2 MW氢燃料电站运行情况

董文虎，张佳兴

（营创三征（营口）精细化工有限公司，辽宁营口115003）

营创三征（营口）精细化工有限公司2 MW氢气发电装置，是利用欧盟氢能支持资金示范项目，由荷兰MTSA公司承担工程设计，其中核心技术PEM燃料电池由荷兰Nedstack公司设计制造，该公司利用氯碱装置的副产品氢气作为能源进行发电。2016年9月10日，装置投入运行。该装置为世界首套2 MW电池。

该公司未来生产装置副产氢气预计可达到15 500万Nm3/h，为了有效利用这部分资源，近年来，公司相继开发出氢气下游产品，氢气使用情况简图见图1。

图1　氢气使用情况简图

1　氢气发电技术简介

（1）氢气发电技术是利用氢气和氧气在质子交换膜电池组（PEM）内进行氧化还原反应，发电并产生热能和纯净水的过程。氢气在正极被氧化，同时氧气在负极被还原。被氧化的氢离子通过质子膜到阴极，与被还原的阳离子结合生成水。

（2）PEM燃料电池工作原理见图2。最外层的薄层表示导电的气体扩散层。往里层是指由导电材料碳和离聚物构成的电极，携带细分散催化剂和铂元素。这些层之间层为质子传导电解质，又名质子交换膜（PEM）。该质子交换膜仅对质子（H+）导电，对电流（e-）是绝缘层。

图2　氢燃料电池工作原理

（3）薄膜、电极以及气体扩散层构成了膜电极。在阳极（氢气侧），氢气将游离在高度分散的铂催化剂上并分解为质子（H+）和电子（e-）。质子通过薄膜扩散至阴极（空气侧）。由于阳极和阴极存在电势差，电子无法通过薄膜，因此电子将通过外电路流向阴极。通过实时建立的电路实现的。电能就是这样产生的。同时，在阴极侧，空气中的氧气游离在催化剂表面，并与氢质子和电子发生反应生成水：2H2+O2＝2H2O

2　装置简介

PEM发电装置共3个模块，即工艺模块、电池组模块和电气逆变器模块。这3个模块分别被紧凑布置在3个集装箱内。

2.1　工艺模块

（1）氢气系统

为防止装置中出现爆炸混合物，发电之前需要使用氮气吹扫氢气系统来排出存在氧气，然后再用氢气吹扫系统以排出氮气。氢气在进入燃料电池之前，必须加湿和清洗干净。否则会导致燃料电池性能衰减。氢气供给经过液体分离器、加湿容器和再循环压缩机加湿后，供应给电池组。供应给电池组的氢气量必须要超出消耗量，未消耗的氢气通过再循环管线和压缩机进行再循环。氢气供应量取决于运行中的组数，2 MW燃料电池会消耗氢气约1 300 m3/h。

（2）空气系统

空气经过压缩机进入到加湿容器中，加湿后空气被送入电堆。氧气在电池的阴极反应，剩余氮气会阻止氧气轻松接触催化剂。氧气与氢离子反应产生的水。

2.2　电池组模块

2 MW PEM燃料电池发电装置由6组电池组成，每组电池由4个模块组成，每个模块包括14个电池单元，每个单元包括75个电池。因此有336个电池单元、管道、阀门、排气扇进行布置组装，构成发电装置。电池组通过水泵将加湿器内水引至燃料电池进行冷却。电池组中的热量通过热交换器3台板式换热器排出。

2.3　电气逆变器模块

装置安装6个相同的逆变器。每个逆变器的最大功率为340 kVA。将一组额定功率为84 kW的4个模块连接到逆变器。逆变器受2 MW PEM电厂的中央WinCC/PLC控制系统的控制。接触器由逆变控制系统打开和关闭。各组供应的功率由中央控制系统向逆变器发送的功率设定点来确定。每个逆变器都连接到递增型变压器系统。这将会产生的电压从362 VAC转换为 10.5 kVAC。 当 2 MW PEM 电厂不发电时，所需功率由外部电源提供。

3　工艺流程图简介

氢燃料电站工艺过程简图见图3。

图3　氢燃料电站工艺过程简图

空气在V101内进行加湿，经K101加压至130 mbar的压力，水泵P101对空气进行循环喷淋、洗涤、加湿。氢气由氯碱车间氢气分配台进行供给至V201，在V201内由水泵P201对氢气进行喷淋、洗涤、加湿。电池组发电产生的热量通过水泵P101将V101内的纯水送至换热器内进行热量交换。P201泵经换热器对氢气加湿进行温度控制。通过逆变器设定每一组电压功率。每个逆变器都连接到递增型变压器系统，将产生的电压从362 VAC转换为 10.5 kVAC。

工艺和电池集装箱均配备电风扇通风系统，引出空气将从设备的另一侧进行补充。通风系统具备双重功能。首先，可以排出泄漏的氢气、低氧含量的空气或氮气，同时还可为设备补充空气；其次，可以排出热量。风扇的运转将由流量传感器在风扇的吸入侧进行检测，当流量传感器检测到空气不足时，2 MW PEM发电装置将立即断开并进入安全模式。

4　装置运行中出现的问题及解决方法

截止2017年5月，该装置已运行7个月，出现的问题和解决方法如下。

（1）氯碱装置送来的氢气电导率高，导致电池衰减。

a.快速应急方法：向氯碱装置的氢气洗涤塔内补充纯水，增强洗涤效果。b.彻底解决方法：在送往氢气发电的氢气管路上，增加1台洗涤塔和水雾捕集器，除掉氢气夹带碱雾。

（2）由于北方冬季比较寒冷，导致电池集装箱底部的氢气管线结冰，导致机组不能正常运行。解决方法为增加管路保温措施。

（3）放空的空气携带大量的水滴，在放空烟囱附近形成“飘雨”现象。解决方法为将防空管线提高到距离地面20 m以上的高空并加粗，降低空气流动的速度。

（4）公司电网电压波动有时低，这样会导致逆变器跳闸停车。解决方法为重新给出电压波动的范围，MTSA公司重新设定逆变器电压波动范围值。

（5）逆变器冷却器在紧急停车的时候一起停，容易造成压力高故障，无法正常运行。解决方法为系统紧急停车后冷却器设置继续运行2 h，如果2 h内恢复系统运行，冷却器继续工作，如果2 h内没有恢复系统运行，则冷却器停运。

5　小结

氢燃料电池发电是将化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，副产物只有水，没有任何含碳物质的排放，是一种高效、清洁、环保发电方式。通过一段时间的运行考核证明，2 MW氢燃料电站装置设计合理，一键式开车操作方便，系统设置故障联锁停车功能，确保装置运行和停车安全可靠。

目前，国内大多数氯碱企业氢气都存在直接排放的现象，氢燃料发电将成为氯碱企业充分合理利用氢气的有效途径之一。