新能源發(fā)電與控制技術（第4版）課件：氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術

氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術5.1氫能5.2氫燃料電池5.3氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)5.4氫能發(fā)電控制技術主要內容2氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術3氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術氫能作為一種高效、清潔、可再生的能源，以其綠色無污染、原料豐富、利用方式多樣的優(yōu)勢贏得了人們的青睞。本章介紹氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術，圍繞氫能和燃料電池的角色、原理及應用進行闡述，主要內容有氫能的生產(chǎn)、轉化、存儲以及運輸，氫燃料電池的原理及主要形式，氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)構成及典型應用，電源變換及控制技術。5.1氫能和燃料電池的角色作為二次能源的電能，可從各種一次能源中生產(chǎn)出來，例如煤炭、石油、天然氣、太陽能、風能、水力、潮汐能、地熱能、核燃料等均可直接生產(chǎn)電能。而作為二次能源的汽油和柴油等則不然，生產(chǎn)它們幾乎完全依靠化石燃料。隨著化石燃料耗量的日益增加，其儲量日益減少，終有一天這些資源將要枯竭，這就迫切需要尋找一種不依賴化石燃料的、儲量豐富的新的含能體能源。氫能正是一種在常規(guī)能源危機的出現(xiàn)、在開發(fā)新的二次能源的同時人們期待的新的二次能源。目前液氫已廣泛用作航天動力的燃料，但氫能大規(guī)模的商業(yè)應用還有待解決以下關鍵問題：1）廉價的制氫技術

因為氫是一種二次能源，它的制取不但需要消耗大量的能量，而且目前制氫效率很低，因此尋求大規(guī)模的廉價的制氫技術是各國科學家共同關心的問題；2）安全可靠的儲氫和輸氫方法

由于氫易汽化、著火、爆炸，因此如何妥善解決氫能的儲存和運輸問題也就成為開發(fā)氫能的關鍵。4氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術5.2氫能5.2.1氫氣的生產(chǎn)

5氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術

6氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術

7氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術

8氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術

9氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術5.2.2氫氣的轉化氫氣作為一種能源載體的同時也是一種能源。當能源難以運輸或需要進行存儲以備不時之需時，可以轉化為氫以供容器存儲或管道運輸，可能在商店出售，以及轉換為另一種能量形式供最終的使用。氫氣作為間斷性能源如太陽能和風能的中間能源載體是可取的，還有與不易存儲電力有關的其他能源，例如核能。如果擴展到使用化石能源，為避免二氧化碳排放，可以在初期把煤轉換成氫氣以控制溫室氣體排放。氫作為能源載體的優(yōu)勢包括環(huán)境通用性和使用廣泛，其缺點是需要容器和管道的高密封性以避免泄露。氫氣同樣可作為存儲介質，氣態(tài)氫方便在含水層或鹽丘地下存儲，與天然氣存儲的地質構造相同，只需要一個更好的襯里。氫氣的低體積密度的特點使得儲氫容器制造有點昂貴，但對于工業(yè)上的許多應用并至少在第一代氫燃料電池汽車和家庭規(guī)模的發(fā)電機方面，壓縮儲氫仍然被認為是一個方便的解決方案。10氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術氫作為燃料可以應用到傳統(tǒng)的火花點燃式發(fā)動機和柴油發(fā)動機中，發(fā)動機的效率與采用汽油或柴油作為燃料時是一樣高的。然而，由于氫氣較低的能量密度，在滿足壓力范圍限制的條件下，用氫氣作為燃料的活塞缸中，其沖程對應的體積是汽油發(fā)動機的2~3倍，這會導致乘用車的發(fā)動機倉內空間緊張。針對氫氣的燃燒特點，若氫氣在空氣中燃燒，當溫度達到1700K以上時，氮氧化物會急劇增加，在這種情況下，氫氣的燃燒不再是一個無污染的過程。圍繞氫氣較大的可燃范圍和易燃兩個特點來看，氫氣在熱力學發(fā)動機中根據(jù)負荷狀況分別需要注意：低負荷時需要保證發(fā)動機的平穩(wěn)運行；在高負荷時，會存在需要處理的問題例如預燃、回火或爆燃。由于氫寬廣的燃燒范圍，則存在著顯著的安全問題。11氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術另外，氫能和燃料電池可以在交通部門發(fā)揮巨大作用，因為在該行業(yè)引進替代能源（如可再生能源）是非常困難的。燃料電池是氫氣和氧氣發(fā)生自發(fā)燃燒反應的電化學設備，其中氫氣作為燃料，氧氣作為氧化劑，在進入電池時為氣相，反應的產(chǎn)物有水、電子和熱量，整個反應過程不產(chǎn)生污染物，并且大部分燃料電池不產(chǎn)生溫室氣體，因此，燃料電池是一個有效的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，能夠產(chǎn)生電能和熱能。12氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術燃料電池除了擁有很高的實用性和適應性，還具備以下優(yōu)點：1）

高轉換率；2）

熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的有效利用；3）

有效降低了反應壓力，同時工作溫度范圍為80~1000℃，遠低于內燃機的2300℃；4）

高度的系統(tǒng)擴展性，整合電池組的性能與電池組的規(guī)模無關；5）

可以與其他能源協(xié)同使用，降低當今的能源環(huán)境沖突；6）

電池的性能與負載的變化無關；7）

電池能夠迅速地對負載的變化做出響應；8）

容易組裝，沒有活動的組件。除了以上優(yōu)點之外，燃料電池也具有一些缺點，比如使用鉑之類的價格高昂的催化劑，另外，燃料電池的壽命相對較短。13氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術5.2.3氫氣的儲存儲氫方式可以大致分類為物理存儲、物理化學存儲和化學存儲。1）物理儲存；2）物理化學儲存；3）化學儲存。14氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術5.2.4氫氣的運輸氫氣常以氣態(tài)或液態(tài)的方式傳輸。傳輸和儲存是相關緊密聯(lián)系的兩大問題，它們都與氣體的最終使用、氣體質量和傳輸距離有關。儲存壓縮氫氣的氣體儲存罐，傳輸距離通常很短，可以用卡車、列車或短管道來運送。如果傳輸距離短且質量要求低，在筒狀缸中運送壓縮氫氣是技術上和經(jīng)濟上最可行的方法。如果距離增加，應用海運液態(tài)氫替換運送壓縮氫氣。反之亦然，如果距離不變而質量要求增加，使用氣管運送氫氣或液氫則是最佳選擇。如果質量要求高而且傳輸距離遠，管道將是最方便的方法。15氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術5.3氫燃料電池5.3.1基本原理燃料電池把能源中燃料燃燒反應的化學能直接轉化為電能的“能量轉換器”。氫氧燃料電池的能量轉化率很高，可達70％以上。此外，于其氫氧燃料電池發(fā)電產(chǎn)物為水，因此不污染環(huán)境。燃料電池工作原理

16氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術5.3.2熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)在高溫下，燃料電池利用碳酸根離子來穿透固體基質電解質的過程如圖所示。這種電池是為了用于固定式的應用以及更高的燃料利用效率。MCFC工作原理MCFC的優(yōu)點在于：可用的燃料廣泛；總的熱效率高，可達80%；污染物排放指標低；可用非貴金屬催化劑；用水冷卻，降低成本；缺點：電解液有著高度腐蝕性；電池的密封技術難；二氧化碳的循環(huán)增加了系統(tǒng)的復雜性。17氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術5.3.3固體氧化物燃料電池(SOFC)具有較高離子電導率的電解質是SOFC的基礎，根據(jù)不同的導電離子，SOFC根據(jù)導電離子的不同可分為兩類：氧離子導電電解質燃料電池和質子導電電解質燃料電池。氧濃差SOFC工作原理SOFC的優(yōu)點在于：燃料選擇范圍廣，不必使用貴金屬作為催化劑；使用全固態(tài)組件，不存在對漏液、腐蝕的管理問題；較高的電流密度和功率密度；能源利用率高達80%；缺點：工作溫度高，影響電池使用壽命；電池、電池堆和系統(tǒng)的輸出功率低。18氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術5.3.4酸性和堿性燃料電池磷酸燃料電池(PFAC)已經(jīng)被開發(fā)用于固定電源。它采用多孔碳負載鉑的催化劑作電極，磷酸作為電解質，氫氣進料至負極，氧氣（或空氣）到正電極。PFAC工作原理PFAC的優(yōu)點在于：對燃料及空氣中的CO2耐受性強，無需預處理；系統(tǒng)簡單，成本低；工作溫度溫和，對材料要求不高；熱電聯(lián)產(chǎn)，穩(wěn)定性好；缺點：發(fā)電效率低；催化劑較昂貴；磷酸具有強腐蝕性，電池壽命較短；需對燃料氣進行凈化。19氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術堿性燃料電池(AFC)以強堿為電解質，燃料是氫氣，氧化劑是純氧或除去二氧化碳的空氣，氧電極為Pt/C、Ag等，氫電極為Pt-Pd/C、Ni等，隔膜為飽浸堿液的多孔石棉，雙極板為無孔碳板、鎳板等。AFC工作原理AFC的優(yōu)點在于：能量轉化效率高；成本低；啟動容易，低溫工作性能好，易于熱管理；缺點：CO2毒化，削弱電池性能，影響輸出功率；電解液循環(huán)利用，增加泄露風險；電池冷卻裝置需要的空間受限，廢熱利用效率低。20氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術5.3.5質子交換膜燃料電池(PEMFC)PEMFC由MEA和帶氣體流動通道等雙極板組成，其核心部件膜電極是采用一片聚合物電解質膜和位于其兩側的兩片電極熱壓而成，中間的固體電解質膜起到了離子傳遞以及分隔燃料和氧化劑的雙重作用，而兩側的電極是燃料和氧化劑進行電化學反應的場所。PEMFC工作原理PEMFC的優(yōu)點在于：燃料來源廣，適應性高；低工作溫度；該能量轉化率；噪聲低，綠色環(huán)保；維修簡單；缺點：對溫度要求較高；質子交換膜制作流程復雜，工藝繁瑣，成本較高。21氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術5.4氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)除了氫燃料電池本體外，還要和外圍裝置共同組成發(fā)電系統(tǒng)。燃料電池發(fā)電系統(tǒng)構成框圖燃料電池發(fā)電系統(tǒng)構成如圖所示，其中包含以下部分：1）燃料重整系統(tǒng)將得到的燃料轉化為燃料電池能使用的以氫為主成分的一個轉換系統(tǒng)。2）空氣供應系統(tǒng)可以使用馬達驅動的送風機或空氣壓縮機。3）DC—AC變換系統(tǒng)直流到交流的逆變裝置。4）排熱回收系統(tǒng)用于回收燃料電池發(fā)電時產(chǎn)生的熱能。5）控制系統(tǒng)燃料電池發(fā)電是的起動、停止、運行、外接負載等的控制裝置。6）剩余氣體循環(huán)系統(tǒng)在高溫燃料電池發(fā)電裝置中，由于燃料電池排熱溫度高，因此安裝可以使用蒸汽輪機與燃氣輪機剩余氣體的循環(huán)系統(tǒng)。22氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術氫燃料電池輸出的是直流低電壓，而且有內阻，在不同電流負載下輸出電壓變化比較大；此外，我國家用電器絕大多數(shù)是220V/50Hz的正弦交流電，所以通常需要把氫燃料電池的輸出進行升壓以及逆變后才可供用戶使用，氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)如圖所示。氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)構成框圖23氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術5.4.1交通工具混合動力汽車概念車輛內質子交換膜燃料電池動力系統(tǒng)布局圖24氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術燃料電池混合動力公交車的平均能量流25氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術可逆燃料電池附加太陽能電池系統(tǒng)的動力模式和時間分配燃料電池驅動的輕型無人駕駛飛船的動力分配26氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術5.4.2發(fā)電廠和獨立系統(tǒng)挪威北海的于特西拉島上的發(fā)電系統(tǒng)更大規(guī)模的固定發(fā)電系統(tǒng)既可以使用低溫又可以使用高溫燃料電池系統(tǒng)，已經(jīng)運營的很多系統(tǒng)其額定功率為幾百千瓦，這些系統(tǒng)包含結合了必需的燃料制備和排放廢氣的處理設備的PEMFC、MCFC或SOFC的基本單元。在于特西拉的北太平洋島進行了一項研究，這個島上有幾戶居民，基于風能發(fā)電，直接使用電或是通過堿性電解器制氫，氫氣用于PEM燃料電池或發(fā)動機，發(fā)電系統(tǒng)如圖所示。27氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術5.4.3建筑集成系統(tǒng)與建筑集成的燃料電池系統(tǒng)，尤其是PEMC類型，這與分散式能量系統(tǒng)的應用密切相關。該系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的能量供應區(qū)分熱能和電能，熱能通常是分散式的，電能集中供應。燃料電池可服務于獨立建筑，其業(yè)主為自己供電，也有可能給停在大樓車庫的汽車提供獨立充電服務。同時，來自發(fā)電現(xiàn)場和制氫的廢熱可滿足或輔助大樓供熱（熱電結合，即CPH）。燃料電池技術在便攜式應用方面也可能代替小型蓄電池，允許人們分散式地控制他們所有的能量供應，包括熱能、汽車燃料和固定的或便攜式用電。首先使用氫氣的建筑集成方案可能是取代天然氣鍋爐機組；在許多國家，重整PEM燃料電池組用鍋爐給家庭取暖和供給熱水，這樣就能使用現(xiàn)有的天然氣網(wǎng)。在未來的一二十年這種配置重整單元的燃料電池在成本上也許會有競爭力。28氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術與建筑集成的燃料電池的重要問題是服務于建筑的基礎設施。它由電網(wǎng)和氫氣管道網(wǎng)絡的附件組成。如果建筑內使用氫氣，就能用氫發(fā)電和伴隨的熱量；如果發(fā)電量大于建筑的用電量，就能向電網(wǎng)輸電。通過這種方式，把燃料電池用到滿負荷，對額外電站的需求變得更小了，電站不是建筑系統(tǒng)的一部分。另一種運行方式是從電網(wǎng)接收電，然后用電制氫，再把氫氣分配給停在建筑中的汽車或是存儲起來，用于以后再發(fā)電和伴熱。這個選項對于主要的可再生能源間歇性供電系統(tǒng)是非常必要的，因為當沒有基本產(chǎn)品的時候氫氣能被用來發(fā)電和制熱。29氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術5.4.4便攜式和其他小規(guī)模系統(tǒng)在過去的幾十年，便攜式設備的消費模式經(jīng)歷了快速增長。這增加了對蓄電池的需求，但同時不可避免地暴露了蓄電池技術的局限性，盡管在轉換效率方面有穩(wěn)定的增長，帶有小規(guī)模存儲罐的燃料電池可以很好的解決這些問題，燃料電池可以自主供電幾天而不是幾小時。和其他技術的不同在于，燃料電池需要外部化學品存儲罐，而蓄電池是內部存儲罐。對體積大小的考慮是與便攜性相關的，但更應考慮基于質量的能量密度，因為人們要隨身攜帶那些設備出門。圖為UltraCell設計的有氫氣燃料電池供電的筆記本上計算機，燃料電池可為計算機提供數(shù)小時到一個月的自主運行。UltraCellXX25氫氣燃料電池供電的筆記本式計算機30氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術5.5電源變換及控制技術燃料電池并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的作用是將燃料電池產(chǎn)生的直流電壓通過變換調整得到和電網(wǎng)電壓頻率相同的交流電?在為本地負載提供交流電能的同時將電能送入電網(wǎng)。按照功率變換級數(shù)將燃料電池并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)分為兩大類：一是單級系統(tǒng)，通過一級功率變換并網(wǎng)發(fā)電，一個是多級發(fā)電系統(tǒng)通過兩級或多級功率變換并網(wǎng)發(fā)電?，F(xiàn)在應用比較廣泛的不隔離逆變器大多為電壓型逆變器，有降壓的特性，所以在燃料電池輸出和到電網(wǎng)之間必須有一級是具有升壓功能的變換裝置，如圖1所示。此外，由于氫燃料電池是一個電化學反應過程，提供的電能具有不穩(wěn)定性，而且電網(wǎng)負載也會有波動，為了適應這樣的波動，通常加入電能緩沖裝置----蓄電池，這種氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)如圖2所示。圖1具有DC--DC變換器的氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)圖2具有能量緩沖的氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)31氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術根據(jù)燃料電池的工作特性，并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中DC/DC變換器需要具有以下幾個功能：1）提升電壓功能。一般而言，在功率<l00kVA，不采用工頻變壓器的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器要求的直流電壓通常要都比一般燃料電池的輸出電壓高?因而需要依靠DC/DC變換器實現(xiàn)升壓。2）在較寬的輸入電壓范圍內都有穩(wěn)定的輸出電壓功能。因為燃料電池本身輸出電壓隨負載變化將會在一個較寬的范圍內變化。3）抑制輸入電流紋波。輸入電流紋波不僅會對燃料電池的工作帶來損害，而且將降低燃料的利用率；同時，因為輸入電流紋波還會增加燃料電池的最大輸出電流要求，增加系統(tǒng)對于燃料電池容量的要求，增加電池部分的投資。燃料電池發(fā)電系統(tǒng)前端DC/DC變換器的輸入側直接接到燃料電池的輸出側，因而可以通過限制DC/DC變換器的輸入電流紋波來達到保護燃料電池的目的。32氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術4）通過DC/DC變換器實現(xiàn)燃料電池和電網(wǎng)之間的隔離，提高安全性。適用于燃料電池分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的DC/DC變換器總體上分為四類：非隔離DC/DC變換器，以Boost電路族為代表；隔離電壓型DC/DC變換器；隔離電流注入型DC/DC變換器；組合式DC/DC變換器，將前面幾種結構組合起來的一類DC/DC變換器。33氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術5.5電源變換及控制技術1.隔離電壓型DC/DC變換器電壓型半橋電路結構如圖1所示。半橋變換器具有電路簡單，而且與推挽和全橋相比，可利用輸入電容的充放電特性自動調整兩個輸入電容上的電壓，使變壓器在工作周期的正負半周伏-秒平衡，因此在中大功率范圍內收到青睞。電壓型全橋電路結構如圖2所示。它具有開關管器件電壓應力、電流應力較小，高頻功率變壓器的利用率高等優(yōu)點。而且全橋變換器適合做軟開關管控制，減小變換器中的開關管損耗提高轉化效率。圖1電壓型半橋DC/DC變換器圖2電壓型全橋DC/DC變換器34氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術2.隔離電流型DC/DC變換器電流型半橋變換器如圖1圖所示。因為在任何時刻，兩個開關管必須保證有一個開關管是導通的，即開關管的導通占空比不能小于0.5，導致兩個輸入電感總是有一個處于充電狀態(tài)，輸入電流總是大于零，這意味著系統(tǒng)有一個最低輸出功率的限制。右圖所示電路結構是左圖所示電路結構的一個改進，通過將兩個電感禍合可以消除原來結構中的最小輸出功率限制。圖1電壓型半橋DC/DC變換器圖2電壓型