《新能源发电与控制技术 第4版》 课件 第5章 氢能及燃料电池发电与控制技术

第5章氢能及燃料电池发电与控制技术机械工业出版社第5章氢能及燃料电池发电与控制技术5.1氢能5.2氢燃料电池5.3氢燃料电池发电系统5.4氢能发电控制技术主要内容机械工业出版社2第5章氢能及燃料电池发电与控制技术机械工业出版社3第5章氢能及燃料电池发电与控制技术氢能作为一种高效、清洁、可再生的能源，以其绿色无污染、原料丰富、利用方式多样的优势赢得了人们的青睐。本章介绍氢能及燃料电池发电与控制技术，围绕氢能和燃料电池的角色、原理及应用进行阐述，主要内容有氢能的生产、转化、存储以及运输，氢燃料电池的原理及主要形式，氢燃料电池发电系统构成及典型应用，电源变换及控制技术。5.1氢能和燃料电池的角色作为二次能源的电能，可从各种一次能源中生产出来，例如煤炭、石油、天然气、太阳能、风能、水力、潮汐能、地热能、核燃料等均可直接生产电能。而作为二次能源的汽油和柴油等则不然，生产它们几乎完全依靠化石燃料。随着化石燃料耗量的日益增加，其储量日益减少，终有一天这些资源将要枯竭，这就迫切需要寻找一种不依赖化石燃料的、储量丰富的新的含能体能源。氢能正是一种在常规能源危机的出现、在开发新的二次能源的同时人们期待的新的二次能源。目前液氢已广泛用作航天动力的燃料，但氢能大规模的商业应用还有待解决以下关键问题：1）廉价的制氢技术

因为氢是一种二次能源，它的制取不但需要消耗大量的能量，而且目前制氢效率很低，因此寻求大规模的廉价的制氢技术是各国科学家共同关心的问题；2）安全可靠的储氢和输氢方法

由于氢易汽化、着火、爆炸，因此如何妥善解决氢能的储存和运输问题也就成为开发氢能的关键。机械工业出版社4第5章氢能及燃料电池发电与控制技术5.2氢能5.2.1氢气的生产

机械工业出版社5第5章氢能及燃料电池发电与控制技术

机械工业出版社6第5章氢能及燃料电池发电与控制技术

机械工业出版社7第5章氢能及燃料电池发电与控制技术

机械工业出版社8第5章氢能及燃料电池发电与控制技术

机械工业出版社9第5章氢能及燃料电池发电与控制技术5.2.2氢气的转化氢气作为一种能源载体的同时也是一种能源。当能源难以运输或需要进行存储以备不时之需时，可以转化为氢以供容器存储或管道运输，可能在商店出售，以及转换为另一种能量形式供最终的使用。氢气作为间断性能源如太阳能和风能的中间能源载体是可取的，还有与不易存储电力有关的其他能源，例如核能。如果扩展到使用化石能源，为避免二氧化碳排放，可以在初期把煤转换成氢气以控制温室气体排放。氢作为能源载体的优势包括环境通用性和使用广泛，其缺点是需要容器和管道的高密封性以避免泄露。氢气同样可作为存储介质，气态氢方便在含水层或盐丘地下存储，与天然气存储的地质构造相同，只需要一个更好的衬里。氢气的低体积密度的特点使得储氢容器制造有点昂贵，但对于工业上的许多应用并至少在第一代氢燃料电池汽车和家庭规模的发电机方面，压缩储氢仍然被认为是一个方便的解决方案。机械工业出版社10第5章氢能及燃料电池发电与控制技术氢作为燃料可以应用到传统的火花点燃式发动机和柴油发动机中，发动机的效率与采用汽油或柴油作为燃料时是一样高的。然而，由于氢气较低的能量密度，在满足压力范围限制的条件下，用氢气作为燃料的活塞缸中，其冲程对应的体积是汽油发动机的2~3倍，这会导致乘用车的发动机仓内空间紧张。针对氢气的燃烧特点，若氢气在空气中燃烧，当温度达到1700K以上时，氮氧化物会急剧增加，在这种情况下，氢气的燃烧不再是一个无污染的过程。围绕氢气较大的可燃范围和易燃两个特点来看，氢气在热力学发动机中根据负荷状况分别需要注意：低负荷时需要保证发动机的平稳运行；在高负荷时，会存在需要处理的问题例如预燃、回火或爆燃。由于氢宽广的燃烧范围，则存在着显著的安全问题。机械工业出版社11第5章氢能及燃料电池发电与控制技术另外，氢能和燃料电池可以在交通部门发挥巨大作用，因为在该行业引进替代能源（如可再生能源）是非常困难的。燃料电池是氢气和氧气发生自发燃烧反应的电化学设备，其中氢气作为燃料，氧气作为氧化剂，在进入电池时为气相，反应的产物有水、电子和热量，整个反应过程不产生污染物，并且大部分燃料电池不产生温室气体，因此，燃料电池是一个有效的热电联产系统，能够产生电能和热能。机械工业出版社12第5章氢能及燃料电池发电与控制技术燃料电池除了拥有很高的实用性和适应性，还具备以下优点：1）

高转换率；2）

热电联产系统的有效利用；3）

有效降低了反应压力，同时工作温度范围为80~1000℃，远低于内燃机的2300℃；4）

高度的系统扩展性，整合电池组的性能与电池组的规模无关；5）

可以与其他能源协同使用，降低当今的能源环境冲突；6）

电池的性能与负载的变化无关；7）

电池能够迅速地对负载的变化做出响应；8）

容易组装，没有活动的组件。除了以上优点之外，燃料电池也具有一些缺点，比如使用铂之类的价格高昂的催化剂，另外，燃料电池的寿命相对较短。机械工业出版社13第5章氢能及燃料电池发电与控制技术5.2.3氢气的储存储氢方式可以大致分类为物理存储、物理化学存储和化学存储。1）物理储存；2）物理化学储存；3）化学储存。机械工业出版社14第5章氢能及燃料电池发电与控制技术5.2.4氢气的运输氢气常以气态或液态的方式传输。传输和储存是相关紧密联系的两大问题，它们都与气体的最终使用、气体质量和传输距离有关。储存压缩氢气的气体储存罐，传输距离通常很短，可以用卡车、列车或短管道来运送。如果传输距离短且质量要求低，在筒状缸中运送压缩氢气是技术上和经济上最可行的方法。如果距离增加，应用海运液态氢替换运送压缩氢气。反之亦然，如果距离不变而质量要求增加，使用气管运送氢气或液氢则是最佳选择。如果质量要求高而且传输距离远，管道将是最方便的方法。机械工业出版社15第5章氢能及燃料电池发电与控制技术5.3氢燃料电池5.3.1基本原理燃料电池把能源中燃料燃烧反应的化学能直接转化为电能的“能量转换器”。氢氧燃料电池的能量转化率很高，可达70％以上。此外，于其氢氧燃料电池发电产物为水，因此不污染环境。燃料电池工作原理

机械工业出版社16第5章氢能及燃料电池发电与控制技术5.3.2熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)在高温下，燃料电池利用碳酸根离子来穿透固体基质电解质的过程如图所示。这种电池是为了用于固定式的应用以及更高的燃料利用效率。MCFC工作原理MCFC的优点在于：可用的燃料广泛；总的热效率高，可达80%；污染物排放指标低；可用非贵金属催化剂；用水冷却，降低成本；缺点：电解液有着高度腐蚀性；电池的密封技术难；二氧化碳的循环增加了系统的复杂性。机械工业出版社17第5章氢能及燃料电池发电与控制技术5.3.3固体氧化物燃料电池(SOFC)具有较高离子电导率的电解质是SOFC的基础，根据不同的导电离子，SOFC根据导电离子的不同可分为两类：氧离子导电电解质燃料电池和质子导电电解质燃料电池。氧浓差SOFC工作原理SOFC的优点在于：燃料选择范围广，不必使用贵金属作为催化剂；使用全固态组件，不存在对漏液、腐蚀的管理问题；较高的电流密度和功率密度；能源利用率高达80%；缺点：工作温度高，影响电池使用寿命；电池、电池堆和系统的输出功率低。机械工业出版社18第5章氢能及燃料电池发电与控制技术5.3.4酸性和碱性燃料电池磷酸燃料电池(PFAC)已经被开发用于固定电源。它采用多孔碳负载铂的催化剂作电极，磷酸作为电解质，氢气进料至负极，氧气（或空气）到正电极。PFAC工作原理PFAC的优点在于：对燃料及空气中的CO2耐受性强，无需预处理；系统简单，成本低；工作温度温和，对材料要求不高；热电联产，稳定性好；缺点：发电效率低；催化剂较昂贵；磷酸具有强腐蚀性，电池寿命较短；需对燃料气进行净化。机械工业出版社19第5章氢能及燃料电池发电与控制技术碱性燃料电池(AFC)以强碱为电解质，燃料是氢气，氧化剂是纯氧或除去二氧化碳的空气，氧电极为Pt/C、Ag等，氢电极为Pt-Pd/C、Ni等，隔膜为饱浸碱液的多孔石棉，双极板为无孔碳板、镍板等。AFC工作原理AFC的优点在于：能量转化效率高；成本低；启动容易，低温工作性能好，易于热管理；缺点：CO2毒化，削弱电池性能，影响输出功率；电解液循环利用，增加泄露风险；电池冷却装置需要的空间受限，废热利用效率低。机械工业出版社20第5章氢能及燃料电池发电与控制技术5.3.5质子交换膜燃料电池(PEMFC)PEMFC由MEA和带气体流动通道等双极板组成，其核心部件膜电极是采用一片聚合物电解质膜和位于其两侧的两片电极热压而成，中间的固体电解质膜起到了离子传递以及分隔燃料和氧化剂的双重作用，而两侧的电极是燃料和氧化剂进行电化学反应的场所。PEMFC工作原理PEMFC的优点在于：燃料来源广，适应性高；低工作温度；该能量转化率；噪声低，绿色环保；维修简单；缺点：对温度要求较高；质子交换膜制作流程复杂，工艺繁琐，成本较高。机械工业出版社21第5章氢能及燃料电池发电与控制技术5.4氢燃料电池发电系统氢燃料电池发电系统除了氢燃料电池本体外，还要和外围装置共同组成发电系统。燃料电池发电系统构成框图燃料电池发电系统构成如图所示，其中包含以下部分：1）燃料重整系统将得到的燃料转化为燃料电池能使用的以氢为主成分的一个转换系统。2）空气供应系统可以使用马达驱动的送风机或空气压缩机。3）DC—AC变换系统直流到交流的逆变装置。4）排热回收系统用于回收燃料电池发电时产生的热能。5）控制系统燃料电池发电是的起动、停止、运行、外接负载等的控制装置。6）剩余气体循环系统在高温燃料电池发电装置中，由于燃料电池排热温度高，因此安装可以使用蒸汽轮机与燃气轮机剩余气体的循环系统。机械工业出版社22第5章氢能及燃料电池发电与控制技术氢燃料电池输出的是直流低电压，而且有内阻，在不同电流负载下输出电压变化比较大；此外，我国家用电器绝大多数是220V/50Hz的正弦交流电，所以通常需要把氢燃料电池的输出进行升压以及逆变后才可供用户使用，氢燃料电池发电系统如图所示。氢燃料电池发电系统构成框图机械工业出版社23第5章氢能及燃料电池发电与控制技术5.4.1交通工具混合动力汽车概念车辆内质子交换膜燃料电池动力系统布局图机械工业出版社24第5章氢能及燃料电池发电与控制技术燃料电池混合动力公交车的平均能量流机械工业出版社25第5章氢能及燃料电池发电与控制技术可逆燃料电池附加太阳能电池系统的动力模式和时间分配燃料电池驱动的轻型无人驾驶飞船的动力分配机械工业出版社26第5章氢能及燃料电池发电与控制技术5.4.2发电厂和独立系统挪威北海的于特西拉岛上的发电系统更大规模的固定发电系统既可以使用低温又可以使用高温燃料电池系统，已经运营的很多系统其额定功率为几百千瓦，这些系统包含结合了必需的燃料制备和排放废气的处理设备的PEMFC、MCFC或SOFC的基本单元。在于特西拉的北太平洋岛进行了一项研究，这个岛上有几户居民，基于风能发电，直接使用电或是通过碱性电解器制氢，氢气用于PEM燃料电池或发动机，发电系统如图所示。机械工业出版社27第5章氢能及燃料电池发电与控制技术5.4.3建筑集成系统与建筑集成的燃料电池系统，尤其是PEMC类型，这与分散式能量系统的应用密切相关。该系统中，传统的能量供应区分热能和电能，热能通常是分散式的，电能集中供应。燃料电池可服务于独立建筑，其业主为自己供电，也有可能给停在大楼车库的汽车提供独立充电服务。同时，来自发电现场和制氢的废热可满足或辅助大楼供热（热电结合，即CPH）。燃料电池技术在便携式应用方面也可能代替小型蓄电池，允许人们分散式地控制他们所有的能量供应，包括热能、汽车燃料和固定的或便携式用电。首先使用氢气的建筑集成方案可能是取代天然气锅炉机组；在许多国家，重整PEM燃料电池组用锅炉给家庭取暖和供给热水，这样就能使用现有的天然气网。在未来的一二十年这种配置重整单元的燃料电池在成本上也许会有竞争力。机械工业出版社28第5章氢能及燃料电池发电与控制技术与建筑集成的燃料电池的重要问题是服务于建筑的基础设施。它由电网和氢气管道网络的附件组成。如果建筑内使用氢气，就能用氢发电和伴随的热量；如果发电量大于建筑的用电量，就能向电网输电。通过这种方式，把燃料电池用到满负荷，对额外电站的需求变得更小了，电站不是建筑系统的一部分。另一种运行方式是从电网接收电，然后用电制氢，再把氢气分配给停在建筑中的汽车或是存储起来，用于以后再发电和伴热。这个选项对于主要的可再生能源间歇性供电系统是非常必要的，因为当没有基本产品的时候氢气能被用来发电和制热。机械工业出版社29第5章氢能及燃料电池发电与控制技术5.4.4便携式和其他小规模系统在过去的几十年，便携式设备的消费模式经历了快速增长。这增加了对蓄电池的需求，但同时不可避免地暴露了蓄电池技术的局限性，尽管在转换效率方面有稳定的增长，带有小规模存储罐的燃料电池可以很好的解决这些问题，燃料电池可以自主供电几天而不是几小时。和其他技术的不同在于，燃料电池需要外部化学品存储罐，而蓄电池是内部存储罐。对体积大小的考虑是与便携性相关的，但更应考虑基于质量的能量密度，因为人们要随身携带那些设备出门。图为UltraCell设计的有氢气燃料电池供电的笔记本上计算机，燃料电池可为计算机提供数小时到一个月的自主运行。UltraCellXX25氢气燃料电池供电的笔记本式计算机机械工业出版社30第5章氢能及燃料电池发电与控制技术5.5电源变换及控制技术燃料电池并网发电系统的作用是将燃料电池产生的直流电压通过变换调整得到和电网电压频率相同的交流电‚在为本地负载提供交流电能的同时将电能送入电网。按照功率变换级数将燃料电池并网发电系统分为两大类：一是单级系统，通过一级功率变换并网发电，一个是多级发电系统通过两级或多级功率变换并网发电。现在应用比较广泛的不隔离逆变器大多为电压型逆变器，有降压的特性，所以在燃料电池输出和到电网之间必须有一级是具有升压功能的变换装置，如图1所示。此外，由于氢燃料电池是一个电化学反应过程，提供的电能具有不稳定性，而且电网负载也会有波动，为了适应这样的波动，通常加入电能缓冲装置----蓄电池，这种氢燃料电池发电系统如图2所示。图1具有DC--DC变换器的氢燃料电池发电系统图2具有能量缓冲的氢燃料电池发电系统机械工业出版社31第5章氢能及燃料电池发电与控制技术根据燃料电池的工作特性，并网发电系统中DC/DC变换器需要具有以下几个功能：1）提升电压功能。一般而言，在功率<l00kVA，不采用工频变压器的燃料电池发电系统中，逆变器要求的直流电压通常要都比一般燃料电池的输出电压高‚因而需要依靠DC/DC变换器实现升压。2）在较宽的输入电压范围内都有稳定的输出电压功能。因为燃料电池本身输出电压随负载变化将会在一个较宽的范围内变化。3）抑制输入电流纹波。输入电流纹波不仅会对燃料电池的工作带来损害，而且将降低燃料的利用率；同时，因为输入电流纹波还会增加燃料电池的最大输出电流要求，增加系统对于燃料电池容量的要求，增加电池部分的投资。燃料电池发电系统前端DC/DC变换器的输入侧直接接到燃料电池的输出侧，因而可以通过限制DC/DC变换器的输入电流纹波来达到保护燃料电池的目的。机械工业出版社32第5章氢能及燃料电池发电与控制技术4）通过DC/DC变换器实现燃料电池和电网之间的隔离，提高安全性。适用于燃料电池分布式并网发电系统的DC/DC变换器总体上分为四类：非隔离DC/DC变换器，以Boost电路族为代表；隔离电压型DC/DC变换器；隔离电流注入型DC/DC变换器；组合式DC/DC变换器，将前面几种结构组合起来的一类DC/DC变换器。机械工业出版社33第5章氢能及燃料电池发电与控制技术5.5电源变换及控制技术1.隔离电压型DC/DC变换器电压型半桥电路结构如图1所示。半桥变换器具有电路简单，而且与推挽和全桥相比，可利用输入电容的充放电特性自动调整两个输入电容上的电压，使变压器在工作周期的正负半周伏-秒平衡，因此在中大功率范围内收到青睐。电压型全桥电路结构如图2所示。它具有开关管器件电压应力、电流应力较小，高频功率变压器的利用率高等优点。而且全桥变换器适合做软开关管控制，减小变换器中的开关管损耗提高转化效率。图1电压型半桥DC/DC变换器图2电压型全桥DC/DC变换器机械工业出版社34第5章氢能及燃料电池发电与控制技术2.隔离电流型DC/DC变换器电流型半桥变换器如图1图所示。因为在任何时刻，两个开关管必须保证有一个开关管是导通的，即开关管的导通占空比不能小于0.5，导致两个输入电感总是有一个处于充电状态，输入电流总是大于零，这意味着系统有一个最低输出功率的限制。右图所示电路结构是左图所示电路结构的一个改进，通过将两个电感祸合可以消除原来结构中的最小输出功率限制。图1电压型半桥DC/DC变换