氢能技术在储能发电领域的应用

氢能技术在储能发电领域的应用

薛彦光

大唐林州热电有限责任公司 河南省林州市 456561

摘要：氢能技术以氢气为核心，通过对氢、储氢和氢发电技术的控制，有效地实现了氢能量转换和循环利用，对于现代发电产业的发展具有深刻影响。本文在阐述氢能技术系统组成的基础上，就储能发电领域氢能技术的应用要点展开分析，并指出氢能技术应用问题和发展方向，期望能实现氢能技术与储能发电的有效结合，促进蓄能发电产业的清洁化、可持续化发展。

关键词：氢能技术；蓄能发电；研究

1、氢能技术系统组成

基于氢能技术工况应用实际可知，制氢系统、储氢系统、氢发电系统是氢能技术系统的三个基本组成单元。就制氢系统而言，其将富余的可再生能源电力作为基础材料，通过电解水生成氢；随后在高效储氢系统的作用下，将所制氢气封存起来。当可再生能源发电处于低谷时，系统发挥燃料电池的作用，即可再次产生电力病并回馈电网。现阶段，氢能技术系统在整个氢产业链中得到了广泛应用，除化工生产、燃气外，燃料电池汽车、储能发电领域也有氢能技术的使用。在储能发电领域中，通过电能链和氢产业链的结合，有效地实现了能量的流转，这不仅提升了氢气的附加价值，而且有效地提升了电网电能的整体质量。

2、储能发电领域氢能技术的应用要点

2.1制氢技术要点

储能发电过程主要采用电解水制氢技术，该技术不仅具有工艺原理简单、操作方便的特点，而且所制氢气具有较高的纯度，环境效益较为突出。从电解水制氢过程来看，其不仅包含碱性电解法、固体高分子电解质电解，而且涉及高温固体氧化物电解方式的应用。就碱性电解法而言，其是经济效益较为突出的一种制氢技术，在工业领域具有较高的适用性。该工艺下，选择氢氧化钾水溶液，并将其作为电解质，该电解质的浓度多保持在25%~30%。电极多选择碱性金属材料，如铁、镍或者镍合金等。最后控制工作温度为70~80℃，可完成碱性电解，并产生一定的氢能。研究显示，碱性电解法的制氢效率维持在50%~60%，总效率低于30%，要注意的是，该工法下运行成本消耗的80%为电能消耗。固体高分子电解质电解（SPE）本质上是一种纯水电解氢工艺，该工艺的电解质为离子聚合物膜，在该电解质下，阳离子可得到有效传输，且电极被系统隔离。实际作业中，控制电解温度保持在80℃，这样可将电解的效率保持在75%。值得注意的是，该工法的应用成本较高，限制了其在工业中的应用，新时期，应注重该工法生产成本的进一步控制。高温固体氧化物电解法（SOEC）模式下，电解质多选择氧化锆陶瓷，这种氧化锆陶瓷极为特殊，其本身添加有一定的稀土金属氧化物。随后在800~950℃的高温状态下，水会被进一步分解为氧气和氢气。SOEC技术的电解效率、总体效率分别超过了95%、50%；但要注意的是，该技术还存在两个方面的缺陷，一是材料损耗较大；二是电堆易衰减。新时期，要拓展SOEC技术应用范围，还应注重这两个问题的系统处理。

2.2储氢技术要点

氢能本身具有质量能量密度大、能量密度低的特点，这使得在氢储能系统建设中，还需进行储能技术的系统考虑。就储能技术本身而言，不仅需要考虑技术容量、成本因素，而且要实现氢能取用、安全性的有效分析。就目前而言，除高压气态、低温液化储氢技术外，金属固体技术也得到了广泛应用。高压气态储氢技术下，氢气仍处于气体状态，这使得其储存量与压力控制效果就有较大关联性。作为最普通和最直接的储氢方式，高压气态储氢技术对于储氢容器的选择和应用提出了较高要求。就目前而言，碳纤维复合钢瓶的应用较多，此类钢瓶一般压力维持在25~35MPa，要注意的是该技术需要进行氢气压缩处理，这在一定程度上增加了储氢的成本。与气态氢相比，液态氢体积的体积较小，仅为气态氢的1/800，体积缩小使得单位体积能量密度大幅提高。在-253℃温度条件下，氢气可被系统转化为液态氢。在低温液化储氢过程中，温度的控制对于氢的保存效果具有深刻影响，但是当前环境下，由于低温液化储氢技术仍有缺陷，这使得氢发生汽化逃逸的问题较为突出，研究表明，每天因逃逸损失的氢约为氢总量的1%。基于此，在存储中，应注重大存储罐的使用，并规范化的使用隔热技术。金属固体储氢主要是将氢气用于金属或者合金，进而形成氢化合物，实现氢气的有效存储。譬如，当处于体温条件下时，氢气和钠、锂、镁、铝等金属均可发生反应，由此实现氢气的固体存储。到使用氢气阶段，通过升温降压控制，即可实现氢气的有效利用。要注意的是，金属固体储氢的陈本较高，且在储氢操作中容易出现金属中毒问题，故而需进行储氢技术的进一步深化研究。

2.3氢发电技术要点

作为氢能技术应用的关键环节，氢发电技术的控制尤为关键。在燃料电池作用下，可将化学能直接转化为电能，这样能有效地减少中间转化损失，提升发电的效率，整体实用性较为突出。基于工作温度的差异性，低温燃料电池、高温燃料电池是燃料电池应用的两种基本形态。现阶段，以纯氢作为燃料的固体高分子质子交换膜燃料电池（PEMFC）应用较多，此类电池不仅具有功率密度高的特点，而且启动温度较低，能量转换效率较为突出。在PEMFC应用中，除质子交换膜外，还应注重膜电极与电催化剂等要素的控制，全面提升PEMFC的整体运作效率。

3、氢能技术应用问题和发展方向

3.1氢能技术应用问题

氢能技术在促进储能发电产业可持续发展中发挥着重要作用，在发达国家，由于氢储能技术研究应用时间长等因素的影响，其早就制定了氢能发展战略，并按计划有序推进，已经取得了积极的成果。譬如，德国新型氢储能技术商业化应用、美国燃料电池系统性能优化等均显示出其在氢能技术应用中取得了显著成果。近年来，我国储能发电产业开始发展起来，且国家能源局早已下发文件，将氢能作为解决新能源消纳的新思路；但不可否认的是，我国在氢能技术应用、蓄能发电产业发展中仍存在较多问题。如蓄能发电产业缺乏战略规划，氢能技术应用效率低下、氢能技术安全问题突出等。新时期，要提升氢能技术的应用水平，促进储能发电产业的有序发展，还应注重这些问题的系统处理。

3.2储能发电领域氢能技术的应用及发展方向

可持续发展理念下，促进储能发电产业发展已经成为社会能源清洁化、可持续化利用的基本要求。而发展储能发电产业的关键在于提升氢能技术的应用水平。基于技术先进性、经济性、安全性和社会生态优越性考虑，在新时期的氢能技术发展中，应注重以下要点：一方面，在技术层面，应注重高压高效水电解制氢的深层次研究，同时要尽可能降低储氢成本，提升燃料电池发电效率。另一方面，在燃料电池发电应用中，还应注重分布式燃料电池发电并网技术的研究，实现储能发电与常规电网的有效衔接。此外，在氢能技术应用中，应注重其与电网的互联互通，不断提升储能发电的经济效益、质量效益和生态效益。
结语：氢能技术的应用、创新与发展对于储能发电产业发展具有深刻影响。新时期，人们只有充分认识到氢能技术系统结构组成，在深化制氢技术、储氢技术、氢发电技术应用的同时，结合储能发电领域需要，进行氢发电技术前面创新，这样才能提升氢能技术应用水平，促进储能发电产业的持续稳定发展。
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