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      一文讀懂氫儲能技術
      日期:2023-10-08   [復制鏈接]
      責任編輯:sy_chenglingyan 打印收藏評論(0)[訂閱到郵箱]
      儲能是一種新型儲能,來源豐富、清潔無碳、高效可再生,在能量維度、時間維度和空間維度上具有突出優勢,是利用電力和氫能的互變性而發展起來的。氫儲能既可以儲電,又可以儲氫及其衍生物(如氨、甲醇)。狹義的氫儲能是基于“電?氫?電”的轉換過程,主要包含電解槽、儲氫罐和燃料電池等裝置。利用低谷期富余的新能源電能進行電解水制氫,儲存起來或供下游產業使用;在用電高峰期時,儲存起來的氫能可利用燃料電池進行發電并入公共電網。廣義的氫儲能強調“電?氫”單向轉換,以氣態、液態或固態等形式存儲氫氣,或者轉化為甲醇和氨氣等化學衍生物進行更安全地儲存。

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      圖1:氫儲能應用場景

      氫儲能技術被認為是極具潛力的新型大規模儲能技術,適用于極短或極長時間能量儲備的技術方式。與化學電池儲能類似,氫氣儲能技術的外部環境依賴性小,項目建設選址方便、環境影響小,但是與其他儲能技術相比,其能量轉換效率偏低,成本高,商業化應用的各個環節仍存在不少瓶頸。

      一、氫的來源分類

      氫氣按照其生產來源分為四種:灰氫、藍氫、藍綠氫和綠氫。

      1)灰氫

      灰氫是用化石燃料生產的(即利用蒸氣甲烷重整或煤氣化從甲烷中生產的氫)。在灰氫制取過程中會產生大量的二氧化碳排放,因此,這種制氫技術不適合實現凈零排放。

      2)藍氫

      藍氫是由蒸汽甲烷重整或帶(85%-95%)碳捕捉的煤氣化而得來的氫。在能源轉型的早期階段,使用藍氫可以促進氫市場的發展。目前大約四分之三的氫由天然氣生產,碳捕捉的改造可以允許繼續使用現有資產,同時實現更低的溫室氣體排放。這是—種選擇,即以較低的溫室氣體排放生產氫,同時減輕可再生能源裝機容量比率在生產綠氫方面的壓力。然而,到目前為止,藍氫也有其局限性:它使用的資源較為有限,易受化石燃料價格波動的影響,并且不能從根本上解決能源安全的需求。這也意味著,盡管藍氫燃料可以減少二氧化碳排放,但它不能滿足未來凈零排放的要求?;谶@些原因,藍氫只能被視為一個短期過渡,以促進綠氫的發展。

      3)藍綠氫

      藍綠氫是采用天然氣為原料的的產氫方法,在生產過程中不產生二氧化碳,甲烷中的碳通過熱裂解過程固化為炭黑,而炭黑的市場已經存在,藍綠氫生產過程中產生的炭黑也提供了額外的收入來源,并且炭黑比氣態二氧化碳更容易存儲,目前,藍綠氫仍處于示范階段。

      4)綠氫

      綠氫是通過可再生電力經電解水方法生產的氫氣,制取過程不產生二氧化碳是最適合實現可持續能源轉型,通過電解水生產綠氫符合凈零路線,允許利用行業耦合的協同效應,從而降低技術成本,為電力系統提供靈活性。波動性可再生能源的低成本和技術改進降低了綠氫的生產成本。因此,水電解產生的綠氫越來越受到人們的關注。目前綠氫的制取成本較高,降低成本是發展綠氫利用的主要目標。

      二、氫燃料電池

      在新能源和清潔能源中,水力能、風力能、太陽能、生物質能、核能和燃料電池等領域得到人們的廣泛關注與研究。其中,燃料電池由于其啟動快、效率高、噪聲低和污染小等方面的特點而得到了越來越多的重視。

      燃料電池是將儲存在燃料中的化學能轉化為電能的裝置,由于工作時燃料是通過電化學反應進行能量與物質的轉換與傳遞的,因此具有很高的效率,是傳統燃燒效率的二到三倍左右。同時使用氫作為燃料時,燃料電池可以完全實現無污染的電能供給,唯一的其它產物是水。再加上其噪聲小和啟動快等優點,燃料電池是一種十分理想的能量轉換與供給裝置。

      燃料電池根據其結構、工作原理的不同可以分為堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固態氧化物燃料電池、質子交換膜燃料電池等。質子交換膜燃料電池以其高功率密度、零排放、低噪聲等優點,獲得了廣泛的應用,也成為氫能產業發展的核心技術之一。

      圖2為質子交換膜燃料電池(以下稱氫燃料電池)的基本構成及其工作原理示意圖,其結構較為簡單,主要部件包括流場板、氣體擴散層、微孔層、催化層(及質子交換膜等,如圖2(a)所示,除流場板外,其余7個部分實際上都是一種多孔結構。如圖2(b)所示,質子交換膜燃料電池工作過程中陽極與陰極催化層中分別發生如下的電化學反應:

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      圖2 質子交換膜燃料電池的基本構成及其工作原理

      三、氫燃料電池供電系統構架


      氫燃料電池系統主要包括燃料電池堆、氣體供給子系統、加濕子系統以及熱管理子系統,典型的燃料電池系統示意圖如圖3所示。各子系統之間的協調配合,保證了電池堆的高效穩定運行。

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      圖3 典型氫燃料電池系統示意圖

      1)氫燃料電池堆

      氫燃料電池堆作為系統核心部件將反應氣體的化學能轉化為電能。在標準狀態下(273.15 K,101325 Pa)以氫氧反應的產物水是液態為例,單片電池的理論電壓(稱為能斯特電壓)僅為1.23V。為了滿足實際燃料電池產品(如車載燃料電池動力系統)的功率需求,燃料電池堆通常由幾十甚至幾百片單電池串聯(或混聯)而成,如豐田燃料電池汽車Mirai的電池堆由370片單電池串聯而成,能夠實現114kW的最大輸出功率并且達到3.1kW/L的功率密度。

      典型的燃料電池堆包括若干片單電池、進排氣歧管、冷卻液歧管、集流板、絕緣板、端板、密封墊圈以及裝配緊固件等。當反應氣體進入電池堆后,經過進氣歧管的分配流入各單電池的流道入口處,與此同時,各單電池流道出口經過化學反應后剩余的尾氣則匯集到排氣歧管后一并排出。

      2)氣體供給子系統

      氣體供給子系統分為氫氣供給子系統和空氣供給子系統兩大部分。

      a)氫氣供給子系統


      氫氣作為電池堆的陽極反應氣體,其流量大小直接影響了輸出功率以及能量利用率。根據陽極尾氣的不同處理方式,氫氣供給子系統通??煞譃槿N模式:流通模式、死端模式以及循環模式。

      b)空氣供給子系統

      空氣經由濾清器去除顆粒雜質,借助空氣壓縮機達到一定的質量流量與壓強,之后經過中冷器降溫、加濕器加濕后進入電堆。由于空氣壓縮機出口的高溫空氣一方面加重了加濕器的負擔(水蒸氣的飽和蒸氣壓隨著溫度的升高而增加),另一方面,溫度過高的空氣容易把電池堆中各單電池流道入口區域的膜電極吹干,因此,空氣壓縮機的下游通常設置有中冷器(散熱器)。電池堆陰極入口前段及出口后端通常還設置有控制閥,其主要目的是避免系統停機后管道中空氣進入電池堆造成的碳腐蝕等問題。陰極尾氣通常由排氣閥直接排入大氣中,也有研究者提出在系統中增加陰極循環回路以回收利用尾氣中的水蒸氣以降低電池堆對于外部加濕器的依賴性。陰極尾氣在排入大氣之前,一般要通過水氣分離器分離出可能含有的液態水以避免液態水對排氣閥的堵塞。

      氣體供給子系統不僅決定了電池堆的性能表現,而且在較大程度上影響了系統的凈輸出功率。

      3)加濕子系統

      為了使膜電極維持良好的質子傳導率, 流入電池堆的反應氣體通常需要加濕,燃料電池系統的加濕技術主要有自增濕、內增濕和外增濕三種。自增濕技術主要通過采用自增濕膜,優化電池結構設計等途徑來實現,不需要額外裝置并且無功率消耗。內增濕技術增加了電池堆的結構復雜性并且降低了其功率密度。外增濕技術需要額外的加濕裝置并有可能產生一定的能耗,其中噴霧加濕,焓輪加濕與膜加濕器技術在實際系統中均有運用。

      4)熱管理子系統

      熱管理子系統旨在控制和優化熱量傳遞過程,減少廢熱排放,提高能源利用效率并改善整個動力系統的性能。質子交換膜燃料電池運行溫度較低, 其與環境之間的自然對流換熱與輻射換熱能力有限,約60~70%的熱量需要借助冷卻系統排出。熱管理系統除了通過散熱(或冷卻)維持電池堆穩定的工作溫度,還必須減小單電池之間的溫度差異,保證其溫度的均一性。

      熱管理子系統主要包括冷卻液、散熱器、循環水泵、冷卻水箱、節溫器、溫度監測設備等,如圖4所示。冷卻液在循環水泵的作用下從水箱中抽出,流經空氣供給子系統中的增壓中冷器,隨后流經電池堆以帶走電堆中產生的熱量,冷卻液的熱量則通過散熱器散失到空氣中。

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      圖4 熱管理子系統示意圖

      熱管理子系統除了影響系統的輸出性能外,對于系統的耐久性與壽命也很重要。因此,保證電池堆以及系統各零部件維持在適宜的運行溫度,盡可能降低電池堆內的溫度不均勻性,增強燃料電池系統的冷啟動能力等都是熱管理子系統必須解決的重要問題。 

      原標題:一文讀懂氫儲能技術
       
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      來源:《數據中心儲能技術白皮書》
       
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