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

摘要：氫能是21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ哪茉粗?，氫能的利用發(fā)展不僅可以解決

可再生電力能源消納和儲(chǔ)存的問題，還可助力保障國家能源安全和推動(dòng)碳中和目

標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。由于氫特殊的物理性質(zhì)，如密度小、能量密度大等，其安全高效的儲(chǔ)

運(yùn)及應(yīng)用技術(shù)是氫能產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展的關(guān)鍵。41對(duì)氫能儲(chǔ)運(yùn)關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀在電力

工業(yè)中的應(yīng)用，介紹了氫能利用發(fā)展的背景及意義，整理并解讀了我國氫儲(chǔ)運(yùn)及

電力應(yīng)用的相關(guān)政策，梳理并對(duì)比了現(xiàn)有主流氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)，其中包括高壓氣態(tài)

儲(chǔ)運(yùn)、低溫液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)、有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)、金屬氫化物儲(chǔ)運(yùn)的原理及經(jīng)濟(jì)性分析，分

析氫能的電力應(yīng)用，包括氫燃料電池發(fā)電及氫燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)。對(duì)我國氫能儲(chǔ)

運(yùn)技術(shù)及氫能發(fā)電技術(shù)的安全高效發(fā)展提出了4條建議，為我國氫能產(chǎn)業(yè)布局及

降低氫能全生命周期應(yīng)用成本提供借鑒和參考。

引言

我國能源高度對(duì)外依存及“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出，一方面為豐富我國能

源結(jié)構(gòu)組成，減少能源對(duì)外依存度，保障我國能源安全，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］。可見氫能儲(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“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，培育壯大新增長點(diǎn)增

長極的指導(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)也是我國氫能布局的瓶頸。以國

內(nèi)某地為例，若該地全部氫能車輛正常運(yùn)營，氫氣日需求量為151左右，目前采

用的高壓長管拖車輸氫量僅為20(T300kg,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，我國面臨的最主要挑戰(zhàn)即在于氫能的儲(chǔ)運(yùn)。找到安仝、

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。

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圖1制氧、儲(chǔ)運(yùn)與利用全產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)疽鈭D

Fig.IDiagrammaticdrawingnfwholeindustnchainforhxdroucnproduction,storageandtransportatmnandutili/^tion

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14種主要儲(chǔ)氧方式的優(yōu)缺點(diǎn)以及目前的主要應(yīng)用

Tabk*1Ad、2tH岬、anddiMd'anlagcofIhefourm?inIndiogmstoragemethod、3ndpresentmainupplicsition

儲(chǔ)氣方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)口演主要應(yīng)刖

技術(shù)成熟、靖構(gòu)解單.先放氣也博快.成少*儲(chǔ)。；輕質(zhì)“樂儲(chǔ)氫

而質(zhì)氣毒睇氣體枳儲(chǔ)敏密度低.安個(gè)件族較加

米及能於低罐：多川『轅色料電池

筑溫液令健〃小位體機(jī)儲(chǔ)氫率度大,安全件出時(shí)較好敏液化能耗大.儲(chǔ)敏容花求高大崎、遠(yuǎn)距離體運(yùn).1:要陽1火倚抵

w溫推遲制

布機(jī)液毒信儀液氯純廈品.單位體枳鉆漢密慢大成本M傕任七彼作條H司喇

單位體枳儲(chǔ)氣需度大.能耗低、技術(shù)不成熟,單位原敏體敏密發(fā)低、

固體材儲(chǔ)氣實(shí)驗(yàn)研究的程

n安全性好充放氣效率低

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，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

圖2氧氣有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)過程示意圖

Fig-2hiauranimaticdrat%ins?fh\<lr(?Ecn\organicliquidstatestorageandtransportationpr<?cc\\

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，當(dāng)運(yùn)輸500km

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［12,17T8］。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，美國化學(xué)家研制出一種H-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)氫方式固體儲(chǔ)氫材料分類如圖3所示。

冏體儲(chǔ)城村將

將廢啜明華收材料金屬叔健氣合金其也

元機(jī)多孔儲(chǔ)敏M料邀扎我分產(chǎn)法泵介畬描M$蚓&落體濟(jì)《科料

儲(chǔ)我MW

圖3不同儲(chǔ)氫方式所用固體材料

Fig.3Solidmaterialsfordiflcrcnthydrogenstorage“ays

現(xiàn)代電力.202l.3X<5)http:..xddli>niail:xddll?7：vip.163.com

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【⑼。如LaNi5H6、Mg比和

NaAlH41022?23］,其反應(yīng)方程式如下:

放熱加壓

〃M+0.5〃H。=M“H/,+AQ(1)

升溫戰(zhàn)壓

式中：M是金屬或金屬化合物；A。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

金屬氫化物儲(chǔ)氫罐供室方式具有以下特點(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。

安全性操作簡易性

不同儲(chǔ)氫技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

圖44種儲(chǔ)氫技術(shù)各指標(biāo)對(duì)比雷達(dá)圖

Fig.4Radarchartforindexcontrastoffourhydrogen

storagetechnologies

由圖4可知，我國低溫液態(tài)

儲(chǔ)氫技術(shù)應(yīng)用較少，且該技術(shù)成本高，長期來看，在國內(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)。長期來看，還是國內(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。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S氫能運(yùn)輸結(jié)構(gòu)圖

Fig.5Structuralchartofhydrogencncrptransportation

現(xiàn)代電力,2021.38（5）Impi>niail:xddkflvipI63.com

氫的輸運(yùn)方式主要有氣氫輸送、液氫輸送和固氫瑜送3種方式。

1）氣氫輸送：氣態(tài)輸運(yùn)分為長管拖車和管道輸運(yùn)2種，長管拖車運(yùn)輸壓力一般為

20?50MPa,我國長管拖車運(yùn)輸設(shè)備產(chǎn)業(yè)較為成熟，但在長距離大容量輸送時(shí)，

成本較高，整體落后于國際先進(jìn)水平；而管道運(yùn)輸是實(shí)現(xiàn)氫氣大規(guī)模、長距離輸

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.OMPa,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

工程院院士也對(duì)天然氣管網(wǎng)輸送氫氣非常看好［28］o

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］o日本千代田公司于2009年成功研

發(fā)出L0HC（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)目采月了

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

210t/年的氫氣輸運(yùn)能力［14-15,26,29］o

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。

35

圖64種氫氣運(yùn)輸方式的成本對(duì)比

Fig.6Costcomparisonoffourhydrogen

transportationways

由圖6可以看出，300kn1以上的運(yùn)輸距離，運(yùn)輸成本排序?yàn)樗?￡〈玷2（液氨槽車）＜

氫氣管道〈管束車，50km以內(nèi)氫氣管道運(yùn)輸成本較低，因此適合小規(guī)模運(yùn)輸，比

如化工廠區(qū)氫氣管道以及孤島微電網(wǎng)內(nèi)氫氣運(yùn)輸?shù)葓龊?。隨著輸送距離的增加,

有機(jī)液態(tài)輸氫和低溫液態(tài)輸氫成本極具優(yōu)勢，因此液態(tài)輸運(yùn)更適合長距離、大規(guī)

模輸氫，比如跨省運(yùn)輸，將制氫中心的氫運(yùn)輸至消費(fèi)中心。＜p=〃〃X/lh2（液氫

槽車）＜?xì)錃夤艿溃脊苁嚕?0km以內(nèi)氫氣管道運(yùn)輸成本較低，因此適合小規(guī)模運(yùn)

輸，比如化工廠區(qū)氫氣管道以及孤島微電網(wǎng)內(nèi)氫氣運(yùn)輸?shù)葓龊?。隨著輸送距離的

增加，有機(jī)液態(tài)輸氫和低溫液態(tài)輸氫成本極具優(yōu)勢，因此液態(tài)輸運(yùn)更適合長距離、

大規(guī)模輸氫，比如跨省運(yùn)輸，將制氫中心的氫運(yùn)瑜至消費(fèi)中心。＜＞

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)陽九”的思路，即用CO?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)模化輸送能源的途徑［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.7Globalamountvariationofhydrogenfuelcell

vehiclesfrom2010to2018

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］o目前主要采用氫燃料電池發(fā)電技術(shù)與新能源耦告發(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(protonexchange

membranefuelcell,PEMFC)>固體氧化物燃料電池(solidoxidefuelcell,

SOFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(moltencarbonatefuelcel1,MCFC)、堿性燃

料電池(alkalinefuelcell,AFC)、磷酸型燃料電池(phosphoricacidfuel

cell,PAFC）等。目前重點(diǎn)關(guān)注的是PEMFC技術(shù)和SO是技術(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)

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:

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：

+

出吧2H+2e-⑵

2）電子經(jīng)由外電路形成電流，通過電極供給

負(fù)載；

給電力

Eketne

沒道

山川？陽極

Cathode/

氫燃料注入乳氣注入

HydrogenH:ftiel,OxygenO>fromair

］、反應(yīng)熱

Renctionbent

氯氣網(wǎng)收,空氣和水蒸氣

H：Recycling~AirAndwatervapour

氣體擴(kuò)敢層/、氣體擴(kuò)散層

Gasdifhisionlayer催化劑催化劑Gasdifhisionhycr

CatalyMCafalyM

啦干交換腰

PreMonexclai9euteuibiaiie

?氫Hydrogen?制Oxygen?質(zhì)fProton電子Electron

圖8質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)圖

Fig.8Structuralchartofprotonexchange

membranefuelcell

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

八)□+催化劑cue

O?+4H+4et2H2。⑶

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(combinationwithheatand

power,CHP)綜合能效可在75婷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樂在固定式發(fā)電及CHP場景下具有巨大的應(yīng)用前景。

表2各燃料電池技術(shù)的對(duì)比

Table2CompuriMinoffuvlcell(tthnologie%

電池類型及工作溫度導(dǎo)電離廣電效和％功率慈陰“W壽命M或松USD*W)應(yīng)用像城

AFC3O-200TOH-6517003000100001000航人.空間站等

PAFCIOO2001：H*40455010003CO00400002003000現(xiàn)場集成能廿

MCFC650700、：5055100KMM)|<?M)4(10001250電訃、區(qū)域性供電

SOFC80QI000To2-5060101008000-100001500電站、聯(lián)今相環(huán)放電

PEMFC25I0OTH*40500.001-100010000100000502000電動(dòng)車.潛看'電源

美國和日本多家公司正在開發(fā)10kW平面輪機(jī)SOFC發(fā)電裝置，德國西門子-西屋

電器公司正在測試100kWSOFC管狀工作堆，國內(nèi)也已有學(xué)者自主研制出了5kW

級(jí)SOFC系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了4.82kW的功率輸出。我國關(guān)于100kW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］。

-電網(wǎng)交流電一氫氣一?熱力管道一直流電一?制冷管道

圖9一種家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)

Fig.9Ahouseholdcogenerationsystem

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)一套氫燃料電池

熱電聯(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機(jī)氫燃料電池的CHP具有很好的發(fā)展前景，應(yīng)基

于我國基本國情，借鑒國外先進(jìn)氫燃料電池CHP方案，用于解決我國孤島微網(wǎng)電

力供應(yīng)問題，助力氫能在我國的產(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，15min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［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.1（）Structuredrawingofgasturbinesystem

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)夂喼信蛎涀龉ぃ苿?dòng)渦輪葉輪旋轉(zhuǎn)輸出電力接入負(fù)載。

ACDCACDC電網(wǎng)

風(fēng)電場

超

電平槽級(jí)

電

儲(chǔ)斗罐容

燃媼燃?xì)馄?/p>

輪機(jī)

發(fā)電機(jī)

圖11風(fēng)-氫-燃?xì)廨啓C(jī)耦合發(fā)電系統(tǒng)

Fig.11Wind-hydrogen-gasturbinecoupledpower

generationsystem

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)電場發(fā)出的度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。

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?/p>

機(jī)安仝高效應(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NO、排放?？诒救夤?018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，NO,排放低，德

國西門子公司開發(fā)的氫氣燃?xì)廨啓C(jī)經(jīng)過測試表明，30%的氫濃度時(shí)N0,排放可以

低至20ppm。氫燃料電池發(fā)電設(shè)備相對(duì)簡單，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CH1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、日等部分國家相繼出臺(tái)氫能戰(zhàn)略布局，我國

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)C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，從氫能仝生命周期角度開發(fā)其附加價(jià)值，促

進(jìn)我國“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，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。

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