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燃料电池及其在绿色能源革命中的作用

2021年4月6日

未来的能源系统必须设计成能够应对气候变化,以及应对不断增长的能源需求以及日益增长的世界人口的交通和能源需求等社会挑战。燃料电池可能是这个难题的重要组成部分。

燃料电池技术的潜力令人信服,氢作为整个能源系统中的存储介质也是如此。使用和推广该技术的强烈论据是高可靠性、可扩展性以及使用可再生能源的能力。

凭借其模块化设计,燃料电池系统可轻松适应输出功率与需求的匹配,其低维护要求和低运行成本也使其具有吸引力。此外,燃料电池技术已准备好推向市场并适合商业用途。快速发展的市场为零排放燃料电池技术提供了良好的增长机会。

燃料电池如何工作

与内燃机相比,燃料电池的工作方式有所不同。它们将燃料的化学能直接转化为电能,然后可用于驱动越来越多的电气系统。这种转换比内燃机更有效,因为省去了常规能量转换器(热机)所需的中间热机械步骤。

当所使用的燃料是可再生产生的氢气时,就会产生最大的加分值,因为它可使污染物和对气候造成破坏的气体排放量都减少到零。这样,燃料电池具有巨大的潜力,可以成为推进和能源系统脱碳的必要技术组件。

低温质子交换膜燃料电池或PEM(有时称为聚合物电解质膜燃料电池)目前代表着最合适的技术,用于开发和发展罗尔斯·罗伊斯动力系统产品组合。这种低温燃料电池具有很高的功率密度,即使是很小的单元也可以实现可观的输出。

低温燃料电池的最高工作温度约为100摄氏度,对材料和人员的危害最小,而高温燃料电池则可达到250摄氏度至1,000摄氏度。与其他类型的PEM相比,PEM具有良好的负载跟踪特性,因此它可以在几秒钟内响应电源需求的变化。

紧凑型PEM燃料电池的一个优点是其非常高的电效率。它们通常使用氢燃料作为燃料。但是,它们可以使用多种烃类燃料(例如甲醇,柴油或天然气)运行。这是通过使用众所周知的重整技术将燃料转化为氢气来实现的。这为PEM燃料电池提供了非常广泛的应用领域。

PEM燃料电池是一种原电池,可以使燃料和氧化剂(通常是空气)发生电化学反应,以产生电和废气(图1)。它运行安静,没有太多的振动。类似于电池,燃料电池也产生直流电压。然而,与电池不同,燃料电池需要恒定的燃料和氧化剂流入。

对于PEM燃料电池,化学过程发生在电极(阳极和阴极)之间,其中正离子(质子)从阳极迁移到阴极,并且电子通过电从阳极向外传导到阴极导体。该过程的产物是可以提取和使用的电能。电极涂有铂或钯催化剂,并通过电解质彼此隔开。没有催化剂,氢和氧将不会发生反应以产生热量和电能。电解质由离子导电膜组成,重要的是该膜对于质子而言是可渗透的,而对于电子而言则不可渗透。

完善成熟的技术

“聚合物电解质膜燃料电池”表示该膜是该燃料电池的关键特征。它通常由塑料制成,类似于特氟龙。充当电解质的水饱和聚合物膜仅允许质子(带正电的氢原子核)从阳极穿过到阴极。该离子传导所需的膜中的水含量负责将操作温度限制为最大100℃。近年来,催化剂所需的贵金属(例如铂)的量一直在稳定减少。这已经导致成本大幅度降低,并且仍然是开发工作的重点。

对于罗尔斯·罗伊斯动力系统应用而言,PEM燃料电池是理想的选择,这归功于其高功率密度,高可扩展性,模块化设计能力以及由此带来的灵活性。例如,燃料电池可以直接内置在电池供电或电气化的能源系统中。该电池可实现高电效率(约50%)和高电流密度,并且使用非常安全。这使其不仅适合用作固定电源,例如以应急发电机或不间断电源的形式,还可以在船上使用作为移动电源。

为了进一步提高功率密度,当今的燃料电池系统有时会配备空气压缩机或电动涡轮增压器。与内燃机一样,压缩机或涡轮增压器将空气以2 bar至3 bar的压力泵入空气系统。几个串联的单个燃料电池可以串联形成一个堆,从而提高了电压。为了获得更高的性能,堆栈也可以并联连接。这将产生的电流量增加到串行连接所产生的电流的倍数。

在开发和应用燃料电池技术时,罗尔斯·罗伊斯动力系统企业吸取了深厚的专业常识和多年的经验(图2)。从1999年到2011年,共安装了26个高温燃料电池系统,即熔融碳酸盐燃料电池(MCFC),并在各种应用领域中成功运行。电力和加压蒸汽的结合被广泛用于工业和卫生部门的过程中。该系统平均运行约22,000小时,并且已记录并分析了所有性能数据和经验值。尽管当时的市场条件和总体框架不支撑全面生产,但现在所有指示灯都变为绿色,可以将PEM燃料电池引入大众市场,作为驱动力的替代来源。

燃料电池应用

它们的特征意味着PEM燃料电池适用于当前由内燃机驱动的各种应用。其中,燃料电池可以在零碳数据中心,需求响应和船舶推进系统中发挥关键作用。

数据中心。数据中心是全球安全关键基础架构的一部分,包括医院,机场和电信中心。许多数据中心使用柴油发电机组提供应急电源。化石燃料(柴油)的燃烧不可避免地导致废气排放。如果使用燃料电池作为备用电源,那么散发出来的只有热量和潮湿的废空气。燃料电池系统没有活动部件,从而最大程度地减少了机械维护。燃料电池也比基于发动机的备用系统更高效。另一个优点是可以轻松扩展燃料电池系统的规模。更多的模块意味着更多的功率,燃料电池系统可以在以后轻松添加并随数据中心一起发展。

需求响应。为了增加可再生能源的使用,需要高度的灵活性。当存在多余的风能或太阳能时,不是减少生产,而是可以利用电能通过电解产生氢,并将其存储起来。在需要时,可以借助燃料电池系统以电的形式在短时间内再次提供这种能量。使用智能电网进行的负载管理或“需求响应”活动可能是将能源系统转换为可持续生产方式的关键因素之一。

将PEM燃料电池与电池结合使用的需求响应解决方案是稳定电网和缓冲功率峰值的理想选择。即使可再生能源的发电量较低,消费者也可以使用该系统满足他们的要求。PEM燃料电池发电机提供了连接到本地操作系统或微电网的能力。

船舶推进。替代性的推进系统是有吸引力的,不仅对于汽车和卡车,而且对于船舶都是必要的。航运占全球CO 2排放量的2%至3%,并且随着全球贸易的增加,这一比例到2050年将显着增加。车载燃料电池系统具有众多优势。除了具有可持续性和环境友好性外,基于燃料电池的船舶推进系统还因其高水平的乘客舒适度和高度模块化而受到青睐。它们安静,不产生臭味的废气,并且几乎无振动。这种无排放的推进系统使船舶可以在海洋,湖泊和河流地区使用,而这些地区由于不利的环境影响而无法使用某些其他系统。

燃料电池船用推进系统由几个部分组成。该系统的核心是燃料电池,它将氢转化为电能。该功率通过车载配电系统馈送到大型用户,例如驱动螺旋桨和绞盘的电动机,还馈送到较小的“家庭”用户。车载配电系统还具有一个电力存储设备(通常是锂离子电池)来临时存储电力。该电池允许在发电和耗电之间存在一定的时间间隔,因此开辟了对单个组件进行定时操作以实现最大效率的可能性。这需要用于控制各个组件的智能电源管理系统。

燃料电池展望

考虑到污染物排放和气候保护要求,燃料电池技术越来越受到关注。当充分利用可再生能源以实现低排放,零碳的电力和热量生产时,与其他系统相比,燃料电池在效率方面处于领先地位,因此对于各种燃料电池来说,它都是极具吸引力的主张应用程序。即使在今天,燃料电池仍可用于确保固定的独立设施以及为陆上车辆和船舶提供动力的移动设备中的高效能源供应。氢燃料电池的最大优势在于,无论使用船舶还是固定式发电厂,在使用绿色氢的情况下,CO 2排放均可以减少至零。

来源(随意的风sydf) 编辑(随意的风sydf)

泰和集团(www.thsyjt.com)

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