氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)現(xiàn)狀及其在電力系統(tǒng)中的典型應(yīng)用

李建林，李光輝，馬速良，宋潔

（1.儲(chǔ)能技術(shù)工程研究中心（北方工業(yè)大學(xué)），北京市石景山區(qū) 100144；2.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司，北京市昌平區(qū) 102211）

0 引言

我國(guó)能源高度對(duì)外依存及“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出，一方面為豐富我國(guó)能源結(jié)構(gòu)組成，減少能源對(duì)外依存度，保障我國(guó)能源安全，另一方面，為實(shí)現(xiàn)“2030年碳達(dá)峰，2060年碳中和”目標(biāo)，能源行業(yè)紛紛向低碳、綠色、清潔方向轉(zhuǎn)型，風(fēng)力、光伏等可再生能源得到快速發(fā)展[1-3]。氫能作為一種高能量密度和無污染綠色能源，具有極佳的儲(chǔ)能能力，適合大規(guī)模儲(chǔ)能，對(duì)于不穩(wěn)定的、富裕的可再生能源轉(zhuǎn)化的電能，是較佳的儲(chǔ)運(yùn)介質(zhì)[1,4]。但由于氫氣的高能量密度和特殊化學(xué)性質(zhì)，其安全儲(chǔ)運(yùn)和利用給研發(fā)人員帶來了巨大挑戰(zhàn)。因此，世界各國(guó)開始探索安全高效的氫能儲(chǔ)運(yùn)和電力應(yīng)用技術(shù)，如日本大力研發(fā)有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)及高效氫燃料電池發(fā)電技術(shù)，提高氫能儲(chǔ)運(yùn)及發(fā)電的安全性和效率。我國(guó)也積極探索氫能發(fā)展戰(zhàn)略，加強(qiáng)對(duì)氫能儲(chǔ)運(yùn)及電力應(yīng)用的政策支持，保障氫能產(chǎn)業(yè)的安全高效發(fā)展。

在2020年國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021－2035年）》中提到，力爭(zhēng)經(jīng)過15年的持續(xù)努力，氫燃料供給體系建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)，要求攻克氫能儲(chǔ)運(yùn)、加氫站、車載儲(chǔ)氫等氫燃料電池汽車應(yīng)用支撐技術(shù)，支持有條件的地區(qū)開展氫燃料電池汽車商業(yè)化示范運(yùn)行，有效促進(jìn)節(jié)能減排水平和社會(huì)運(yùn)行效率的提升[5]?？梢姎淠軆?chǔ)運(yùn)技術(shù)及氫燃料電池技術(shù)是氫能產(chǎn)業(yè)鏈中亟待技術(shù)攻關(guān)的領(lǐng)域，也是我國(guó)“十四五”電力規(guī)劃中的電力關(guān)鍵技術(shù)。2020年9月8日，國(guó)家發(fā)改委等四部委印發(fā)《關(guān)于擴(kuò)大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)投資，培育壯大新增長(zhǎng)點(diǎn)增長(zhǎng)極的指導(dǎo)意見》，意見指出加快新能源發(fā)展，加快制氫加氫設(shè)施建設(shè)[6]。隨著氫能相關(guān)政策的頒布和完善，國(guó)家還鼓勵(lì)支持了一大批氫能儲(chǔ)運(yùn)及應(yīng)用項(xiàng)目規(guī)劃和啟動(dòng)。隨著我國(guó)政策的引導(dǎo)以及大批氫能項(xiàng)目落地，氫能技術(shù)不斷突破，產(chǎn)業(yè)體系逐步完善，我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化的快車道。在氫能全產(chǎn)業(yè)鏈應(yīng)用中，氫能的高密度儲(chǔ)運(yùn)是氫能發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，同時(shí)也是我國(guó)氫能布局的瓶頸。以國(guó)內(nèi)某地為例，若該地全部氫能車輛正常運(yùn)營(yíng)，氫氣日需求量為15 t左右，目前采用的高壓長(zhǎng)管拖車輸氫量?jī)H為200～300 kg，且氫能輸運(yùn)成本較高，導(dǎo)致氫能的應(yīng)用環(huán)節(jié)難以大規(guī)模發(fā)展[7]。另一方面，相較于傳統(tǒng)電池技術(shù)如鋰離子電池等，氫燃料電池電效率低，成本高等問題也是制約氫能大規(guī)模應(yīng)用的因素。因此，我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)儲(chǔ)運(yùn)及應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)亟待突破，基礎(chǔ)設(shè)施仍有待加強(qiáng)。因此，本文對(duì)氫能儲(chǔ)運(yùn)和應(yīng)用兩個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，總結(jié)現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)我國(guó)氫能未來技術(shù)的發(fā)展方向做出展望。

1 氫能儲(chǔ)運(yùn)關(guān)鍵技術(shù)

氫能全產(chǎn)業(yè)鏈包含制氫、氫儲(chǔ)運(yùn)和氫能利用3個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其全產(chǎn)業(yè)鏈如圖1所示。在氫能源發(fā)展方面，我國(guó)面臨的最主要挑戰(zhàn)即在于氫能的儲(chǔ)運(yùn)。找到安全、經(jīng)濟(jì)、高效、可行的儲(chǔ)運(yùn)模式，是氫能全生命周期應(yīng)用的關(guān)鍵。氫能儲(chǔ)運(yùn)包括氫氣的儲(chǔ)存以及氫能源的運(yùn)輸。

圖1 制氫、儲(chǔ)運(yùn)與利用全產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)疽鈭DFig.1 Diagrammatic drawing of whole industry chain for hydrogen production,storage and transportation and utilization

1.1 氫能儲(chǔ)存

儲(chǔ)氫技術(shù)要求是安全、大容量、低成本以及取用方便。目前，儲(chǔ)氫方法主要分為低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、固體材料儲(chǔ)氫及有機(jī)液體儲(chǔ)氫4種。4種主要儲(chǔ)氫方式對(duì)比如表1所示。

表1 4種主要儲(chǔ)氫方式的優(yōu)缺點(diǎn)以及目前的主要應(yīng)用Table1 Advantagesand disadvantagesof the four main hydrogen storage methodsand present main application

通過對(duì)比4種儲(chǔ)氫技術(shù)來看，高壓儲(chǔ)氫目前最為成熟，應(yīng)用也最廣，但是儲(chǔ)氫密度和安全性方面存在瓶頸；固體材料儲(chǔ)氫則有著巨大潛力，但是目前處于研究階段；低溫液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)具有單位質(zhì)量和單位體積儲(chǔ)氫密度大的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但目前儲(chǔ)存成本過高，主要體現(xiàn)在液化過程耗能大，以及對(duì)儲(chǔ)氫容器的絕熱性能要求極高兩個(gè)方面；有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫由于成本和技術(shù)問題還未能大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。

1.1.1 高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫

高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)比較成熟，是目前我國(guó)最常用的儲(chǔ)氫技術(shù)[8]。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫即通過高壓將氫氣壓縮到一個(gè)耐高壓的容器中，高壓容器內(nèi)氫以氣態(tài)儲(chǔ)存，氫氣的儲(chǔ)量與儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力成正比。通常采用氣罐作為容器，簡(jiǎn)便易行，其優(yōu)點(diǎn)是存儲(chǔ)能耗低、成本低(壓力不太高時(shí)),且可通過減壓閥調(diào)控氫氣的釋放，因此，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫已成為較為成熟的儲(chǔ)氫方案[7-10]。

目前國(guó)內(nèi)主要采用35 MPa碳纖維復(fù)合鋼瓶?jī)?chǔ)運(yùn)，日本等國(guó)家主要使用70 MPa儲(chǔ)氫罐。35 MPa氫氣密度約為23 kg/m3，70 MPa儲(chǔ)氫罐中氫氣密度約為38 kg/m3，日本豐田于2017年發(fā)表的一項(xiàng)新型專利提出了全復(fù)合輕質(zhì)纖維纏繞儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)方法，儲(chǔ)氫壓力即可以達(dá)到70 MPa，氫氣質(zhì)量密度約為5.7%。但是儲(chǔ)氫罐加壓過程成本較大，且隨著壓力的增大，儲(chǔ)氫的安全性也會(huì)大大降低，存有泄漏、爆炸的安全隱患，因此安全性能有待提升[11]。未來，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫還需向輕量化、高壓化、低成本、質(zhì)量穩(wěn)定的方向發(fā)展，會(huì)探索新型儲(chǔ)氫罐材料以匹配更高壓力下的儲(chǔ)氫需求，提高儲(chǔ)氫安全性和經(jīng)濟(jì)性。

1.1.2 低溫/有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫

1）低溫液態(tài)儲(chǔ)氫是先將氫氣液化，然后儲(chǔ)存在低溫絕熱真空容器中。該方式的優(yōu)點(diǎn)是氫的體積能量很高，由于液氫密度為70.78 kg/m3，是標(biāo)況下氫氣密度的近850倍，即使將氫氣壓縮，氣態(tài)氫單位體積的儲(chǔ)存量也不及液態(tài)儲(chǔ)存[8,12]。但液氫的沸點(diǎn)極低(?252.78℃)，與環(huán)境溫差極大,對(duì)儲(chǔ)氫容器的絕熱要求很高[13]。目前最大的液化儲(chǔ)氫罐是位于美國(guó)肯尼迪航天中心的儲(chǔ)氫罐，儲(chǔ)氫容積達(dá)12000 L。

2）有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫是通過加氫反應(yīng)將氫氣與甲烷(TOL)等芳香族有機(jī)化合物固定，形成分子內(nèi)結(jié)合有氫的甲基環(huán)己烷（MCH）等飽和環(huán)狀化合物，從而可在常溫和常壓下，以液態(tài)形式進(jìn)行儲(chǔ)存和運(yùn)輸，并在使用地點(diǎn)在催化劑作用下通過脫氫反應(yīng)提取出所需量的氫氣,整體流程如圖2所示[14-16]。液態(tài)有機(jī)物儲(chǔ)氫使得氫可在常溫常壓下以液態(tài)輸運(yùn)，儲(chǔ)運(yùn)過程安全、高效，但還存在脫氫技術(shù)復(fù)雜、脫氫能耗大、脫氫催化劑技術(shù)亟待突破等技術(shù)瓶頸。若能解決上述問題，液態(tài)有機(jī)物儲(chǔ)氫將成為氫能儲(chǔ)運(yùn)領(lǐng)域最有希望取得大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)之一。

圖2 氫氣有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)過程示意圖Fig.2 Diagrammatic drawing of hydrogen’sorganic liquid state storage and transportation process

對(duì)于大規(guī)模、遠(yuǎn)距離的氫能儲(chǔ)運(yùn)，低溫液態(tài)儲(chǔ)氫才有較大優(yōu)勢(shì)，當(dāng)運(yùn)輸500 km時(shí)，液氫配送成本每kg僅增加約0.3USD，而高壓氣態(tài)運(yùn)輸成本將上升5倍以上[16]。目前低溫液氫主要作為低溫推進(jìn)劑用于航天中，也有學(xué)者開始研究將液氫作為車載燃料動(dòng)力，但到目前為止還沒有實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展[12,17-18]。液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)目前只有日本川崎重工的液化儲(chǔ)氫和千代田公司的有機(jī)化學(xué)氫化物儲(chǔ)氫技術(shù)得到了示范應(yīng)用。在有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫領(lǐng)域，美國(guó)化學(xué)家研制出一種B-N基液態(tài)儲(chǔ)氫材料，可在室溫下安全工作，該項(xiàng)技術(shù)的突破為氫能儲(chǔ)運(yùn)難題提供了解決方案。今后一段時(shí)間我國(guó)應(yīng)加大對(duì)低溫、有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)的攻關(guān)，開發(fā)低成本低功耗的脫氫催化劑和低熔點(diǎn)儲(chǔ)氫介質(zhì)等，這對(duì)國(guó)內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)布局具有重要意義，亦是未來氫能儲(chǔ)運(yùn)大規(guī)模發(fā)展的重要方向。

1.1.3 固體材料儲(chǔ)氫

根據(jù)固態(tài)材料儲(chǔ)氫機(jī)制的差異，主要可將儲(chǔ)氫材料分為物理吸附型儲(chǔ)氫材料和金屬氫化物基儲(chǔ)氫合金兩類，其中，金屬氫化物儲(chǔ)氫是目前最有希望且發(fā)展較快的固態(tài)儲(chǔ)氫方式[19-21]。固體儲(chǔ)氫材料分類如圖3所示。

圖3 不同儲(chǔ)氫方式所用固體材料Fig.3 Solid materialsfor different hydrogen storage ways

金屬氫化物儲(chǔ)氫即利用金屬氫化物儲(chǔ)氫材料來儲(chǔ)存和釋放氫氣。在一定溫度下加壓，過渡金屬或合金與氫反應(yīng)，以金屬氫化物形式吸附氫，然后加熱氫化物釋放氫[19]。如LaNi5H6、MgH2和NaAlH4[10,22-23]，其反應(yīng)方程式如下：

式中： M是 金屬或金屬化合物； ΔQ為反應(yīng)熱。生成金屬氫化物的過程是一個(gè)放熱過程，釋放氫則需要對(duì)氫化物加熱[13]。

金屬氫化物儲(chǔ)氫罐供氫方式具有以下特點(diǎn):儲(chǔ)氫體積密度大、操作容易、運(yùn)輸方便、成本低、安全性好、可逆循環(huán)好等,但是質(zhì)量效率低，如果質(zhì)量效率能夠有效提高的話，這種儲(chǔ)氫方式非常適合在燃料電池汽車上使用[19,24-25]。對(duì)比綜合儲(chǔ)氫技術(shù)，將不同儲(chǔ)氫技術(shù)的各方面特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)如圖4所示。

圖4 4種儲(chǔ)氫技術(shù)各指標(biāo)對(duì)比雷達(dá)圖Fig.4 Radar chart for index contrast of four hydrogen storage technologies

由圖4可知，我國(guó)低溫液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)應(yīng)用較少，且該技術(shù)成本高，長(zhǎng)期來看，在國(guó)內(nèi)商業(yè)化應(yīng)用前景不如另3種儲(chǔ)氫技術(shù)；高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是我國(guó)最成熟的儲(chǔ)氫技術(shù)，低溫液態(tài)儲(chǔ)氫和有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫綜合性能好，但亟待相關(guān)技術(shù)攻關(guān)以降低其成本。目前加氫站采用高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)。長(zhǎng)期來看，還是國(guó)內(nèi)發(fā)展的主流。但由于該技術(shù)存有安全隱患和體積容量比低的問題，在氫燃料汽車上應(yīng)用并不完美，因此該技術(shù)應(yīng)用未來可能有下降的趨勢(shì)。固態(tài)儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫性能卓越，是4種方式中最為理想的儲(chǔ)氫方式，也是儲(chǔ)氫科研領(lǐng)域的前沿方向之一。但是現(xiàn)在尚處于技術(shù)攻關(guān)階段，因此我國(guó)可以以此技術(shù)為突破口，打破氫能儲(chǔ)存技術(shù)壁壘，加速氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

1.2 氫能運(yùn)輸

氫氣的運(yùn)輸通常根據(jù)儲(chǔ)氫狀態(tài)的不同和運(yùn)輸量的不同而不同，圖5展示了氫氣的各種運(yùn)輸方式。

圖5 氫能運(yùn)輸結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structural chart of hydrogen energy transportation

氫的輸運(yùn)方式主要有氣氫輸送、液氫輸送和固氫輸送3種方式。

1)氣氫輸送：氣態(tài)輸運(yùn)分為長(zhǎng)管拖車和管道輸運(yùn)2種，長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸壓力一般為 20～50 MPa，我國(guó)長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸設(shè)備產(chǎn)業(yè)較為成熟，但在長(zhǎng)距離大容量輸送時(shí)，成本較高，整體落后于國(guó)際先進(jìn)水平；而管道運(yùn)輸是實(shí)現(xiàn)氫氣大規(guī)模、長(zhǎng)距離輸送的重要方式。管道運(yùn)輸時(shí)，管道運(yùn)輸壓力一般為1 .0～4.0 MPa，輸氫量大、能耗低，但是建造管道一次性投資較大。在管道輸運(yùn)發(fā)展初期，可以積極探索摻氫天然氣方式。黃明，王瑋等人對(duì)天然氣摻氫運(yùn)輸可行性做了研究[26-28]。中國(guó)工程院院士也對(duì)天然氣管網(wǎng)輸送氫氣非?？春肹28]。

2)液氫輸送：液態(tài)輸運(yùn)適合遠(yuǎn)距離、大容量輸送，可以采用液氫罐車或者專用液氫駁船運(yùn)輸。采用液氫輸運(yùn)可以提高加氫站單站供應(yīng)能力,日本美國(guó)已經(jīng)將液氫罐車作為加氫站運(yùn)氫的重要方式之一[7,26]。日本千代田公司于2009年成功研發(fā)出LOHC(液態(tài)有機(jī)氫載體)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，全球首條氫供應(yīng)鏈?zhǔn)痉俄?xiàng)目采用了千代田公司的SPERA技術(shù)探索液態(tài)有機(jī)氫載體的商業(yè)化示范，在2020年實(shí)現(xiàn)了210 t/年的氫氣輸運(yùn)能力[14-15,26,29]。

3)固氫輸送：通過金屬氫化物存儲(chǔ)的氫能可以采取更加豐富的運(yùn)輸手段，駁船、大型槽車等運(yùn)輸工具均可以用以運(yùn)輸固態(tài)氫。圖6展示了4種氫氣運(yùn)輸成本對(duì)比。

圖6 4種氫氣運(yùn)輸方式的成本對(duì)比Fig.6 Cost comparison of four hydrogen transportation ways

由圖6可以看出，300 km以上的運(yùn)輸距離，運(yùn)輸成本排序?yàn)長(zhǎng)OHC

氫能應(yīng)用涉及制氫、儲(chǔ)運(yùn)氫、氫發(fā)電等中間環(huán)節(jié)，完整產(chǎn)業(yè)鏈過程轉(zhuǎn)換效率不高，儲(chǔ)氫使用的設(shè)備成本高，且氫能在運(yùn)輸過程安全風(fēng)險(xiǎn)很大。對(duì)于氫能制、儲(chǔ)、運(yùn)過程中的安全性問題，有學(xué)者提出“液態(tài)陽光”的思路，即用CO2和氫氣反應(yīng)生成甲醇，將有效解決氫存儲(chǔ)問題。甲醇是非常好的液體儲(chǔ)氫、運(yùn)氫載體，甲醇儲(chǔ)氫的安全性和便捷性都是極佳的，這也將成為解決可再生資源間歇性問題的新方案，也將為邊遠(yuǎn)地區(qū)難以上網(wǎng)的可再生能源棄風(fēng)、棄光、棄水提供消納渠道，還將成為除特高壓輸電之外，另一種規(guī)?；斔湍茉吹耐緩絒30-32]?！耙簯B(tài)陽光”的思路也拓展了碳捕獲封存技術(shù)，可以把CO2捕獲再循環(huán)利用，形成完整的生態(tài)碳循環(huán)，有助于我國(guó)碳中和進(jìn)程的推進(jìn)。因此為了助力綠色能源發(fā)展，解決棄風(fēng)棄光棄水問題，2020年10月份，全球首個(gè)千噸級(jí)“液態(tài)陽光加氫站”示范工程項(xiàng)目示范成功。液態(tài)加氫站的建成為我國(guó)氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展開拓了一條新的道路。

2 氫能與電力

氫氣在傳統(tǒng)石化行業(yè)已有大量應(yīng)用，近年來氫能應(yīng)用火熱的領(lǐng)域主要是車用氫燃料電池、燃料電池分布式電站及固定電站[7]。2010—2018年全球氫燃料電池汽車數(shù)量變化曲線如圖7所示。

圖7 全球氫燃料電池汽車數(shù)量變化曲線[2010—2018年]Fig.7 Global amount variation of hydrogen fuel cell vehicles from 2010 to 2018

2.1 氫燃料電池發(fā)電

氫能發(fā)電可以用來解決電網(wǎng)削峰填谷、新能源穩(wěn)定并網(wǎng)問題，還可以提高可再生能源所發(fā)電力并網(wǎng)的穩(wěn)定性和電力系統(tǒng)安全性、靈活性，大幅 降低碳 排 放[22,26,33-35]。目 前主要 采 用氫燃 料 電池發(fā)電技術(shù)與新能源耦合發(fā)電技術(shù)，使用燃料電池發(fā)電技術(shù)，可以減少對(duì)煤炭的使用，減少CO2的排放，且發(fā)電效率很高[36]。

根據(jù)電解質(zhì)種類不同，燃料電池分為質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)、固體氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell，SOFC)、熔融碳酸鹽燃料電池（molten carbonate fuel cell，MCFC）、堿性燃料電池（alkaline fuel cell，AFC）、磷酸型燃料電池（phosphoric acid fuel cell，PAFC）等。目前重點(diǎn)關(guān)注的是PEMFC技術(shù)和SOFC技術(shù)[22,26]。PEMFC工作溫度低、啟動(dòng)快，適用于交通領(lǐng)域[37-39]；SOFC能量轉(zhuǎn)化率高、全固態(tài)，是一種清潔高效的發(fā)電裝置，一般用于大型集中供電、分布式發(fā)電等作為固定電站[40]。國(guó)內(nèi)學(xué)者于2020年提出了一種利用SOFC燃料電池的新型發(fā)電系統(tǒng)，通過高效制氫和廢熱梯級(jí)利用，系統(tǒng)發(fā)電效率可達(dá)61.2%[41]。

燃料電池發(fā)電本質(zhì)是氧化還原反應(yīng)，以PEMFC為例，其結(jié)構(gòu)如圖8所示，由陰/陽極流道、氣體擴(kuò)散層、質(zhì)子交換膜、催化劑、電極組成，其工作原理為：

圖8 質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structural chart of proton exchange membrane fuel cell

1)氫氣進(jìn)入陽極流道，催化劑作用下陽極的氫氣分解為氫質(zhì)子與電子：

2)電子經(jīng)由外電路形成電流，通過電極供給負(fù)載；

3)氫質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜進(jìn)入電解液中再到達(dá)陰極，與透過陰極擴(kuò)散層的氧氣發(fā)生反應(yīng)生成水，并伴隨熱量產(chǎn)生

4)陰極大部分反應(yīng)物與空氣一同排出，少部分透過交換膜擴(kuò)散至陽極。因此，水是燃料電池唯一的排放物。

表2對(duì)比了各種類型燃料電池技術(shù)，可以看出不同燃料電池的特性有差異，適用范圍也不盡相同，因此對(duì)于不同電池類型及其相關(guān)特性，有著不同的應(yīng)用場(chǎng)景。其中，PEMFC功率范圍最大，可用于解決電網(wǎng)波動(dòng)性，作為靈活電源支撐電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻，但是電效率較低制約了PEMFC的發(fā)展。由圖8, PEMFC工作過程中會(huì)有熱量散出，將反應(yīng)熱利用起來則PEMFC熱電聯(lián)供(combination with heat and power,CHP)綜合能效可在75%～80%之間；SOFC自身發(fā)電效率高，在用戶側(cè)，通過CHP可提高綜合能效至80%，在固定式發(fā)電及CHP場(chǎng)景下具有巨大的應(yīng)用前景。

表2 各燃料電池技術(shù)的對(duì)比Table 2 Comparison of fuel cell technologies

美國(guó)和日本多家公司正在開發(fā)10 kW平面輪機(jī)SOFC發(fā)電裝置，德國(guó)西門子–西屋電器公司正在測(cè)試100 kW SOFC管狀工作堆，國(guó)內(nèi)也已有學(xué)者自主研制出了5 kW級(jí)SOFC系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了4.82 kW的功率輸出。我國(guó)關(guān)于100 kW級(jí)大功率SOFC系統(tǒng)的研究尚有空缺，亟待專家學(xué)者在已有低功率SOFC的基礎(chǔ)上加大力度繼續(xù)推進(jìn)。國(guó)外學(xué)者A.Herrmann等人提出一種家用氫燃料電池CHP系統(tǒng)并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了性能評(píng)估，整體結(jié)構(gòu)圖如圖9所示[42]。

圖9 一種家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)Fig.9 A household cogeneration system

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)一套氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)，通過此設(shè)計(jì)，房屋無需外接天然氣管網(wǎng)即可實(shí)現(xiàn)CHP，CHP的電效率接近50%，總效率高于95%。氫燃料電池的CHP具有很好的發(fā)展前景，應(yīng)基于我國(guó)基本國(guó)情，借鑒國(guó)外先進(jìn)氫燃料電池CHP方案，用于解決我國(guó)孤島微網(wǎng)電力供應(yīng)問題，助力氫能在我國(guó)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，推動(dòng)“十四五”電力規(guī)劃的實(shí)施。

2.2 氫燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電

以清潔能源氫燃料替代天然氣用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電也是氫能在電力領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。燃?xì)廨啓C(jī)具有很好的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力，15 min左右即可將負(fù)荷從零拉滿，亦可以氫儲(chǔ)能作為中間環(huán)節(jié)，將氫燃?xì)廨啓C(jī)與新能源混合發(fā)電，即可解決棄風(fēng)棄光問題，也能改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，因此燃?xì)淙細(xì)廨啓C(jī)發(fā)電是燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的未來發(fā)展趨勢(shì)[43-45]。

燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)結(jié)圖見圖10，其工作過程為：

圖10 燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.10 Structure drawing of gas turbine system

1)壓氣機(jī)連續(xù)地從大氣中吸入空氣并壓縮；

2)壓縮后的空氣進(jìn)入燃燒室，與噴入的燃料混合后燃燒，成為高溫燃?xì)猓?/p>

3)高溫燃?xì)饬魅肴細(xì)鉁u輪中膨脹做工，推動(dòng)渦輪葉輪旋轉(zhuǎn)輸出電力接入負(fù)載。

文獻(xiàn)[45]提出了一種風(fēng)–氫–燃?xì)廨啓C(jī)耦合發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)框架如圖11所示，該系統(tǒng)的思想即是把風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的質(zhì)量較差的電接入電解槽電解制氫，通過氫儲(chǔ)能技術(shù)儲(chǔ)存電力，在電網(wǎng)需要時(shí)再由氫燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電并網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的削峰填谷以及對(duì)新能源的消納，可以作為一種新型儲(chǔ)能發(fā)電形式與風(fēng)力、光伏等可再生能源配合發(fā)電。

圖11 風(fēng)–氫–燃?xì)廨啓C(jī)耦合發(fā)電系統(tǒng)Fig.11 Wind-hydrogen-gas turbine coupled power generation system

氫燃?xì)廨啓C(jī)的安全性除了燃?xì)廨啓C(jī)本身的回火等技術(shù)問題外，更主要的還是在氫氣的制、儲(chǔ)、運(yùn)3個(gè)方面，本文第一部分所述氫能儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)是氫燃?xì)廨啓C(jī)安全高效應(yīng)用的核心；氫燃?xì)廨啓C(jī)的經(jīng)濟(jì)成本主要是氫氣的制取和儲(chǔ)運(yùn)成本，未來最理想的模式是以氫儲(chǔ)能為中心，結(jié)合新能源和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電[43-44]。當(dāng)前電解水制氫成本在18～23元/kg氫氣，再加上氫氣儲(chǔ)運(yùn)成本，氫能發(fā)電經(jīng)濟(jì)性較低，且采取可再生能源制氫后燃燒發(fā)電效率極低，當(dāng)前氫燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電難以商業(yè)化應(yīng)用。因此，突破新能源電解制氫成本及氫能儲(chǔ)運(yùn)成本，是氫燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。

氫能的兩類主要發(fā)電方式各有優(yōu)劣，氫燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電設(shè)備可以使用現(xiàn)有設(shè)備改造，設(shè)備成本較低，技術(shù)基礎(chǔ)好，但不可避免NOx排放。日本三菱公司2018年研發(fā)的新型預(yù)混燃燒器可以實(shí)現(xiàn)含氫30%的混合燃料穩(wěn)定燃燒，NOx排放低，德國(guó)西門子公司開發(fā)的氫氣燃?xì)廨啓C(jī)經(jīng)過測(cè)試表明，30%的氫濃度時(shí)NOx排放可以低至20 ppm。氫燃料電池發(fā)電設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，功率范圍寬，可以很好地應(yīng)對(duì)可再生能源的波動(dòng)性，但整體電效率不高，需考慮其熱電綜合效率。國(guó)內(nèi)有學(xué)者提出采用SOFC和微型燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合發(fā)電技術(shù)，采用CH4作為燃料，可實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，大大提高能源利用率[46]。因此，我國(guó)應(yīng)加大對(duì)多設(shè)備聯(lián)合發(fā)電技術(shù)的研發(fā)，以氫儲(chǔ)能系統(tǒng)為樞紐，采用氫燃?xì)廨啓C(jī)及氫燃料電池聯(lián)合發(fā)電技術(shù)，促進(jìn)我國(guó)新能源的發(fā)展，促進(jìn)能源低碳化轉(zhuǎn)型。

3 總結(jié)與建議

氫能是一種理想的新型能源，具有清潔低碳、便于存儲(chǔ)等優(yōu)點(diǎn)。氫能的最佳利用方式是通過燃料電池技術(shù)進(jìn)行氫電轉(zhuǎn)化，近年來燃料電池技術(shù)的不斷成熟也使得氫燃料電池成本快速下降，美、德、日等部分國(guó)家相繼出臺(tái)氫能戰(zhàn)略布局，我國(guó)也加速布局氫能戰(zhàn)略，加快構(gòu)建清潔化、低碳化的氫能供應(yīng)體系，這對(duì)我國(guó)能源安全及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重大意義。

氫能的開發(fā)應(yīng)用前途一片光明，但是仍有一些難題需要專家學(xué)者去解決。氫能的儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)是制約氫能經(jīng)濟(jì)性的瓶頸技術(shù)。氫氣擴(kuò)散能力強(qiáng)，易燃易爆，氫氣與金屬結(jié)合容易導(dǎo)致氫脆，不好儲(chǔ)存，因此妥善解決氫能的儲(chǔ)運(yùn)問題是氫能安全高效使用的必要前提，也是氫能全產(chǎn)業(yè)鏈降低成本的關(guān)鍵一環(huán)；此外，氫能燃料電池技術(shù)也是氫能大規(guī)模發(fā)展使用的核心技術(shù)，要真正地實(shí)現(xiàn)氫能高效應(yīng)用，需要進(jìn)一步提高燃料電池系統(tǒng)的功率、壽命等特性。

針對(duì)氫能儲(chǔ)運(yùn)及電力應(yīng)用所述問題，提出以下4條建議：

1)今后應(yīng)著力建設(shè)并完善氫能體系，從氫能全生命周期角度開發(fā)其附加價(jià)值，促進(jìn)我國(guó)“碳達(dá)峰，碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

2)加強(qiáng)氫能產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的銜接，突破儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)技術(shù)瓶頸，通過對(duì)儲(chǔ)氫罐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，探索新型儲(chǔ)罐材料等方式，提高氫能利用的安全性和經(jīng)濟(jì)性，專家學(xué)者應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)氫能利用各環(huán)節(jié)的安全性研究，使氫能可以更好地用于更廣泛的工程實(shí)踐。

3)鼓勵(lì)氫燃料電池及氫燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)攻關(guān)，加大燃料電池電堆的研發(fā)，降低氫能應(yīng)用成本，探索多能耦合互補(bǔ)發(fā)電新方式，利用好氫燃料電池與氫燃?xì)廨啓C(jī)互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，加大氫能源與電網(wǎng)的互動(dòng)性。

4)以“十四五”電力規(guī)劃為引導(dǎo)，明確氫儲(chǔ)能發(fā)展定位，提高電到氫、氫到電的轉(zhuǎn)化效率，提高儲(chǔ)氫密度，形成完善的氫儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展體系。