尹绍峰
新向（广州）氢能科技有限公司
摘要：目前，我国的科技发展十分迅速，结合氢能和燃料电池技术，城市燃气将会更好地发挥其在当前城市能源体系中的作用，既能优化能源结构，提高能源利用效率，又能保障城市能源安全，实现能源耦合互联。本文将从建筑供能应用、分布式发电应用、可再生能源耦合应用、交通应用四个方面，全面地分析氢能和燃料电池技术结合城市燃气的应用。
关键词：氢能；燃料电池；城市燃气
引言
社会的发展，交通运输产业变革也更为深入，特别是汽车工业，基于人类出行的便利需要，每年汽车产量大幅增加，而后续也引发了能源和环境方面的思考担忧。新能源汽车的开发提上议程，开发无污染，低噪音，节能减排的新能源汽车成为汽车产业发展的主导方向。基于此，汽车氢燃料电池的研发也更为深入。氢燃料电池的开发与汽车产业应用研究也具有现实必要性。而氢燃料电池汽车的开发与推广需要做好关键技术的分析。
1氢能与燃料电池的战略意义
由于能源需求的日益增长，化石燃料的消耗与CO2排放总量快速上升，"清洁、低碳、安全、高效"的能源变革已是大势所趋。可再生能源（如太阳能、风能、水电等）作为替代能源大规模使用却受限于其固有的间歇性、波动性与随机性；而氢是一种洁净的二次能源载体，能方便地转换成电和热，转化效率较高，有多种来源途径。采用可再生能源实现大规模制氢，通过氢气的桥接作用，既可为燃料电池提供氢源，也可绿色转化为液体燃料，从而有可能实现由化石能源顺利过渡到可再生能源的可持续循环，催生可持续发展的氢能经济。氢能作为连接可再生能源与传统化石能源的桥梁，可以为实现"氢经济"与现在或"后化石能源时代"能源系统起到桥接作用。因此，氢能作为洁净能源利用是未来能源变革的重要组成部分。氢燃料电池具有燃料能量转化率高、噪音低以及零排放等优点，可广泛应用于汽车、飞机、列车等交通工具以及固定电站等方面。从燃料电池在载人航天、水下潜艇、分布式电站获得应用以来，燃料电池一直受到各国政府和企业的关注，其研发、示范和商业化应用的资金投入不断增加。在未来煤电占比相对较低的情况下，由于风能、太阳能等可再生能源技术规模的增大，整个上游的电源结构会越来越清洁。在这种结构下，新能源汽车特别是纯电动汽车、基于电解水制氢的燃料电池汽车，排放强度会明显下降。而燃料电池汽车不同于纯电动汽车的是，它实现了上游发电和终端用电在时间上的"分离"，进而使得氢能相比于波动性较大的风能和太阳能（纯电动车技术路线）的互补能力更强。因此，发展氢能和氢燃料电池具有巨大的能源战略意义。
2应用场景分析
2.1氢能和可再生能源耦合应用
氢能能量密度高，较传统储能方式，能够实现储能容量数量级的提升。通过耦合氢能和可再生能源，可实现可再生电力更加可控、稳定、安全的供应。借助现有城市燃气庞大的直通用户管网，可再生能源电力制氢，再将氢能掺入天然气管道的应用，可以实现现阶段将城市天然气与可再生能源耦合的前景。国外关于天然气掺氢的研究比较前沿。在德国，已有天然气管道掺氢运营的示范项目。在国内，人们对天然气掺氢问题进行大量探索研究，但对于管道材料与掺氢比例、氢对燃气管道影响、末端设备对于掺氢燃气的适用性等关键性问题尚未有定论，天然气掺氢的应用尚正处于摸索阶段。2013年，德国建成了第一个商业化的风电制氢多能互补项目--h2-herten。该项目每年能够提供250MW·h的电力和将近6500kg的氢气，其中一部分氢气通过燃料电池为附近的一个办公建筑提供足够的电力。该项目在2013年5月29日开始运行，至今运行良好。该项目充分证明了微电网内通过耦合氢能和可再生能源可以实现电力的灵活稳定供应。同样，法国在科西嘉岛启动完成MYRTE发电项目。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆该项目将光伏发电与氢储能结合起来，使光伏电站的电力输出平均化，更易于并入电网。该项目装设了560kW的光伏发电设备，50kW的电解水装置以及100kW的PEMFC燃料电池。国内首个风电制氢工业应用项目--沽源风电制氢项目也已经顺利开工建设，该项目势必将有效解决河北大面积弃风问题，破解风电产业发展瓶颈。
2.2整车通信网络技术
对于氢燃料电池汽车来说，其驱动系统与以往传统汽车不同，采用了电力电子元器件，整车的控制系统更复杂，传统布线方式也增加了电路的复杂度，后期维修较为困难，可以提升整车控制网络的稳定性。因此整车通信网络技术也是关键技术之一。基于整车通信的差异性需求，将其分解为基于CAN和LIN的两种线路系统，加强车身网络控制，无论是燃料电池还是整车控制器，还是超级电容及车身司机模块都采用的双向的收发式节点，做好信号的及时接收与处理，确保汽车运行的稳定，功能正常发挥。
2.3分布式发电应用
城市燃气作为优质清洁能源，其主要的用途之一就是发电。燃料电池发电具有效率高、无NOx排放、低噪音等优点。当前，燃料电池分布式发电正处于商业应用初期。燃料电池发电电站主要分布在美国、韩国和日本。美国BloomEnergy是分布式发电领域技术力量最强、运作最成功的公司。BloomEnergy主打产品规格为100～250kW，已完全商业化应用。在数据中心、医院等特殊电力需求的场所，燃料电池分布式发电系统势必有很大的发展空间。在城市燃气输配系统中，可以利用小型燃料电池分布式发电系统，解决燃气场站的电源问题。国内的电信运营商也正在越来越多地利用燃料电池电源去替代现有的燃油内燃机发电系统。可以预见，结合城市燃气场站，燃料电池发电系统大有可为。
2.4加氢站
氢燃料电池汽车的发展和商业化离不开加氢站的建设。国外加氢站设施建设更为完善，发展较为迅速。目前大力发展燃料电池汽车加氢站的国家主要有美国、德国、日本，其均制定了长期的发展规划，其中日本成为世界上加氢站最多的国家。截至2018年3月，全球约有318座加氢站，其中亚洲大约129座；欧洲大约126座；北美地区大约有63座加氢站。日本是全球第一个加氢站超过100座的国家。
3国内氢能与燃料电池发展趋势
（1）商用车带动加氢站建设，降低氢气与燃料电池成本。我国燃料电池汽车发展路径明确：通过商用车发展，规模化降低燃料电池和氢气成本，同时带动加氢站配套设施建设，后续拓展到乘用车领域。优先发展商用车的原因在于：一方面，公共交通平均成本低，而且能够起到良好社会推广效果，待形成规模后带动燃料电池成本和氢气成本下降；另一方面，商用车行驶在固定线路上且车辆集中，建设配套加氢站比较容易。当加氢站数量增加、氢气和燃料电池成本降低时，又会支撑更多燃料电池汽车。（2）发展氢燃料电池汽车产业集群，促进全产业链发展。燃料电池关键零部件、电堆、系统、制氢储氢、检测及整车开发企业，以"产业集群"的形式，目前已在上海、广州、江苏等地快速发展。通过氢燃料电池汽车产业集群，可以促进氢能燃料电池全产业链的快速发展，有效降低成本。
结语
氢能与燃料电池技术结合城市燃气在建筑供能应用、分布式发电应用、可再生能源耦合应用、交通应用方面等都有实例，国内外都在积极推进氢能和燃料电池的发展。氢能和燃料电池技术的应用将进一步巩固城市燃气作为城市重要能源的地位，有效提高城市能源利用效率，改善城市能源结构，提高城市燃气基础设施利用率，利于最终建成城市多能协同、智能耦合的综合能源体系。
参考文献
[1]邢春礼，费颖，韩俊，等.氢能与燃料电池能源系统[J].节能技术，2009，27（3）：287-290.
[2]陈曦，肖翀，荣军，等.基于燃料电池的建筑冷热电连供系统研究现状和趋势[J].湖南理工学院学报（自然科学版），2017，30（2）：81-85.
论文作者:尹绍峰
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第21期
论文发表时间:2019/11/26
标签：燃料电池论文; 能源论文; 城市论文; 燃气论文; 汽车论文; 可再生能源论文; 氢气论文; 《中国西部科技》2019年第21期论文;