氫能和燃料電池技術(shù)結(jié)合城市燃氣的應用

李 清，王慶余

（北京市燃氣集團有限責任公司，北京 100035）

氫能作為清潔、高效、安全、可持續(xù)的新能源，被視為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉粗?。氫能?yōu)勢突出，熱值高達142.35 MJ/kg，燃燒性能好，點燃速度快，產(chǎn)物無污染，氫資源豐富。燃料電池是一種將燃料中化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學裝置，它能夠提高能源利用率，減少廢棄物排放，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、負荷調(diào)節(jié)靈活、可靠性高、易于建設(shè)的優(yōu)點。燃氣在城市能源體系中發(fā)揮著越來越重要的作用?；谌細夤芫W(wǎng)巨大的儲能潛力和高效多元的能源轉(zhuǎn)化方式，可以實現(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，對實現(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)合城市燃氣的應用中，主要是將燃氣通過水蒸氣重整反應或其他方式，轉(zhuǎn)化為高純度的氫氣作為燃料電池的燃料，并將燃料電池應用于汽車、民用發(fā)電、燃料電池熱電聯(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)了應用。在航空領(lǐng)域，歐盟的“CRYOPLANE”計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)在應用；在能源領(lǐng)域，有太陽能-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。這些應用證實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、儲存、運輸、轉(zhuǎn)換及應用。實現(xiàn)氫能的規(guī)模應用，需要解決包括氫的制備、儲存、輸運、轉(zhuǎn)換和應用在內(nèi)的相關(guān)技術(shù)。其中，燃料電池技術(shù)是推動氫能發(fā)展的關(guān)鍵所在[1]。

1.2 燃料電池技術(shù)

氫燃料電池是將氫的化學能轉(zhuǎn)化為電能和熱能的裝置，是利用氫能的有效方法之一。燃料電池直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能轉(zhuǎn)化為電能，具有如下特點。一是高能量轉(zhuǎn)換效率、理論上它的能量轉(zhuǎn)換效率可達90%～100%，目前實際能量轉(zhuǎn)換效率在40%～60%。二是接近于零排放；燃料電池化學產(chǎn)物為純凈水，沒有污染物排放。三是安靜。燃料電池依電化學原理工作，電池本體無運動部件。四是可靠性高。堿燃料電池和磷酸燃料電池發(fā)電廠的運行經(jīng)驗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）。具體對比如表1所示。

表1 五類燃料電池對比

2 應用場景分析

氫能與燃料電池技術(shù)結(jié)合城市燃氣最重要的應用場景包括建筑供能應用、分布式發(fā)電應用、可再生能源耦合應用、交通應用等。下面詳述相應技術(shù)的應用現(xiàn)狀。

2.1 建筑供能應用

類似天然氣三聯(lián)供系統(tǒng)，氫能與燃料電池也可應用于建筑物供能。燃料電池系統(tǒng)的燃料為城市燃氣，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)將燃氣重整為氫氣，輸送至燃料電池系統(tǒng)進行發(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、儲存，用于制冷、供暖、供熱水。

圖1 SOFC三聯(lián)供系統(tǒng)示意圖

在歐美、日本等發(fā)達國家，在政府大力支持下，燃料電池建筑供能系統(tǒng)已進入商業(yè)化應用階段。

德國的SOLIDPOWER公司是小型SOFC燃料電池行業(yè)先驅(qū)，具有強大技術(shù)創(chuàng)新能力。其核心產(chǎn)品BlueGEN號稱世界上最高效的m-CHP設(shè)備，全球安裝數(shù)量已經(jīng)超過1000臺。BlueGEN利用天然氣發(fā)電供熱，輸入2.5 kW燃料，輸出1.5 kW電和0.6 kW熱，綜合效率達85%。

日本致力于發(fā)展分布式能源系統(tǒng)。日本已有超過20萬套家用燃料電池供能系統(tǒng)在運行，是世界上燃料電池應用最廣泛的國家。日本家用燃料電池供能系統(tǒng)以城市燃氣為燃料，主要由燃料電池和儲熱水箱組成，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、愛信精機和東芝等，具體參數(shù)如表2所示。

表2 日本燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)品參數(shù)

氫能與燃料電池技術(shù)在建筑供能領(lǐng)域的推廣，必將拓寬城市燃氣的應用領(lǐng)域，為城市燃氣發(fā)展另辟蹊徑，進一步優(yōu)化城市能源結(jié)構(gòu)。

2.2 分布式發(fā)電應用

城市燃氣作為優(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NOx排放、低噪音等優(yōu)點。當前，燃料電池分布式發(fā)電正處于商業(yè)應用初期。燃料電池發(fā)電電站主要分布在美國、韓國和日本。

美國Bloom Energy是分布式發(fā)電領(lǐng)域技術(shù)力量最強、運作最成功的公司。Bloom Energy主打產(chǎn)品規(guī)格為100～250 kW，已完全商業(yè)化應用。

在數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院等特殊電力需求的場所，燃料電池分布式發(fā)電系統(tǒng)勢必有很大的發(fā)展空間。在城市燃氣輸配系統(tǒng)中，可以利用小型燃料電池分布式發(fā)電系統(tǒng)，解決燃氣場站的電源問題。國內(nèi)的電信運營商也正在越來越多地利用燃料電池電源去替代現(xiàn)有的燃油內(nèi)燃機發(fā)電系統(tǒng)?？梢灶A見，結(jié)合城市燃氣場站，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用

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

借助現(xiàn)有城市燃氣龐大的直通用戶管網(wǎng)，可再生能源電力制氫，再將氫能摻入天然氣管道的應用，可以實現(xiàn)現(xiàn)階段將城市天然氣與可再生能源耦合的前景。國外關(guān)于天然氣摻氫的研究比較前沿。在德國，已有天然氣管道摻氫運營的示范項目。在國內(nèi)，人們對天然氣摻氫問題進行大量探索研究，但對于管道材料與摻氫比例、氫對燃氣管道影響、末端設(shè)備對于摻氫燃氣的適用性等關(guān)鍵性問題尚未有定論，天然氣摻氫的應用尚正處于摸索階段。

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

圖2 氫能和可再生能源耦合供能系統(tǒng)

國外已有氫能和可再生能源耦合應用的示范項目如下。

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

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

國內(nèi)首個風電制氫工業(yè)應用項目——沽源風電制氫項目也已經(jīng)順利開工建設(shè)，該項目勢必將有效解決河北大面積棄風問題，破解風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸。

2.4 交通應用

車用燃料電池具有效率高、啟動快、環(huán)保性好、響應速度快等優(yōu)點。汽車行業(yè)預測燃料電池汽車是取代汽車內(nèi)燃機的理想解決方案，是21世紀汽車動力源的最佳選擇。燃料電動汽車的發(fā)展離不開加氫站基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。下面從燃料電動汽車和加氫站兩方面進行介紹。

2.4.1 燃料電池汽車

燃料電池汽車應用主要包括乘用車和客車。在國外，燃料電池乘用車已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化應用。日本和韓國的燃料電池研發(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，在燃料電池電動汽車的耐久性、壽命和成本等方面逐步超越了美國和歐洲。

我國燃料電池乘用車和國外典型產(chǎn)品的性能對比，在整車總布置、動力性、經(jīng)濟性、續(xù)駛里程等方面與國際的差距不大，混合動力系統(tǒng)集成和控制的水平差距也不大。但是，燃料電池發(fā)動機的功率明顯低于國外水平，國內(nèi)典型轎車燃料電池發(fā)動機在35～50 kW左右，國外的基本在90～100 kW的水平。

相對地，燃料電池客車因技術(shù)門檻相對較低、具有良好的宣傳推廣效應，更易得到應用。當前，我國已經(jīng)具有燃料電池客車的示范運行路線。2006年，北京奧運會期間，在永豐就開通了第一條燃料電池客車示范路線。2010年，上海世博會、廣州亞運會期間均開通了燃料電池客車示范。運行結(jié)果顯示，我國燃料電池城市客車性能多數(shù)指標（加速時間、最高車速、續(xù)駛里程、氫氣消耗量等）和國外產(chǎn)品水平相當，其中氫耗指標和整車成本還有一定優(yōu)勢。

2.4.2 加氫站

氫燃料電池汽車的發(fā)展和商業(yè)化離不開加氫站的建設(shè)。國外加氫站設(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家主要有美國、德國、日本，其均制定了長期的發(fā)展規(guī)劃，其中日本成為世界上加氫站最多的國家。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。日本是全球第一個加氫站超過100座的國家[3]。

相比國外，我國加氫站發(fā)展較為滯后。截至2018年2月，我國已建成及在建的加氫站共有31座，正在運營的僅有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)狀城市燃氣加氣站進行合理規(guī)劃，可以對一些利用率不高的LNG、CNG站進行綜合改造，完成加氫站和加氣站的綜合建設(shè)，提高城市燃氣供能多樣性。

3 結(jié)論

氫能與燃料電池技術(shù)結(jié)合城市燃氣在建筑供能應用、分布式發(fā)電應用、可再生能源耦合應用、交通應用方面等都有實例，國內(nèi)外都在積極推進氫能和燃料電池的發(fā)展。氫能和燃料電池技術(shù)的應用將進一步鞏固城市燃氣作為城市重要能源的地位，有效提高城市能源利用效率，改善城市能源結(jié)構(gòu)，提高城市燃氣基礎(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。