氢能和燃料电池技术结合城市燃气的应用

李 清，王庆余

（北京市燃气集团有限责任公司，北京 100035）

氢能作为清洁、高效、安全、可持续的新能源，被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源之一。氢能优势突出，热值高达142.35 MJ/kg，燃烧性能好，点燃速度快，产物无污染，氢资源丰富。燃料电池是一种将燃料中化学能直接转化为电能的电化学装置，它能够提高能源利用率，减少废弃物排放，具有发电效率高、环境污染小、比能量高、噪音低、燃料范围广、负荷调节灵活、可靠性高、易于建设的优点。燃气在城市能源体系中发挥着越来越重要的作用。基于燃气管网巨大的储能潜力和高效多元的能源转化方式，可以实现能源多网融合和多能耦合，构建城市综合能源系统。

氢能作为一种特殊的二次能源，是联系天然气和其他能源形式的重要纽带，对实现电力、热能、冷能、可再生能源等能源与天然气的耦合具有非凡的意义。燃料电池是氢能最主要的技术载体。在氢能与燃料电池技术结合城市燃气的应用中，主要是将燃气通过水蒸气重整反应或其他方式，转化为高纯度的氢气作为燃料电池的燃料，并将燃料电池应用于汽车、民用发电、燃料电池热电联供等。

1 氢能和燃料电池技术

1.1 氢能技术

目前，氢能已经在很多领域实现了应用。在航空领域，欧盟的“CRYOPLANE”计划充分证明了液氢作为航空燃料的可行性；在军事领域，以氢为燃料的潜艇、军用车已经在应用；在能源领域，有太阳能-氢能系统、生物质氢能系统等；在交通领域，氢燃料车也已经在积极推广。这些应用证实了氢能作为替代能源的可行性。

氢能主要技术包括氢能制备、储存、运输、转换及应用。实现氢能的规模应用，需要解决包括氢的制备、储存、输运、转换和应用在内的相关技术。其中，燃料电池技术是推动氢能发展的关键所在[1]。

1.2 燃料电池技术

氢燃料电池是将氢的化学能转化为电能和热能的装置，是利用氢能的有效方法之一。燃料电池直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能，具有如下特点。一是高能量转换效率、理论上它的能量转换效率可达90%～100%，目前实际能量转换效率在40%～60%。二是接近于零排放；燃料电池化学产物为纯净水，没有污染物排放。三是安静。燃料电池依电化学原理工作，电池本体无运动部件。四是可靠性高。碱燃料电池和磷酸燃料电池发电厂的运行经验已证明燃料电池的高度可靠。

依电解质种类，燃料电池分为5类：碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氢化燃料电池（SOFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）。具体对比如表1所示。

表1 五类燃料电池对比

2 应用场景分析

氢能与燃料电池技术结合城市燃气最重要的应用场景包括建筑供能应用、分布式发电应用、可再生能源耦合应用、交通应用等。下面详述相应技术的应用现状。

2.1 建筑供能应用

类似天然气三联供系统，氢能与燃料电池也可应用于建筑物供能。燃料电池系统的燃料为城市燃气，具体为天然气、煤气、LPG等。

燃料电池三联供系统由四部分组成：燃料处理子系统、燃料电池系统、电力电子子系统、余热回收子系统，图1为典型的燃料电池三联供系统示意图。首先，燃料处理子系统将燃气重整为氢气，输送至燃料电池系统进行发电；其次，电力电子子系统将燃料电池产生的直流电转化为交流电，供建筑物使用或并入电网；最后，余热回收子系统将燃料电池发电产生的余热回收、储存，用于制冷、供暖、供热水。

图1 SOFC三联供系统示意图

在欧美、日本等发达国家，在政府大力支持下，燃料电池建筑供能系统已进入商业化应用阶段。

德国的SOLIDPOWER公司是小型SOFC燃料电池行业先驱，具有强大技术创新能力。其核心产品BlueGEN号称世界上最高效的m-CHP设备，全球安装数量已经超过1000台。BlueGEN利用天然气发电供热，输入2.5 kW燃料，输出1.5 kW电和0.6 kW热，综合效率达85%。

日本致力于发展分布式能源系统。日本已有超过20万套家用燃料电池供能系统在运行，是世界上燃料电池应用最广泛的国家。日本家用燃料电池供能系统以城市燃气为燃料，主要由燃料电池和储热水箱组成，燃料电池用于发电，水箱用于回收余热。市面上主流产品包括松下、爱信精机和东芝等，具体参数如表2所示。

表2 日本燃料电池系统产品参数

氢能与燃料电池技术在建筑供能领域的推广，必将拓宽城市燃气的应用领域，为城市燃气发展另辟蹊径，进一步优化城市能源结构。

2.2 分布式发电应用

城市燃气作为优质清洁能源，其主要的用途之一就是发电。燃料电池发电具有效率高、无NOx排放、低噪音等优点。当前，燃料电池分布式发电正处于商业应用初期。燃料电池发电电站主要分布在美国、韩国和日本。

美国Bloom Energy是分布式发电领域技术力量最强、运作最成功的公司。Bloom Energy主打产品规格为100～250 kW，已完全商业化应用。

在数据中心、医院等特殊电力需求的场所，燃料电池分布式发电系统势必有很大的发展空间。在城市燃气输配系统中，可以利用小型燃料电池分布式发电系统，解决燃气场站的电源问题。国内的电信运营商也正在越来越多地利用燃料电池电源去替代现有的燃油内燃机发电系统。可以预见，结合城市燃气场站，燃料电池发电系统大有可为。

2.3 氢能和可再生能源耦合应用

氢能能量密度高，较传统储能方式，能够实现储能容量数量级的提升。通过耦合氢能和可再生能源，可实现可再生电力更加可控、稳定、安全的供应。

借助现有城市燃气庞大的直通用户管网，可再生能源电力制氢，再将氢能掺入天然气管道的应用，可以实现现阶段将城市天然气与可再生能源耦合的前景。国外关于天然气掺氢的研究比较前沿。在德国，已有天然气管道掺氢运营的示范项目。在国内，人们对天然气掺氢问题进行大量探索研究，但对于管道材料与掺氢比例、氢对燃气管道影响、末端设备对于掺氢燃气的适用性等关键性问题尚未有定论，天然气掺氢的应用尚正处于摸索阶段。

一般地，氢储能的全过程转换效率（完成电-氢-电循环）可达40%～50%。氢能和可再生能源耦合供能系统如图2所示[2]。

图2 氢能和可再生能源耦合供能系统

国外已有氢能和可再生能源耦合应用的示范项目如下。

2013年，德国建成了第一个商业化的风电制氢多能互补项目——h2-herten。该项目每年能够提供250 MW·h的电力和将近6500 kg的氢气，其中一部分氢气通过燃料电池为附近的一个办公建筑提供足够的电力。该项目在2013年5月29日开始运行，至今运行良好。该项目充分证明了微电网内通过耦合氢能和可再生能源可以实现电力的灵活稳定供应。

同样，法国在科西嘉岛启动完成MYRTE发电项目。该项目将光伏发电与氢储能结合起来，使光伏电站的电力输出平均化，更易于并入电网。该项目装设了560 kW的光伏发电设备，50 kW的电解水装置以及100 kW的PEMFC燃料电池。

国内首个风电制氢工业应用项目——沽源风电制氢项目也已经顺利开工建设，该项目势必将有效解决河北大面积弃风问题，破解风电产业发展瓶颈。

2.4 交通应用

车用燃料电池具有效率高、启动快、环保性好、响应速度快等优点。汽车行业预测燃料电池汽车是取代汽车内燃机的理想解决方案，是21世纪汽车动力源的最佳选择。燃料电动汽车的发展离不开加氢站基础设施的建设。下面从燃料电动汽车和加氢站两方面进行介绍。

2.4.1 燃料电池汽车

燃料电池汽车应用主要包括乘用车和客车。在国外，燃料电池乘用车已经实现了商业化应用。日本和韩国的燃料电池研发水平目前处于全球领先的水平，尤其是丰田、日产和现代汽车公司，在燃料电池电动汽车的耐久性、寿命和成本等方面逐步超越了美国和欧洲。

我国燃料电池乘用车和国外典型产品的性能对比，在整车总布置、动力性、经济性、续驶里程等方面与国际的差距不大，混合动力系统集成和控制的水平差距也不大。但是，燃料电池发动机的功率明显低于国外水平，国内典型轿车燃料电池发动机在35～50 kW左右，国外的基本在90～100 kW的水平。

相对地，燃料电池客车因技术门槛相对较低、具有良好的宣传推广效应，更易得到应用。当前，我国已经具有燃料电池客车的示范运行路线。2006年，北京奥运会期间，在永丰就开通了第一条燃料电池客车示范路线。2010年，上海世博会、广州亚运会期间均开通了燃料电池客车示范。运行结果显示，我国燃料电池城市客车性能多数指标（加速时间、最高车速、续驶里程、氢气消耗量等）和国外产品水平相当，其中氢耗指标和整车成本还有一定优势。

2.4.2 加氢站

氢燃料电池汽车的发展和商业化离不开加氢站的建设。国外加氢站设施建设更为完善，发展较为迅速。目前大力发展燃料电池汽车加氢站的国家主要有美国、德国、日本，其均制定了长期的发展规划，其中日本成为世界上加氢站最多的国家。截至2018年3月，全球约有318座加氢站，其中亚洲大约129座；欧洲大约126座；北美地区大约有63座加氢站。日本是全球第一个加氢站超过100座的国家[3]。

相比国外，我国加氢站发展较为滞后。截至2018年2月，我国已建成及在建的加氢站共有31座，正在运营的仅有12座，分别位于北京、上海、江苏、辽宁、安徽、河南、广东和四川等地。

加氢站建设可以结合现状城市燃气加气站进行合理规划，可以对一些利用率不高的LNG、CNG站进行综合改造，完成加氢站和加气站的综合建设，提高城市燃气供能多样性。

3 结论

氢能与燃料电池技术结合城市燃气在建筑供能应用、分布式发电应用、可再生能源耦合应用、交通应用方面等都有实例，国内外都在积极推进氢能和燃料电池的发展。氢能和燃料电池技术的应用将进一步巩固城市燃气作为城市重要能源的地位，有效提高城市能源利用效率，改善城市能源结构，提高城市燃气基础设施利用率，利于最终建成城市多能协同、智能耦合的综合能源体系。