氢能和燃料电池技术结合城市燃气的应用

贾世泽

北京市燃气集团有限责任公司第三分公司 北京 101111

前言：根据当前我国新能源行业的发展情况来看，氢能作为可持续发展的新能源，具有安全、高效、清洁等特点，是现代社会发展过程中，最具有发展潜力的清洁能源之一。根据氢能的发展形势来看，优势十分突出。氢能在燃烧过程中，热值最高能够达到142.35MJ/kg，燃料性能十分优越。此外，氢能在燃烧过程中还具无污染、燃烧速度快等特点。所谓的燃料电池就是实现能量转换的装置，在该装置中能够有效将化学能转换为电能，进而提高相关能源的使用效率，此外还装置还，具有噪音低、污染小、发电效率高等特点。在当前城市燃气工程愈发重要的背景下，将氢能与燃料电池技术相结合，有助于城市建设过程中发挥城市能源体系的重要作用，打造出高效多元的能源转化方式，构建出综合性的能源系统。

1.氢能技术的相关概述

根据氢能的应用特点来看，此类型能源作为一种二次能源，是当前我国众多清洁能源中的一种，能够有效连接电力、热能等能源，促使其实现相互转化。根据城市燃气工程的建设情况来看，燃料电池身为氢能的主要载体，能够将城市燃气与氢能有效结合将燃气以水蒸气或者其他反应的方式，转化为氢能，而后将此类燃料电池有效应用于城市建设当中。

结合目前氢能的应用情况来看，已经涉及到了我国各个领域。例如在航空领域中，欧盟开展的CRYOPLANE计划，便充分的证明了在航空领域，氢能作为燃料的可性能。此外，在军事领域，氢能还能作为燃料，为车辆、潜艇等设备提供动力。在我国交通领域，氢燃料车正在不断研发与推广。这些领域对于氢能的应用与发展在很大程度上说明了氢能能够作为替代能源进行发展。

根据氢能的应用情况来看，涉及到多种技术，包括有氢能的制备、运输等，只有将这些技术实现广泛应用，才能够确保氢能实现大范围的应用，促使氢能技术被有效推广。由此可见，实现氢能存储等技术是当务之急，在此过程中，燃料电池的出现与发展将会在很大程度上推动氢能的应用。

2.燃料电池技术的的应用

根据燃料电池技术的发展情况来看，氢燃料电池技术身为氢能的重要载体，能够将其有效转化为电能与热能。在燃料电池应用过程中，将氢能中存储的氧化剂、燃料等相关化学能进行转化，最终得到所需要的电能。具体来看，燃料电池技术具有下述特点。首先，燃料电池技术在应用过程中拥有较高的能量转化率。从理论角度来看，能量转化率高达90%～100%，结合实际情况来看，该技术的能量转化率在40%～60%。其次，使用该技术时，废物排放情况接近于零，产物通常为纯净水，并没有相关污染物的排放。最后，该技术在应用过程中十分安静，因为燃料电池在运行过程中主要以化学原理为基础开展工作，而电池内部并没有相关运动部件，因此在运行过程中十分安静。最后，使用该技术有较高的可靠性，在我国，磷酸燃料电池发电厂与碱然连电池发电厂的出现，充分说明了燃料电池的运行可靠性。

根据燃料电池的应用特点来看，电解质种类的不同，燃料电池类型也有所不同，通常情况下，燃料电池可以分为五类，下表为五种燃料电池的对比情况。

表1 ：五种燃料电池对比表

3.氢能和燃料电池技术结合城市燃气的应用

根据当前我国各个城市燃气建设情况来看，应用领域涉及到了城市交通领域、建筑供能领域、可再生能源耦合领域以及分布式发电领域。笔者结合自身多年行业经验，从以下内容详细论述了有关城市燃气工程建设中，燃料电池与氢能技术的具体应用。

3.1 城市建筑供能应用

氢能与燃料电池技术结合城市燃气与天然气三联供系统十分相似，可以将其应用于城市建设当中。根据燃料电池的运行情况来看，在该系统当中，燃料便是为城市燃气工程中常见的天然气与煤气等，在三联供系统当中主要由四部分内容构成，分别为电子子系统、燃料处理子系统、燃料电池系统、余热回收子系统等等，具体工作流程图如下所示。

图2 ：固体氢化燃料电池三联供示意图

在该系统中，通过燃料电池中的燃料处理子系统，能够将城市燃气处理为氢气，随后将氢气运输到燃料电池系统进行发电，在此过程中，系统中的电力电子子系统会直接将电池系统中产生的直流电转换为交流电，最终应用于城市建筑电网当中，为城市建筑提供电能。最后，该系统当中的余热回收子系统会将燃料电池应用过程中产生的预热进行回收，处理过后应用于制冷供暖等。

根据氢能与燃料电池技术结合城市燃气的应用情况来看，国外诸多发达国家已经将该系统实现了商业化应用。例如，德国在应用氢能与燃料电池技术结合城市燃气方面有着较强的创新能力。在德国有一个名为solidpower的燃气公司，该公司身为一个科技创新公司，创造出的M-chp设备已经在全世界范围内得到了广泛的应用，使得德国城市燃气工程建设实现了电能、热能的转换。在应用该产品时，只要输入2.5KW的燃料，便能够产生0.6KW热与1.5KW电，系统运行总效率高达85%。除了德国之外，还有日本地区，因为地理环境的关系，在日本城市燃气系统主要以分布能源系统为主，结合目前日本分布式能源系统的应用情况来看，已经有超过20万套设备在运行，可以说是全世界应用燃料电池最广泛的国家之一。根据日本应用分布式能源的实际情况来看，主要构成部分为城市燃料电池、储热水箱。在系统运行过程中，燃料电池主要应用于发电，系统中的水箱主要应用于回收余热。市场中主要流行东芝、松下等品牌系统。

3.2 分布式发电的应用

根据城市燃气的应用情况来看，其最主要的功能便是发电。而燃料电池技术的应用，能够有效提高发电效率，并且没有污染物的排放，此外该技术还具备安静等优点。当前分布式发电在我国仍旧还未广泛应用，停留在了商业应用的初期，但是在全世界范围内，韩国、美国、日本等对于燃料电池发电站的应用较为广泛。当氢能和燃料电池技术结合城市燃气应用于分布式发电时，可以有效解决当前城市燃气站的问题，有效解决了燃气站的电源问题。除此之外，在我国其他行业，例如电信运营商也开始利用燃料电池电源，将传统燃油内燃机逐渐代替，由此可见，氢能和燃料电池技术结合城市燃气在分布式发电系统中的应用大有前途。

3.3 氢能和可再生能源耦合应用

相较于传统储能方式而言，氢能能量的密度较高，因此能源储备量也在不断增大，进而通过应用氢能和可再生能源耦合，使得城市实现可再生电力供应，使得城市电力系统安全、稳定、可控的运行。目前在我国各类型城市发展过程中，会涉及到大量的燃气直通用户管网，因此城市建设过程中可以充分利用这些设施，实现电力制氢，随后再将氢能掺入到天然气管道当中，最终实现天然气与可再生能源耦合。

3.4 交通应用

车用燃料电池一般都具有环保性好、启动快、效率高的特点，根据目前我国新能源汽车的发展情况来看，燃料电池是取代汽车内燃机最好的方案，是本世纪能源动力汽车的最佳选择。但是在此过程中要注意的是，燃料电动汽车的发展离不开氢站基础设施的建设。燃料电池汽车一般情况下分为乘用车与客车，目前在我国燃料乘用车已经在我国实现了商业化的应用。加氢站的建设也为燃料电池汽车的发展提供了保障，我国加氢站的建设较为滞后，各地区在建设过程中可以充分结合一些利用率不高的LNG站进行改造，促使城市燃气功能实现多样性。

结语：综上所述，结合当前我国城市建设情况来看，氢能和燃料电池技术结合城市燃气的应用，能够有效改善城市环境，减少污染物的排放，提高能源利用率，促使城市实现可持续发展。根据具体应用情况来看，在城市交通领域、建筑供能领域、分布式发电领域都有所涉及。在此过程中要注意的是，各地区在发展氢能和燃料电池技术结合城市燃气的应用时，还需要大力建设氢能源的基础设施，例如加氢站等，只有这样才能确保该清洁能源有效应用，为城市长久健康的发展提供保障。