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氢能发电及其应用前景

时间:2018-01-11 01:00 浏览:

  收稿日期:2OO2-O9-12. 作者简介 文章编号:1OO9-3443(2OO2)O6-OO5O-O7 氢能发电及其应用前景 解放军理工大学工程兵工程学院 江苏南京 21OOO7;2. 南京军区 空军后勤设计院 江苏南京 21OOO7) 随着氢气制备与安全储运技术以及电能变换与控制技术的不断发展和日趋成熟 特别是PEMFC 发电系统 还具有工作温度低 阐述了氢能发电系统的组成及控制系统结构 电源中图分类号 :TM911.4 文献标识码jMAj21OOO7C) bstract:Td-wm 21世纪是氢能的世纪 随着氢气制备与安全储运技术以及电能变换与控制技术的不断发展和日趋 成熟 并将导致能源领域的一场 氢能发电是通过燃料电池内部的电化学反应把氢气所含的能量直接连续地转换成 电能 特别是质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 发电系统还具有工作温度低 人防和民用领域都有极高的应用价值 燃料电池和电力变换器及其控制系统组成 燃料电池1.1 燃料电池的种类 燃料电池可以按照不同方法进行分类 以工作温度来划分 气燃料电池 .2OO2再生式燃料电池 目前最常用的方法是以电解质类型来划分 电极上所采用的催化剂以及对发生反应的化学物质要 燃料电池结构与工作原理燃料电池与普通电池相似 阴极和电解质组成 即氢气与氧气发生电化学反应生成水并出电能 氢能发电原理示意图Fig.1 Principlefhydrgen-pwer 别供给氢气和氧气 由于质子交换膜只允许质子通过而不允许电子通过 因此阳极反应生成的氢质子可通过质子膜到达阴极 而电子则只能通过外电和负载才能到达阴极 =1.3V单元电池的总化学反应为 可分别计算出阳极和阴极的平衡电位以及单元电池的电动势 内部将产生各种极化反应 浓差极化和欧姆极化 安特性Fig. Vltage-currentcharacteristicffuelcell 氢源及安全性燃料电池是一种电化学转换装置 氢能发电系统中必须配置氢源为其供应燃料 熔融碳酸盐固体氧化物 质子交换膜 电解质 H3P4(LiKDC3 氧化钇稳定的氧化锆 全氟磺酸膜 导电离子 重整气净化煤气 天然气 重整气 净化煤气 天然气 氢气 重整氢 氧化剂 纯氧 空气 空气 空气 空气 技术现状 高度发展 高效 高度发展 成本高 余热利用价值低 正进行现场实验 需延长寿命 电池结构选择 开发廉价制备技术 高度发展 需降低成本 适用领域 航天 特殊地面应用 特殊需求 区域性供电 区域性供电 区域供电 联合循环发电 电动汽车 军用装备电源 备用电源 氢能发电及其应用前景分布最广的一种元素 但氢气在大气层中的含量却很低 只能通过技术途径制取才能获得 因此氢能发电设计时选择合适的制氢方法和储运方式十分重要 2.1制氢技术 制氢的途径和方法很多 显示了氢能与其它能源的关系以及氢气制取的各种途径 资源面临枯竭 水电解制氢以其技术成熟 操作简单等特点已在小容量用氢场合获得了广泛应用 中间隔以防止气体渗透的隔膜就构成水电解池 在电极上加直流电压时水就发生分解 其电化学反应式为 阴极:4HO+4e=Hf+4OH 阳极:4OH =Of+HO+4e总反应 但水电解制氢不产生污染 所用设备材料也易于获取 由于工程内部平时有市电 因此作为备用的氢能电源运行时间短 在这种情况下采用水电解制氢和储氢装置联合作为氢源是完全 可行的 风力发电等结合在一起应用时 小型氢能发电系统特别是移动氢能发电的需要 甲醇重整制氢技术获得了很大发展 甲醇重整制氢的特点是反应器简单 国外已研制出多种轻便式甲醇重整器产品 其输出可直接向燃料电池供氢 甲醇重整制氢的常用方法是催化蒸汽重整 可采用净化方法予以去除 甲醇重整制氢系统的微型化是该技术今后的重要研究课题 2.2贮氢技术及其安全性 氢的安全储运是氢能发电应用中的一个重要环 氢以气态形式由管道输运是最为便利和简单的方法 氢气生产途径Fig. Waysohydrogenproduction 常规高压气瓶储氢压力为 15MPa 重量储氢密度约为 Wt.%体积储氢密度约为 0.071g/mO 为了提高气 态储氢密度 耐压高的复合材料气罐 碳纤维增强铝金属罐等 储氢压力可达30MPa 重量储氢密 度可达 3.9Wt.%O 采用高压气瓶储氢的主要缺点是 储氢密度低 但必须使用耐超低温(-252.6CD 的绝热容器 固态储氢目前主要是采用金属氢化物 金属氢化物又可将所吸氢气出来 heherodynicsproperiesofsoehydrides 金属氢化物 /(Wt.%D分解压 /MPa 生成热 La51.4 0.20(25CD -30.1 1.50.38(20CD -26.8 Mm5 1.4 3.44(50CD -26.4 1.80.75(40CD -28.0 MH1.5 1.5 0.70(20CD -28.8 Mg2 3.6 0.10(250CD -64.4 Mg2 7.6 0.10(290CD -74.5 hechrcerisicsofdifferenhydroensores储氢方法 氢密度 10 22 atmS/m 重量密度 /(Wt.%D 体积密度 -1标准状态的氢气 0.0054 100 0.008 氢气钢瓶 (15MPa47LD 0.81 1.2 0.071 液态氢 (20KD 4.2 100 0.071 La566.2 1.4 8.2 1.9 5.7 1.8 6.3 Mg2 6.6 7.6 1.8 MCa5 1.63.0 成本对比情况 我们采用浙江大学研制并提供的金属储氢瓶样品分别进行了子 弹射击贯穿 证明了金属氢化物在恶劣甚至战争条件下也是安全的 hecosofsoehydroensores美元 /MJ 储氢方法 通用设备费 储存设备费 能耗费 总费用 高压气瓶 (20MPaD 0.00073 0.00073 0.0024 0.010 液化储氢 (-253CD 0.00110 0.00210 0.0140 0.017 金属氢化物 0.000540.00700 0.0048 0.012 为了进一步提高氢能储运效率 人们还在进一步寻找安全可靠和储氢密度更高的材料 最近研究人员在碳纳米材料储氢技术上取得了一些重要成 凝胶(CaHgSD 其中碳纳米管由于其管道结构及多壁碳管之间的类石墨层空隙 使其成为最有潜力的储氢材料 国外学者证明在室温和大于100a 的压力下 碳管的储氢密度可达5Wt.%10Wt.% 但该数值 尚未得到科学界的确认 此外目前的制备成本也还很高 必将促进储氢技术的进一步发展 有色金属研究院等单位在此方面已进行了大量工作 某些方面已达到世界先进水平 为我国氢能发电应用奠定了很好的基础 电能变换技术燃料电池产生的电力输出为直流电 负载电压与空载电压或电动势之间存在较大的差异 满载时的输出电压仅为电池电动势的 50%60% 如此大的电压变化对 任何负载都是不能接受的 直流电须经逆变处理后才能应用 燃料电池输出的直流电必须经过变换处理后才能供给负荷 氢能发电及其应用前景电能变换主要依赖现代电力电子技术 电力变换装置可分为交流 将燃料电池输出的直流电变成电压符合要求的稳定的直流电 逆变器可将直流电变成频率和幅值符合需要的交流电 但它们大多数是针对公用电网或蓄电池的输出进行设计制造的 其特点是输入侧所承受的电压波动较小 很难适应燃料电池输出的电特性 氢能发电系统的电力变换装置应能适应大范围的直流电压变化和全程高效率的变 当需要多台燃料电池并联运行共同向大负载或电网供电时 自动调节输出 这也是氢能发电应用中重要的研究课题 燃料电池和电力变换装置有机组合起来就可构成氢能发电系统 氢能发电系统的设计是一个系统工程 高效率的电能变换器和燃料 Siemens公司设 PEMF发电系统示意图 PEMF以纯氢作燃料 电池堆及辅助系统安装在一个充满氮气的压力容器内 0.35MP 安全性高 电能变换器和燃料供应系统等各主要装置及附属设备的安全可 靠运行 新一代氢能发电系统都采用计算机分散控制系统 按工艺流程或装置性将氢能发电系统分成若干个相对的子 系统 实现相互通讯并接受总控制器的协调控制和管理 在燃料电池电动车上 普遍采用NBUs 现场总线型计算 机控制系统 通过NBUs 总线与车辆总控制器连接 以便氢能发电系统与车辆运行相互协调 动力匹配 它随氢能发电主系统设备和工艺的变化而变化 氢能发电的应用现状与前景氢能发电是继火电 水电和核电之后的发电方式 其显著特点是发电效率高 特别是基于 PEMF 的氢能发电系统还具有工作温度 民用和军用价值都很高 Simens公司设计的 PEMF 发电系统示意图 Fig.4 iagramofPEMFgeneratorsystemprodUcedbySimens 因此氢能发电技术的研究与开发已界范围内引起人们 的高度重视 便携电源 航空航天和军事装备领域等市场潜力巨大 目前PAFC 电源技术已十分成熟并进入商业 化阶段 国际燃料电池公司及其子公司ONSI~ 日本 三菱 东芝等公司已推出了中小功率PAFC 实际运作表明PAFC 是高度可靠的电 的电源或热备用电源 在大功率PAFC 电源方面 爱迪生电力研究所等机构从 1971 年开始研究 1977 年建成了 1MW PAFC的实验电厂 1991年在东京湾 i 建成 4.5MW PAFC电厂 其运行结果都接近或达到了设计要求 由于PAFC 电源的热电效率仅有 40% 余热又不足 200C 利用价值低 作为电网电源无法与现有大型电厂竞争 作为中小功率电源又不适合电动汽车和常规备用电源 所以近年来国际上已逐步减少了对它的进一步研发 SOFC属于中温和高温燃料电池 发电效率高达55%65% 并可提供优质余热用于 联合循环发电 热电联供时燃料利用率可达80% 因此是公用电网中最佳的区域性电源,1996 多家电力公司和研究机构在Santa Clara 建成 ZMW MCFC的试验电厂并投入试运 日本也从1987 年开始开发 1MW MCFC试验 电厂 1999 年完成电堆参与安装并投入试运行 技术院还开展了40MW 利用生物质燃料的 MCFC 发电厂的模拟研究 与此同时SOFC 电源的 研发也在不断进行之中 100kW SOFC发电装 它包含高压型SOFC 和一个汽轮发电机 是一个联合循环发电装置 预计2004 年投入商业化 荷兰能源基金会开始开发板式SOFC; artmouth学院进行了 10MW 以上容量 SOFC 模拟研究 SOFC及其发电系统适合用作电网的区域 性分散电源 有待于进一步探索研究和试验 AFC电源早已成功地用于 Apollo 登月飞行和 航天飞机 Simens 公司还做了采用 100kW AFC作为潜艇不依赖空气 (AIPD 运行的动力电源试 我国从20 世纪 60 年代末开始研究 AFC70 年代 研制成功两种石棉膜型 静态排水的AFC 系统 分别通过了例行的航天模拟试验,80 年代又成 功研制了 kW 级水下用 AFC, 但由于 AFC N2均十分 不适于地面应用 PEMFC发电技术也十分成熟 在国防军事和民用各领域都有极其重要而广阔的应用前景 目前其应用研究正界范围内掀起 ,20 世纪 60 年代美国 航空航天局 (NASAD 在双子星座宇航飞行中开始应 PEMFC电源 ;1989 Simens公司开始研究基于 PEMFC 电源的 AIP 潜艇 ;1996 年荷兰海军开始设 计和试验用于常规舰艇的 PEMC- 柴油机混合能源 供应系统 1997 年俄罗斯开始建造柴电 燃料电池混合动力潜艇 ,20 世纪 60 年代中期美国陆军开始研 制士兵用 PEMFC 便携电源 现已开发出多种单兵便携式 PEMC 电源装备 ,90 年代后期美 始开发数十千瓦等级的工程备用或家用型PEMFC 电源 特别是1990 Ballard公司开始研究和开发 PEMFC 电动汽车 奔驰等世界汽车巨头也都纷纷介入了PEM- FC 电动汽车的研究 这些样车在启动 爬坡等性能上都达到甚至超过了现在汽油 预示着基于PEMFC 引起汽车工业的一场 我国对PEMFC 发电技术的研发也十 分重视 在部分基础研究领域已达到或接近国际先进水平 已开发了一系列 PEMFC 电源 75kW~50kW级中等功率 PEMFC 电源也即将 取得突破 我国PEMFC 发电应用研究正方兴未艾 中科院大连化学物理研究所燃料电池工程中心 2000. 科学技术出版社1983. 氢能发电及其应用前景研究开发与应用 冶金工业出版社2000. 氧气重整制氢研究进展 石油与天然气化工arisonofdiffervehiclepower trainsJ].PowerSources2001(102):205-209. 17] ROWEALIX.Mathematicalmodelinfprctonex- changemembranefuelcellsJ].PowerSources2001 (102):82-96. 18] DOSSEDKUMARRALUWIARKetal.Fuel processorsforautomotivefuelcellsystems:apara- metricanalysisJ].PowerSources2001(102):1-15. 19] .PEMFC发电技术及其 在防护工程的应用探讨 防护工程200224(2): 103-105. 20] 汽车用质子交换膜燃料电池性能研究 中国公学报200114(4):103- 105. 21] 便携式200W 500W质子交换膜燃料电池系统研制 电化学20028 (2):182-185. 22] 质子交换膜燃料电池的发展现状 当代化工200130(1):7-11. 23] 德 质子交换膜燃料电池研究进展 电源技术199822(3):133-135. 24] 徐洪峰 质子交换膜燃料电池阴极数学模型 电源技术199923(6):312-315. 25] 源技术199923(2):120-125. 26] 高功率密度质子交换膜燃料电池研究 电源技术200024(3):131-134. 27] 质子交换膜燃料电池电气性能实验及建模研究 电源技术200125(1):10- 12. 28] 质子交换膜燃料电池技术进展 电源技术200125(6):436-440. 29] 重整气为燃料的质子交换膜燃料电池性能研究 电源技术200125(4): 275-278. 30] 电化学19984(3):299-306. 31] 中国电力199831 (9):61-64. 32] 西门子公司 中国电力200134(9):81-82. 33] 工电能新技术1999(2):18-22. 34] 熔融碳酸盐燃料电池单体热传质数值模型 中国电机工程学报200121 (7):22-25. 35] 熔融碳酸盐燃料电池发电厂的应用于商业化 上海电力学院学报2001 17(2):49-54. 36] .30kW质子交换燃料电 池动力系统的研制 能源技术200123(2):59- 61. 37] 钟加轮 电池工业 19994(1):23-25. 38] 汤建华 燃料电池21 世纪常规潜艇的新能源 华东船舶工业学院学报199913(4):8.53-58.