电技术与新能源耦合发电技术,使用燃料电池发电技术,可以减少对煤炭的使用,减少CO2的排放,且发电效率很高。


氢燃料电池发电
根据电解质种类不同,燃料电池分为质子交换膜燃料电池 (PEMFC)、固体氧化物燃料电池 (SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)等。目前重点关注的是 PEMFC 技术和 SOFC 技术
PEMFC 工作温度低、启动快,适用于交通领域。SOFC 能量转化率高、全固态,是一种清洁高效的发电装置,一般用于大型集中供电、分布式发电等作为固定电站。国内学者于 2020 年提出了一种利用 SOFC 燃料电池的新型发电系统,通过高效制氢和废热梯级利用,系统发电效率可达 61.2%。
燃料电池发电本质是氧化还原反应,以 PEMFC 为例,其结构下图,由阴阳极流道、气体扩散层、质子交换膜、催化剂、电极组成,其工作原理为:
质子交换膜燃料电池
① 氢气进入阳极流道,催化剂作用下阳极的氢气分解为氢质子与电子: 
② 电子经由外电路形成电流,通过电极供给负载;
③ 氢质子通过质子交换膜进入电解液中再到达阴极,与透过阴极扩散层的氧气发生反应生成水,并伴随热量产生;
④ 阴极大部分反应物与空气一同排出,少部分透过交换膜扩散至阳极。因此,水是燃料电池唯一的排放物。
下表对比了各种类型燃料电池技术,可以看出不同燃料电池的特性有差异,适用范围也不尽相同,因此对于不同电池类型及其相关特性,有着不同的应用场景。
各燃料电池技术的对比 
其中,PEMFC 功率范围最大,可用于解决电网波动性,作为灵活电源支撑电网的调峰调频,但是电效率较低制约了 PEMFC的发展。PEMFC 工作过程中会有热量散出,将反应热利用起来则PEMFC 热电联供(CHP) 综合能效可在 75%~80% 之间;SOFC 自身发电效率高,在用户侧,通过 CHP 可提高综合能效至 80%,在固定式发电及 CHP 场景下具有巨大的应用前景。
美国和日本多家公司正在开发 10 kW 平面轮机 SOFC 发电装置,德国西门子–西屋电器公司正在测试 100 kW SOFC 管状工作堆,国内也已有学者自主研制出了 5 kW 级 SOFC 系统,并实现了 4.82 kW 的功率输出。我国关于 100 kW 级大功率 SOFC 系统的研究尚有空缺,亟待专家学者在已有低功率 SOFC 的基础上加大力度继续推进。国外学者 A. Herrmann 等人提出一种家用氢燃料电池 CHP 系统并对该系统进行了性能评估,整体结构图下图:
 一种家用热电联供系统 
该系统设计一套氢燃料电池热电联供系统,通过此设计,房屋无需外接天然气管网即可实现CHP,CHP 的电效率接近 50%,总效率高于 95%。氢燃料电池的 CHP 具有很好的发展前景,应基于我国基本国情,借鉴国外先进氢燃料电池 CHP 方 案,用于解决我国孤岛微网电力供应问题,助力氢能在我国的产业化发展,推动“十四五”电力规划的实施。
氢燃气轮机发电
以清洁能源氢燃料替代天然气用于燃气轮机发电也是氢能在电力领域的研究重点。燃气轮机具有很好的负荷调节能力,15 min 左右即可将负荷从零拉满,亦可以氢储能作为中间环节,将氢燃气轮机与新能源混合发电,即可解决弃风弃光问题,也能改善电力系统稳定性,因此燃氢燃气轮机发电是燃气轮机发电的未来发展趋势。
其工作过程是
① 压气机连续地从大气中吸入空气并将其压缩;
② 压缩后的空气进入燃烧室,与喷入的燃料混合后燃烧,成为高温燃气; 
③ 高温燃气流入燃气涡轮中膨胀做工,推动涡轮叶轮旋转输出电力接入负载。
文献提出了一种风–氢–燃气轮机耦合发电系统,系统框架
该系统的思想即是把风电场发出的质量较差的电接入电解槽电解制氢,通过氢储能技术储存电力,在电网需要时再由氢燃气轮机发电并网,可以实现对电网的削峰填谷以及对新能源的消纳,可以作为一种新型储能发电形式与风力、光伏等可再生能源配合发电。
氢燃气轮机的安全性除了燃气轮机本身的回火等技术问题外,更主要的还是在氢气的制、储、 运 3 个方面,氢能储运环节关键技术是氢燃气轮机安全高效应用的核心;氢燃气轮机的经济成本主要是氢气的制取和储运成本,未来最理想的模式是以氢储能为中心,结合新能源和燃气轮机发电。当前电解水制氢成本在18~23 元kg 氢气,再加上氢气储运成本,氢能发电经济性较低,且采取可再生能源制氢后燃烧发电效率极低,当前氢燃气轮机发电难以商业化应用。因此,突破新能源电解制氢成本及氢能储运成本,是氢燃气轮机发电大规模应用的关键
氢能的两类主要发电方式各有优劣,氢燃气轮机发电设备可以使用现有设备改造,设备成本较低,技术基础好,但不可避免排放。日本三菱公司 2018 年研发的新型预混燃烧器可以实现含氢 30% 的混合燃料稳定燃烧,排放低,德国西门子公司开发的氢气燃气轮机经过测试表明,30% 的氢浓度时排放可以低至 20 ppm。氢燃料电池发电设备相对简单,功率范围宽,可以很好地应对可再生能源的波动性,但整体电效率不高,需考虑其热电综合效率。国内有学者提出采用 SOFC 和微型燃气轮机联合发电技术,采 用 CH4 作为燃料,可实现能源的梯级利用,大大提高能源利用率。因此,我国应加大对多设备联合发电技术的研发,以氢储能系统为枢纽,采用氢燃气轮机及氢燃料电池联合发电技术,促进我国新能源的发展,促进能源低碳化转型

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