“氫”風(fēng)憑借力，助力碳中和

馬菡

北京航天動力研究所

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北京熱物理與能源工程學(xué)會

有一種新的能源來源廣泛，幾乎可以取代我們現(xiàn)有的能源利用方式。它能驅(qū)動各種發(fā)動機，能以不同規(guī)模發(fā)電，還能進行能量存儲，同時還可以廣泛應(yīng)用于運輸、工業(yè)、家庭等各個領(lǐng)域，且過程中不會產(chǎn)生任何有害排放。

它就是作為元素周期表的老大、宇宙中含量最多的物質(zhì)——氫，它小小的身軀卻蘊含著巨大的能量。

它不僅是托舉神舟飛天、嫦娥攬月長征五號運載火箭的動力來源，還可以直接在燃料電池中通過電化學(xué)反應(yīng)的方式將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變成電能，只產(chǎn)生熱量和水，若將此熱量進行合理利用，熱電聯(lián)供系統(tǒng)的效率可達90%以上，是能量效率最高的利用方式。

但是由于自然界中游離態(tài)的氫幾乎不存在，需要進行二次制取。雖然目前工業(yè)制氫技術(shù)已經(jīng)成熟，只是如何采用最低的成本和最清潔的方式來制備、使用氫還需要進一步的科技攻 關(guān)。

憑借幾十年來在氫氧火箭發(fā)動機領(lǐng)域的技術(shù)積累，北京航天動力研究所從應(yīng)用端出發(fā)，組建了燃料電池和氫能研究的國家隊，研發(fā)技術(shù)領(lǐng)域覆蓋了燃料電池電堆和系統(tǒng)、關(guān)鍵部件和測控系統(tǒng)，取得幾十余項發(fā)明專利，多項關(guān)鍵技術(shù)均處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。

團隊設(shè)計了“可再生能源制氫儲能+燃料電池發(fā)電的零碳氫能綜合利用”系統(tǒng)方案，以氫為媒介實現(xiàn)儲能，為解決可再生能源大規(guī)模消納問題及助推綠色氫能產(chǎn)業(yè)鏈形成和發(fā)展提供技術(shù)途徑。

將風(fēng)能、水能、太陽能中波動性較高的難以直接利用的電力整合到電解制氫子系統(tǒng)中，得到氫并存儲起來。燃料電池子系統(tǒng)利用氫發(fā)電，電能可并網(wǎng)使用也可離網(wǎng)實現(xiàn)能源自持，氫還通過管道運輸?shù)确绞?，送至加氫站，為燃料電池汽車、船舶等提供動力來源?/p>

基于上述設(shè)計方案，中國航天科技集團北京航天動力研究所團隊建設(shè)了以燃料電池為核心的可再生能源微網(wǎng)系統(tǒng)示范工程。在有光照條件下，光伏發(fā)電經(jīng) MPPT 和電力變換器，供應(yīng)用電設(shè)備，多余電能給蓄電池充電和電解水制氫。當光照不足時，燃料電池將氫能轉(zhuǎn)化為電能，供應(yīng)負載用電需求。經(jīng)驗證，系統(tǒng)的能量效率可達45%以上，按照每天8小時的工作時間，制氫量每天可達2.25千克。為可再生能源制氫儲能規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

燃料電池系統(tǒng)作為氫能利用的核心組成部分，一直是團隊研發(fā)工作的重點，主要由燃料電池電堆、空氣系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)、電子測控系統(tǒng)等部分組 成。

憑借航天人一直以來對技術(shù)的執(zhí)著追求，經(jīng)過20多年的不斷耕耘，已研發(fā)出2?100千瓦燃料電池系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于陸、海、空、天各個領(lǐng)域。

氫利用率、系統(tǒng)控制策略、系統(tǒng)適用性等是評價燃料電池系統(tǒng)水平的關(guān)鍵因素。團隊通過優(yōu)化氫氣循環(huán)泵設(shè)計，實現(xiàn)氫氣利用率高于98%;解決了氫空壓差跟隨控制技術(shù)的難題，實現(xiàn)全工況氫空壓差小于20千帕，這兩項技術(shù)性能指標達到國際先進水平。由于燃料電池工作時產(chǎn)生的水會在低溫環(huán)境中結(jié)冰，破壞催化劑層，引起性能的衰減。因此目前低溫啟動是燃料電池亟待解決的關(guān)鍵問題之一。

針對這一難題，團隊制定了三步走戰(zhàn)略。第一步“吹”，停機后通過檢測交流阻抗等參數(shù)，制定合理的吹掃策略，排出電堆及管路內(nèi)殘余水分;第二步“加”，通過電加熱器加熱小循環(huán)內(nèi)冷卻液，電堆達到一定溫度后可以直接啟動。第三步“餓”，根據(jù)燃料電池的工作特性曲線，通過對空氣計量比進行控制，使陰極反應(yīng)物產(chǎn)生饑餓，通過犧牲發(fā)電效率來換取發(fā)熱效率的增加，使電池快速升溫。

除了這三重保障，團隊還增加了一個利器，選取了帶有加熱破冰功能的排氫排液閥、泵頭等部組件，保證管路和組件內(nèi)部不發(fā)生結(jié)冰堵塞。有了這重重保障，燃料電池系統(tǒng)就可以無懼嚴寒，實現(xiàn)零下30攝氏度低溫環(huán)境下的無損啟動。作為車用燃料電池系統(tǒng)，該項指標達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

以100千瓦燃料電池系統(tǒng)為例，它可替代排量6.0的25座燃油大巴車的發(fā)動機，經(jīng)測算每輛車百千米能減少約70千克的二氧化碳排放。應(yīng)用氫燃料電池替代燃油動力，將助力交通運輸領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模深度脫碳。

據(jù)中國氫能聯(lián)盟發(fā)布的白皮書預(yù)測，在2060年碳中和背景下，我國氫氣的年需求量將增至1.3億噸，可再生能源制氫規(guī)模有望達到1億噸，氫能在中國終端能源體系占比將達到20%，屆時，每年可減少15億噸的碳排放，拉動超過33萬億元的經(jīng)濟產(chǎn)值。