国内质子交换膜燃料电池热电联供系统的发展.pdf

58上海电气技术2023,16(2)国内质子交换膜燃料电池热电联供系统的发展吴文清上海电气集团股份有限公司中央研究院摘要：质子交换膜燃料电池具有启动时间短、运行温度低、效率高、噪声小、零排放、能量密度大等优点，已成为燃料电池商业化运用的首选。从典型项目、国家和地方政策两方面论述了国内质子交换膜燃料电池热电联供系统的发展现状，并分析了发展趋势。关键词：质子交换膜燃料电池；热电联供；发展中图分类号：TM911.4文献标志码：AAbstract:Proton exchange membrane fuel cell has the advantages of short start-up time,lowoperating temperature,high efficiency,low noise,zero emission,and high energy density,making itthe first choice for commercial use of fuel cell.The current development status of domestic protonexchange membrane fuel cell combined heat and power system was discussed from two aspects such astypical projects,national and local policies,and the development trend was analyzed.Keywords:PEMFC;CHP;Development完上海2200070文章编号：16 7 4-540 X(2023)02-058-04将供电、供热、供水一体化的多联供能源系统，旨在1研究背景打破单一供能方式，提高能源综合利用率。与集中氢能产业快速发展是我国实现碳达峰、碳中和式能源系统相比较，热电联供系统接近用户负荷，不目标的重要举措。能源结构转型的实施对于提升地需要建设电网进行远距离高压或超高压能源输送，区能源清洁供给、提高居民生活品质具有重要意义。具有独特的优势。燃料电池在用氢发电过程中，其发电效率为30%质子交换膜燃料电池热电联供系统工作原理如50%，其余氢能则以热能形式产生。质子交换膜燃图1所示，主要组成包括氢气供应系统、空气供应系料电池电堆在工作过程中，质子交换膜由于产生电统、热管理系统、电堆系统、热回收系统、电气系统。化学反应热，温度最高，并向两侧阴极、阳极极板传氢气供应系统主要是为电堆提供稳定压力与流量的递热量。为了降低质子交换膜燃料电池运行过程中氢气源，同时将部分氢气循环以提高氢气利用率以的热量损失，需要配上热电联供，将这一部分的热量及减少氮气、水累积。空气供应系统主要是为电堆收集起来，并充分利用这部分热量，实现燃料电池的提供反应过程中必须的氧化剂，常见为空气，并满足热电联产，能源综合利用效率可达7 5%95%，能不同功率下的空气流量、压力、温度和湿度要求。热量利用率大大提升。质子交换膜燃料电池热电联供管理系统主要是为保障电堆内部良好的水平衡与热是在利用质子交换膜燃料电池发电技术的同时向用平衡。热回收系统将电堆产生的热量通过换热器与户供给电能和热能的生产方式。外部水进行换热再利用，既保证了电堆正常工作温度，又提高了系统的热利用效率，提高了系统整体效2质子交换膜燃料电池热电联供系统概况率。电堆系统是燃料电池的电化学反应场所，是通热电联供是建立在能量综合梯级利用基础上，过将氢、氧在催化剂的作用下将化学能转化为电能收稿时间：2 0 2 2-12作者简介：吴文清（1991一），男，本科，助理工程师，主要从事氢燃料电池发电系统设计工作2023,16(2)和热能的装置。电气系统将燃料电池工作中发出的直流电转换为应用端所需的交流电。直流-交流负荷辅助电池直流-直流氢气供应系统氢入燃料电池电堆氢出空出空入水入空气供应系统一氢气空气一热水一冷水电能图1质子交换膜燃料电池热电联供系统工作原理近年来，国内质子交换膜燃料电池系统单机功率突破2 0 0 kW，对于数百千瓦至兆瓦级的分布式热电联供系统，采用多套系统组合形成高功率的热电联供系统，在能量输出后端以合流方式实现，即各系统电能输出到直流母线，通过直流母线给负载供电，各系统热能通过各自换热器，在冷端合流输出到储热装置。3发展现状3.1国内典型项目现阶段质子交换膜燃料电池热电联供系统主要分为不大于10 kW的小型热电联供系统和大于10 kW的大型热电联供系统。我国质子交换膜燃料电池热电联供还处于研发示范的初期阶段，但有不少企业纷纷开启质子交换膜燃料电池热电联供的应用示范，先后落地了相应项目。近几年国内典型项目见表1。3.2国家和地方政策环境质子交换膜燃料电池热电联供系统具有能效高、环境友好等优势，加之成本低，以及技术不断突破，在多种领域具有广泛应用，各国政府出台了相关引导政策，市场需求与政策双驱动，质子交换膜燃料电池热电联供系统的发展将会更加完善。我国在2021一2 0 35年氢能产业发展中长期规划提出，因地制宜布局氢燃料电池分布式热电联供设施，推动在社区、园区、矿区、港口等区域内开展氢能源综合利用示范。科学技术部于2 0 2 1年9 月发布国家重点研发计划氢能技术重点专项2 0 2 1年度定向项目申上海电气技术表1国内质子交换膜燃料电池热电联供系统典型项目时间主要相关企业集成示范应用研究项目，燃南方电网、2022-09东方电气率10 0 kW，综合效率大于85%水出热管理系统59项目要点南方电网固态储供氢装置料电池热电联供系统额定功换热器国内首个源网荷储一体化三峡集团、2022-08东方电气国家电网、2022-01豫氢动力95%，系统交流并网峰值功率为150 kW贵州省首套10 0 kW质子交换膜燃料电池热电联产系上海舜华、2022-01贵州氢能效率率最高可达54%，热电联产总效率可达到98%以上国网安徽六安兆瓦级氢能综合利用示范站，国内首台国家电网、2021-12明天氢能系统清能股份、全球首个离网氢能建筑应同济大学、用展示馆，额定功率为52021-07上海国际汽车城2021-06高成绿能kW，综合效率可以高达90%以上东方锅炉德阳基地氢能源示范园区项目，系统功率为华电集团、100kW，系统发电效率大于2021-03东方电气52%，热电联供总效率超过90%，同时对外提供6 5热水综合应用项目，氢能的综合能源利用效率超过90%海岛氢能制取、储能及热电联供科技示范项目，系统发电效率超过51%，低热值热电联供综合效率超过统，发电功率为10 0 kW，效兆瓦及质子交换膜氢燃料电池发电系统及整站热电联供kW，热电联供整体效率可达80%90%嘉兴红船基地零碳智慧园区示范项目，发电功率为2 060报指南，拟在氢进万家综合示范技术方向启动一个定向项目，安排国拨经费1.5亿元，提出燃料电池热电联供入户企业办公区，覆盖建筑面积超过50 0 0m，燃料电池热电联供氢气使用量不低于10 0 0 0 t。根据“十四五”规划纲要和2 0 35远景目标纲要，“十四五”期间，我国将实施氢能产业孵化与加速计划，谋划布局一批氢能产业，全国已有不少省市发布相关专项政策积极推进热电联供研究及示范应用，明确热电联供发展目标。国内各地热电联供发展目标见表2。4发展趋势目前较为成熟的质子交换膜燃料电池热电联供系统如图2 所示。随着技术的不断发展，我国在清洁氢能和氢能源分布式发电方面有良好发展基础和发展前景，从目前发展情况来看，氢能源在热电联供系统中将逐步取代化石能源成为热电联供工程项目主要能源供给形式，未来的应用也将越来越广泛。考虑到真正意义上的碳减排，从实际应用角度来看，主要有两种应用途径。第一，工业副产氢。我国国内有众多化工园区，其耗电量大，工业商电价格较高，而工业园区通常有大量的副产氢资源，如氨合成尾气、氯碱工业。若将工业园区内的氢气资源用于质子交换膜燃料电池热电联供，产生的电力、热水再用于工业园区使用，将会大大提高园区经济性。第二，可再生能源制氢。近年来，综合能源系统快速发展，为解决弃风弃光问题、提高新能源消纳能力提供了新思路，一些学者提出以多能互补的方式来促进分布式新能源消纳。我国沿海和西北地区有着丰富的风、光可再生能源，发展质子交换膜燃料电池热电联供系统是当前促进可再生能源消纳的主要形式之一，从而实现我国可再生能源电氢热联产技术，有效克服传统输配电系统对分布式光伏、风电消纳能力不足、效率低等问题。5结束语尽管质子交换膜燃料电池在热电联供技术中具有很大优势，但是由于发电综合过程效率低、使用成本高等缺点，在热电联供技术中表现得并不突出，质子交换膜燃料电池热电联供技术的研发目前仍处于起步阶段。研究人员可以围绕提高热电联供综合过程效率、降低成本等影响因素进行研究，充分挖掘质上海电气技术表2国内各地热电联供系统发展目标地区发展目标到2 0 2 3年推广分布式热电联供系统装机规北京模累计达到2 MW，到2 0 2 5年推广分布式热电联供系统装机规模累计达到5MW到2 0 2 5年，实现热电联供系统示范项目，建四川设氢能分布式能源站和备用电源项目五座天津到2 0 2 2 年建成两个热电联供系统示范项目到2 0 2 5年分布式发电、备用电源、热电联供辽宁系统装机容量达到10 0 MW到2 0 2 5年打造三至五个具备特色的氢能示南通范应用特色场景，推动氢能在热电联供、备用电源、分布式发电等领域形成大规模示范到2 0 2 5年分布式能源、热电联供及备用电源中山应用不少于10 0 套到2 0 2 5年推广燃料电池分布式发电、热电联珠海供及备用电源等不少于50 套到2 0 2 5年分布式能源、热电联供及备用电源深圳应用不少于10 0 套，按照项目实际投资额的30%给予扶持，最高不超过10 0 0 万元到2 0 2 5年燃料电池固定发电系统在储能、备六安用电源和冷热电联供等领域的累计装机达到100套左右到2 0 2 5年，在住宅、大型商超和园区等区域形阜阳成一至三处氢燃料电池热电联供系统应用项目加大在应急保供、热电联供应用力度，建设10张家港个示范工程项目，推动华昌化工厂区50 0 MW热电联供装置建设，2 0 2 2 年运营到2 0 35年分布式发电系统、备用电源、热电大连联供系统装机容量达到2 0 0 MW保定到2 0 2 5年热电联供累积规模达到35MW到2 0 2 3年争取在住宅、大型商超和园区等区域定州形成三至五处氢燃料电池热电联供系统应用项目到2 0 2 5年、2 0 30 年、2 0 35年，分布式发电系佛山统、备用电源、热电联供系统装机容量依次达到2MW、10 M W.30 M W到2 0 2 3年、2 0 2 5年，燃料电池热电联供系统青岛装机容量分别达到50 0 kW、1M W2023,16(2)2023,16(2)光伏风电工业副产氢氢气一热水电能图2 成熟质子交换膜燃料电池热电联供系统子交换膜燃料电池热电联供的价值，提高经济性，在我国快速推动这种应用模式商业化。同时，我国有大量园区工业副产氢和可再生能源发电资源，因此，推进园区内分布式质子交换膜燃料电池热电联供及燃料电池联合风光制氢、发电应是我国的重点研究发展方向。参考文献1张继红，阙圣钧钩，化玉伟，等.基于氢气储能的热电联供上海电气技术微电网容量优化配置J.太阳能学报，2 0 2 2，43（6)：42 8-434.2 裴煜，宋天昊，袁铁江，等.计及燃料电池热电联供的区域综合能源系统经济运行J.电力系统及其自动化学报,2 0 2 1,33(2)：142-150.电解水储氢制氢模块燃料电池热电联代模块613杜跃斐，姜慧羚.质子交换膜燃料电池流动传热特性研究J.上海电气技术，2 0 2 0，13（4)：48-51,6 6.4张东，张瑞，张彬，等.基于质子交换膜燃料电池的冷热电联产系统研究进展J.化工进展，2 0 2 2，41（3）：16 0 8-1621.负荷【5于蓬，薛彬，魏添，等.热电联供用纯氢燃料电池系统主机架模态分析.齐鲁工业大学学报，2 0 2 0，34（1）：19-2 4.6 古云.典型冷热电三联供系统的规划设计J.上海电气技术,2 0 2 0,13(1)：2 2-2 6.7 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