氫能和燃料電池技術結合城市燃氣的應用

賈世澤

北京市燃氣集團有限責任公司第三分公司 北京 101111

前言：根據當前我國新能源行業的發展情況來看，氫能作為可持續發展的新能源，具有安全、高效、清潔等特點，是現代社會發展過程中，最具有發展潛力的清潔能源之一。根據氫能的發展形勢來看，優勢十分突出。氫能在燃燒過程中，熱值最高能夠達到142.35MJ/kg，燃料性能十分優越。此外，氫能在燃燒過程中還具無污染、燃燒速度快等特點。所謂的燃料電池就是實現能量轉換的裝置，在該裝置中能夠有效將化學能轉換為電能，進而提高相關能源的使用效率，此外還裝置還，具有噪音低、污染小、發電效率高等特點。在當前城市燃氣工程愈發重要的背景下，將氫能與燃料電池技術相結合，有助于城市建設過程中發揮城市能源體系的重要作用，打造出高效多元的能源轉化方式，構建出綜合性的能源系統。

1.氫能技術的相關概述

根據氫能的應用特點來看，此類型能源作為一種二次能源，是當前我國眾多清潔能源中的一種，能夠有效連接電力、熱能等能源，促使其實現相互轉化。根據城市燃氣工程的建設情況來看，燃料電池身為氫能的主要載體，能夠將城市燃氣與氫能有效結合將燃氣以水蒸氣或者其他反應的方式，轉化為氫能，而后將此類燃料電池有效應用于城市建設當中。

結合目前氫能的應用情況來看，已經涉及到了我國各個領域。例如在航空領域中，歐盟開展的CRYOPLANE計劃，便充分的證明了在航空領域，氫能作為燃料的可性能。此外，在軍事領域，氫能還能作為燃料，為車輛、潛艇等設備提供動力。在我國交通領域，氫燃料車正在不斷研發與推廣。這些領域對于氫能的應用與發展在很大程度上說明了氫能能夠作為替代能源進行發展。

根據氫能的應用情況來看，涉及到多種技術，包括有氫能的制備、運輸等，只有將這些技術實現廣泛應用，才能夠確保氫能實現大范圍的應用，促使氫能技術被有效推廣。由此可見，實現氫能存儲等技術是當務之急，在此過程中，燃料電池的出現與發展將會在很大程度上推動氫能的應用。

2.燃料電池技術的的應用

根據燃料電池技術的發展情況來看，氫燃料電池技術身為氫能的重要載體，能夠將其有效轉化為電能與熱能。在燃料電池應用過程中，將氫能中存儲的氧化劑、燃料等相關化學能進行轉化，最終得到所需要的電能。具體來看，燃料電池技術具有下述特點。首先，燃料電池技術在應用過程中擁有較高的能量轉化率。從理論角度來看，能量轉化率高達90%～100%，結合實際情況來看，該技術的能量轉化率在40%～60%。其次，使用該技術時，廢物排放情況接近于零，產物通常為純凈水，并沒有相關污染物的排放。最后，該技術在應用過程中十分安靜，因為燃料電池在運行過程中主要以化學原理為基礎開展工作，而電池內部并沒有相關運動部件，因此在運行過程中十分安靜。最后，使用該技術有較高的可靠性，在我國，磷酸燃料電池發電廠與堿然連電池發電廠的出現，充分說明了燃料電池的運行可靠性。

根據燃料電池的應用特點來看，電解質種類的不同，燃料電池類型也有所不同，通常情況下，燃料電池可以分為五類，下表為五種燃料電池的對比情況。

表1 ：五種燃料電池對比表

3.氫能和燃料電池技術結合城市燃氣的應用

根據當前我國各個城市燃氣建設情況來看，應用領域涉及到了城市交通領域、建筑供能領域、可再生能源耦合領域以及分布式發電領域。筆者結合自身多年行業經驗，從以下內容詳細論述了有關城市燃氣工程建設中，燃料電池與氫能技術的具體應用。

3.1 城市建筑供能應用

氫能與燃料電池技術結合城市燃氣與天然氣三聯供系統十分相似，可以將其應用于城市建設當中。根據燃料電池的運行情況來看，在該系統當中，燃料便是為城市燃氣工程中常見的天然氣與煤氣等，在三聯供系統當中主要由四部分內容構成，分別為電子子系統、燃料處理子系統、燃料電池系統、余熱回收子系統等等，具體工作流程圖如下所示。

圖2 ：固體氫化燃料電池三聯供示意圖

在該系統中，通過燃料電池中的燃料處理子系統，能夠將城市燃氣處理為氫氣，隨后將氫氣運輸到燃料電池系統進行發電，在此過程中，系統中的電力電子子系統會直接將電池系統中產生的直流電轉換為交流電，最終應用于城市建筑電網當中，為城市建筑提供電能。最后，該系統當中的余熱回收子系統會將燃料電池應用過程中產生的預熱進行回收，處理過后應用于制冷供暖等。

根據氫能與燃料電池技術結合城市燃氣的應用情況來看，國外諸多發達國家已經將該系統實現了商業化應用。例如，德國在應用氫能與燃料電池技術結合城市燃氣方面有著較強的創新能力。在德國有一個名為solidpower的燃氣公司，該公司身為一個科技創新公司，創造出的M-chp設備已經在全世界范圍內得到了廣泛的應用，使得德國城市燃氣工程建設實現了電能、熱能的轉換。在應用該產品時，只要輸入2.5KW的燃料，便能夠產生0.6KW熱與1.5KW電，系統運行總效率高達85%。除了德國之外，還有日本地區，因為地理環境的關系，在日本城市燃氣系統主要以分布能源系統為主，結合目前日本分布式能源系統的應用情況來看，已經有超過20萬套設備在運行，可以說是全世界應用燃料電池最廣泛的國家之一。根據日本應用分布式能源的實際情況來看，主要構成部分為城市燃料電池、儲熱水箱。在系統運行過程中，燃料電池主要應用于發電，系統中的水箱主要應用于回收余熱。市場中主要流行東芝、松下等品牌系統。

3.2 分布式發電的應用

根據城市燃氣的應用情況來看，其最主要的功能便是發電。而燃料電池技術的應用，能夠有效提高發電效率，并且沒有污染物的排放，此外該技術還具備安靜等優點。當前分布式發電在我國仍舊還未廣泛應用，停留在了商業應用的初期，但是在全世界范圍內，韓國、美國、日本等對于燃料電池發電站的應用較為廣泛。當氫能和燃料電池技術結合城市燃氣應用于分布式發電時，可以有效解決當前城市燃氣站的問題，有效解決了燃氣站的電源問題。除此之外，在我國其他行業，例如電信運營商也開始利用燃料電池電源，將傳統燃油內燃機逐漸代替，由此可見，氫能和燃料電池技術結合城市燃氣在分布式發電系統中的應用大有前途。

3.3 氫能和可再生能源耦合應用

相較于傳統儲能方式而言，氫能能量的密度較高，因此能源儲備量也在不斷增大，進而通過應用氫能和可再生能源耦合，使得城市實現可再生電力供應，使得城市電力系統安全、穩定、可控的運行。目前在我國各類型城市發展過程中，會涉及到大量的燃氣直通用戶管網，因此城市建設過程中可以充分利用這些設施，實現電力制氫，隨后再將氫能摻入到天然氣管道當中，最終實現天然氣與可再生能源耦合。

3.4 交通應用

車用燃料電池一般都具有環保性好、啟動快、效率高的特點，根據目前我國新能源汽車的發展情況來看，燃料電池是取代汽車內燃機最好的方案，是本世紀能源動力汽車的最佳選擇。但是在此過程中要注意的是，燃料電動汽車的發展離不開氫站基礎設施的建設。燃料電池汽車一般情況下分為乘用車與客車，目前在我國燃料乘用車已經在我國實現了商業化的應用。加氫站的建設也為燃料電池汽車的發展提供了保障，我國加氫站的建設較為滯后，各地區在建設過程中可以充分結合一些利用率不高的LNG站進行改造，促使城市燃氣功能實現多樣性。

結語：綜上所述，結合當前我國城市建設情況來看，氫能和燃料電池技術結合城市燃氣的應用，能夠有效改善城市環境，減少污染物的排放，提高能源利用率，促使城市實現可持續發展。根據具體應用情況來看，在城市交通領域、建筑供能領域、分布式發電領域都有所涉及。在此過程中要注意的是，各地區在發展氫能和燃料電池技術結合城市燃氣的應用時，還需要大力建設氫能源的基礎設施，例如加氫站等，只有這樣才能確保該清潔能源有效應用，為城市長久健康的發展提供保障。